Земля из космоса реферат

Обновлено: 05.07.2024

В декабре 1999 года NASA запустила спутник, который открыл новую эру в нашей способности видеть, измерять и понимать Землю. Спутник, названный Terra, стартовал в космос 18 декабря 1999 (он был разработан для 5-летней исследовательской миссии, но по-прежнему продолжает собирать бесценные данные о суше, атмосфере и океане). В 2002 и 2004 годах, вслед за Terra стартовали два новых спутника, названные Aqua и Aura. Их часто называют тремя основными спутниками NASA системы наблюдения за поверхностью Земли, которая всерьёз началась с Terra и теперь включает в себя парк из 18 спутников. Они произвели революцию в способности наблюдать нашу планету из космоса.

NASA, а так же и другие космические агентства, запускали спутники для изучения Земли и ранее. Но последние 15 лет произвели более всесторонний взгляд на Землю из космоса, чем любой другой период в истории. В то время, когда наша планета переживает критически важные изменения, этот глобальный взгляд предлагает не только потрясающие снимки, но и жизненно важную информацию о том, как меняется Земля.

Для того, чтобы отпраздновать 15 лет успешной работы системы наблюдения за поверхностью Земли, NASA собрали 15 впечатляющих и интересных изображений, собранных тремя орбитальными спутниками NASA.

1. Blue Marble 2002 (Синий марбл 2002)

Западное полушарие Blue Marble, созданное в 2002 году

2. Разрушение шельфового ледника

Горный хребет бежит вверх по позвоночнику Антарктического полуострова, в то время как шельфовые ледники обрамляют его с обеих сторон. С начала 2002 года, на протяжении нескольких месяцев, инструмент MODIS на борту Terra наблюдал один из моментов разрушения и исчезновения шельфовых ледников, давая ученым и миру возможность с высоты птичьего полета наблюдать это драматическое явление. В январе поверхность шельфового ледника Ларсена пошла рябью, стали образовываться скопления воды от таяния льда. В середине февраля, передний край шельфового ледника отступил примерно на шесть миль, и большие айсберги начали откалываться и уплывать далеко в море. 7 марта 2002 года шельф был уже полностью разрушен.

Разрушение шельфового ледника Ларсена в Антарктике, период с 31 января по 13 апреля 2002

3. Озоновые измерения на краю диска

Обнаружение газовых молекул озона, определение их месторасположения в атмосфере требует выхода за край диска Земли. С орбиты, край диска Земли представляется нечетким синим ореолом, который сияет над поверхностью. Инструменты, такие как Microwave Limb Sounder (MLS) на борту спутника Aura позволяют наблюдать край диска Земли. В результате, исследуется вид атмосферы Земли сбоку, вплоть до того, где она прореживается в космос. Эта перспектива позволяет учёным измерять химический состав атмосферы Земли слой за слоем. Важное значение это имеет для мониторинга газов, которые способствуют образованию дыр в озоновом слое и, в отношении оценки воздействия на облака — на изменение климата. С помощью Microwave Limb Sounder впервые были измерены все космические газы, которые участвуют в цикле разрушения озонового слоя, давая учёным первые сведения, с помощью которых можно смоделировать весь процесс разрушения озонового слоя.

MLS измерения низких слоёв стратосферы: температуры и концентрации H2O, O3, ClO, BrO, HCl, OH, HO2, HNO3, HCN и N2O, их воздействия на истощение озонового слоя, трансформации парниковых газов и радиационного воздействия на изменения климата

4. Глобальный цикл растительности

Со спутника можно получить фотографии Земли, показывающие где произрастают деревья и растения. Но данные со спутниковых приборов могут сообщать нам даже больше информации, например, какое количество углекислого газа поглощают растения из атмосферы в процессе фотосинтеза. Гиперспектральные системы MODIS на борту Aqua и Terra измеряют поглощение углерода, что позволяет учёным сравнивать продуктивность растений по всему миру. Анимация показывает этот цикл в течение года, отражая сезонный рост и падение зеленой растительности на планете. Тёмные оттенки зеленого цвета показывают более высокие темпы поглощения углерода.

Один год глобального цикла растительности на Земле. Можно увидеть сезонные колебания в разных частях мира

5. Потепление Арктики

Основная причина снижения уровня летнего морского льда в Арктике — это потеря белой отражающей поверхности, которая отражает энергию солнца обратно в космос. Поэтому лёд тает и обнажает темные воды океана, которые поглощают солнечную энергию, потенциально провоцируя потепление в Арктике, где температура растет в два-три раза быстрее в последние десятилетия, чем где-либо еще на планете. CERES (Clouds and the Earth’s Radiant Energy Systems) – инструмент на борту Terra и Aqua, который продолжает измерять количество солнечной радиации, поглощенное Землёй с 2000 года. В Арктике этот показатель увеличился на 5% — число, которое может показаться не таким большим, если не считать, что скорость поглощения практически не менялась на всей остальной территории земного шара, и ни один другой регион на земле не показал подобных изменений.

Анимация показывает изменение морского льда и поглощения солнечного излучения в летние месяцы в Арктике в период между 2000 и 2014. Синий цвет показывает места, где морской лёд уменьшился; красный цвет показывает места, где поглощения солнечного излучения возросло за последние 15 лет

6. Чистое дыхание в США

Нас может удивить тот факт, что во многих частях Соединенных Штатов качество воздуха улучшилось за последние годы. По мере появления новых автомобилей, ужесточились правила регулирования выбросов на дорогах. В то же время промышленность и электростанции придерживаются жестких ограничений по загрязнению. Некоторые из основных загрязнителей, которые могут вызвать проблемы со здоровьем значительно снизились за последние 15 лет. В последние годы ученые NASA выяснили, как измерить концентрацию одного загрязняющего вещества — диоксида азота, используя инструмент OMI на борту спутника Aura. Смотрите визуализацию, показывающую как качество воздуха в США улучшилось с 2005 по 2011 года.

Загрязнение диоксидом азота с 2005-2011 снизилось на всей территории Соединенных Штатов

7. Горящая планета

Каждый год около трети поверхности суши Земли тронуто огнем. Мы не знали этот факт пока MODIS, инструмент на борту спутников Terra и Aqua, не начал сканировать Землю четыре раза в день для того, чтобы определить каждую огненную точку на планете. За пятнадцать лет с момента создания глобальной пожарной карты, они наблюдали более 40 миллионов активных пожаров. Карта сыграла революционную роль в понимании учеными того, где происходят пожары и как они влияют на экосистемы. Выяснилось, что газ, выпущенный в атмосферу, способствует изменению климата, ухудшению качества воздуха, и это влияет на здоровье человека. В режиме реального времени, пожарная карта является одним из самых востребованных продуктов для борьбы с лесными пожарами в Соединенных Штатах и по всему миру.

Африканских пожары в течение 2006 года (показаны красным цветом)

8. Дымовые шлейфы из космоса

Столб дыма от пожара в Калифорнии 23 августа 2013 года

9. Движение морского льда

Aqua был не первым спутником, исследующим морской лёд из космоса. Зато с помощью него впервые были получены высококачественные данные, что позволили учёным увидеть ледяной покров Арктики (плавающий слой морского льда больше, чем вся континентальной часть США) перемещающимся и изменяющимся изо дня в день. Морской лед сжимается летом и расширяется зимой — и каждый день, в течение этого цикла, он принимает различные формы. С помощью инструмента AMSR-E на борту Aqua можно увидеть насколько это красивое зрелище.

Морской лед плавает на поверхности океана, увеличивается и уменьшается в зависимости от сезона. Приведённый период: 4 сентября 2009 – 30 января 2011. Спутниковые наблюдения показывают: общая масса морского льда сократилась за последние 15 лет в связи с изменением климата

10. Колебания количества углекислого газа

Наземные датчики показывают, что в северном полушарии содержание углекислого газа в атмосфере увеличивается и уменьшается в зависимости от времени года. Этот цикл связан с фотосинтетической деятельностью растений, деревьев и фитопланктона. Но без глобального взгляда со спутника, мы никогда бы не увидели картину того, как эти колебания будут выглядеть. Инструмент AIRS на борту Aqua измеряет концентрацию углекислого газа на расстоянии в несколько тысяч футов над поверхностью. И визуализация этих данных даёт представление о том, как именно парниковые газы распространяются по всему миру, и как их концентрация меняется в зависимости от сезона.

Средние годовые данные по углекислому газу показаны желтым цветом (с помощью AIRS); поверх них данные по растительности показаны зеленым цветом (с помощью MODIS)

11. Тайны облаков и аэрозолей

До сих пор не изучено влияние на изменение климата облаков и маленьких взвешенных частиц, называемых аэрозолями. Некоторые облака отражают солнечные лучи, в то время как другие их поглощают. Некоторые аэрозоли рассеивают свет и вызывают охлаждающий эффект, а другие поглощают свет и вызывают эффект нагрева. Аэрозоли могут также рассеивать облака, что еще более усложняет картину. Ученые использовали инструменты MODIS на Terra и Aqua для того, чтобы начать непрерывное долгосрочное наблюдение облаков и аэрозолей, что в конечном итоге поможет научному сообществу лучше понять их тайну. В последние годы были запущены другие спутники NASA (помимо Terra и Aqua) для изучения дополнительных видов облаков и аэрозолей при помощи различных типов инструментов.

Шлейфы пыли из Ирана, Афганистана и Пакистана распространяются на юг через Аравийское море, 28 декабря 2012

12. Топографические карты

Исследователи уже давно продвинулись вперед и нанесли на карту местность неизведанных ранее территорий, делая подробные топографические карты гор, рек, холмов и равнин. Глобальная цифровая модель рельефа (Global Digital Elevation Model), произведённая усовершенствованным спутниковым радиометром теплового излучения и отражения (ASTER — Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer), инструментом на борту Terra, выводит его на совершенно новый уровень. ASTER собирает пары изображений с небольшим смещением земной поверхности. Небольшие смещения изображений дают информацию о глубине и позволяют ученым визуализировать местность Земли в 3D. Первая Глобальная цифровая модель рельефа увидела свет в 2009 году. Она представляла собой сшитые вместе 1,3 млн сцены земной поверхности. Ещё ни разу не удавалось охватить такое большое количество фрагментов. Это была топографическая карта с самым высоким разрешением, которая охватывала 90 процентов поверхности Земли. Ученые используют данные о рельефе чтобы понять, как Земля изменяется с течением времени, особенно от стихийных бедствий, таких как оползни, землетрясения, наводнения и цунами.

NASA и министерство экономики, торговли и промышленности Японии выпустила в свет Глобальную цифровую модель рельефа (Global Digital Elevation Model) 29 июня 2009 года

Лос-Анджелес на севере граничит с цепью гор Сан-Габриэль

13. Танец планктона

Когда крошечные растения в океане начинают цвести, они распространяются на сотни километров. Во всем мире цветение фитопланктона составляет примерно половину от всего фотосинтеза на Земле и являются основными звеном в принятии углерода из атмосферы и передачи его в океан. С цветением фитопланктона огромное количество рыб и морских млекопитающих, питающимся этим видом пищи, собираются в одном месте, и этот факт косвенно поддерживает их популяцию. Ежедневные наблюдения за цветом океана с помощью приборов MODIS на борту спутников Terra и Aqua, резко изменили понимание учеными сложных биологических и физических отношений между фитопланктоном, морскими экосистемами и глобальный углеродным запасом.

Цветение фитопланктона у берегов Исландии, 24 июня 2010 года

14. Отображение угарного газа (окись углерода)

Угарный газ представляет собой загрязняющее вещество без цвета и запаха, образующееся из пожаров, выхлопных труб транспортных средств и других антропогенных источников. Попав в атмосферу, данный загрязнитель способствует образованию смога, иногда за тысячи километров от места исходного возникновения. Окись углерода входит в состав ингредиентов для приземного озона — вредного загрязнителя. На борту Terra имеется инструмент MOPITT для измерения загрязняющих веществ в тропосфере. MOPITT был первым устройством, отслеживающим источники окиси углерода по всему миру. По данным, собранным с приборов MOPITT, AIRS, а так же по данным, собранным с европейских спутников, ученые обнаружили, что выбросы окиси углерода сокращаются в размере 1% в год с 2000 года.

Среднемесячная концентрация в тропосфере окиси углерода на высоте около 12000 футов, в апреле 2000 года (слева) и в апреле 2014 года

15. Восстановление озонового слоя

Монреальский протокол от 1987 года запрещает использование озоноразрушающих веществ. Это был знаковым моментом для международного сообщества, побуждающим собраться вместе и решить серьезную экологическую угрозу. Озоновый слой в стратосфере действует как солнцезащитный крем для Земли, защищая все живое на поверхности от вредного солнечного излучения. Спутниковые измерения стратосферного озона были важны для мониторинга сезонного появления озоновой дыры над Антарктидой. Продолжая измерения, начатые спутниками NOAA, инструмент OMI на спутнике Aura стал свидетелем некоторых признаков, которые сигнализируют, что дыры в озоновом слое находятся на пути к выздоровлению.

Минимальная концентрация озона над Антарктидой с 1979 по 2013 год

Полёту первого в мире спутника предшествовала длительная работа советских ракетных конструкторов во главе с Сергеем Королёвым. Множество неудачных или не совсем удачных попыток привели русских учёных к созданию первого в мире искусственного спутника Земли. Первый искусственный спутник земли начал работать 4 октября 1957 года. Это было начало нового этапа в жизни всех людей.

Файлы: 1 файл

kursovaya.docx

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

Исследования Земли из космоса

д.ф.-м.н. профессор, зав. Кафедрой

Основные принципы решения

Запуск на орбиту спутника было нелёгкой задачей для всего человечества. Для движения по орбите вокруг Земли аппарат должен иметь скорость, равную первой космической скорости (примерно 7,9 км/с).

Первый искусственный спутник земли начал работать 4 октября 1957 года. Это было начало нового этапа в жизни всех людей. Он назывался Спутник-1, кодовое обозначение ПС-1 (Простейший Спутник- 1). Был запущен на орбиту СССР.

Спустя четыре года произошёл первый полет человека в космос. Первым человеком осмелившимся полететь в космос был Юрий Алексеевич Гагарин. Советский лётчик- испытатель отправился в космос 12 апреля 1961 года. Теперь 12 апреля считается днём космонавтики. Он первый, в истории человек увидевший Землю со стороны.

Вторым человеком посетившим космос стал Герман Степанович Титов. Также советский космонавт. 6 и 7 августа он сделал несколько снимков нашей планеты из космоса обогнув Землю 17 раз.

В 60-е года было положено начало изучения земной поверхности. Черно- белые изображения, подобные карте очертания рельефа земного шара, лежащего под облаками.

Со временем настраивалась чувствительность оборудования и изображения становились более ясными и чёткими.

Но на этом человечество не остановилось. Развивалась наука, образование, техника. С каждым годом в космос запускали все больше ИСЗ. Каждый новый ИСЗ был лучше предыдущего по технически характеристикам, и некоторые отличались по предназначению. В космос отправлялось оборудование для тепловой съёмки, многозональные фотокамеры, телевизионные камеры, инфракрасные сканирующие радиометры и различные радары для активного зондирования.

С помощь этого оборудования, учёные могут выявить ритмичность, нахождение и силу природных процессов глобального, зонального, регионального и локального характера.

Первой проблемой изучения Земной поверхности из космоса является дороговизна оборудования и его компонентов.

Второй проблемой для исследования является выход оборудования из строя прямо в космосе. Замена деталей в условиях космического пространства является большой проблемой.

Основные принципы решения

Решения первой проблемы:

Ежегодно многие страны выделяют из бюджета миллиарды на запуск и развитие ИСЗ. Учёные пытаются заменить дорогие компоненты более дешёвыми аналогами. Но не редко это приводит к убыткам, большим чем затраты на покупку этих компонентов.

Убытки появляются в результате падения спутников с альтернативными деталями. Заменённые детали не могут выдержать напряжения, через которые проходят на пути к орбите. Лабораторные условия не могут в полной мере воспроизвести условия, при которых спутники выходят на орбиту Земли.

Разрабатывается новое оборудование для испытаний, позволяющее максимально приблизится к условиям выхода из атмосферы. Учёные делают успехи в изучении свойств материалов пригодных для строения ИСЗ, ищут и находят более дешёвые материалы. Некоторые из них не только не уступают механическим свойствам начальных материалов, но и превосходят их. Главное продолжать поиски и дальше синтезировать вещества для получения более крепких и устойчивых сплавов. Ведь от этого оборудования зависят не только научные успехи, но и жизни людей, которые находятся в космосе.

Решение второй проблемы:

Для замены вышедших из строя деталей надо отправлять другие космические аппараты с новыми деталями. Но это является только первым этапом решения проблемы.

Второй частью, является правильная установка этих деталей. Космонавтам приходится работать в тяжёлых условиях. Тяжёлый инструменты, невесомость, неудобное снаряжение, ограниченность во времени все это может плохо сказаться на качестве работы.

Третьей частью, является проверка на прочность. Запуск нового оборудования всегда риск, а в условиях изолированности это может привести к тяжёлым последствиям для всех участников проекта, и для космонавтов и для людей находящихся на Земле.

Учёные со спутников получают точные данные для исследований. Расположение тех или иных природных объектов, изменение рельефа вследствие природных катаклизмов.

С помощью тепловой съёмки поверхности земли учёные могут предвидеть некоторые природные явления. Например, извержение вулкана, приближение цунами к какому- либо материку. Эти данные помогают спасти множество людей. Ведь, если вовремя оповестить жителей, можно эвакуировать их из зоны бедствия, что сократит число жертв в сотни раз.

Но это удаётся не всегда. На получение и обработку данных уходит достаточно времени, а, к примеру, цунами надвигается с огромной скоростью. Внезапно появляется и так же внезапно исчезает.

Не так давно карты создавались по топографической разведке местности. Сейчас же карты и атласы создаются, в основном при помощи снимков из космоса и данных локационных радаров. Что значительно облегчает создание точных карт.

С помощью ИСЗ можно познать закономерности строения и развития Земли. Используется эта информация для поисков полезных ископаемых, изучения глобальных и региональных геологических структур, геологического картирования, изучения современных физико- геологических процессов и других целей.

Материалы инфра красных съёмок из космоса используются при составлении схем и карт термической неоднородности Земли, при изучении интенсивности теплового потока и его изменении во времени. Используется для выявления термальных водных источников и водоносных горизонтов и картирование зон современного вулканизма.

Информация из космоса даёт неоспоримое преимущество при оценке объёма строевого леса на обширных территориях. Можно выбрать такие районы для вырубки леса, которые позволят максимально свести вред к минимуму. Так же при помощи снимков можно быстро оценить вред от лесных пожаров.

Так же информация со спутников позволяет прогнозировать погоду в труднодоступных участках Земли. Например, территории океанов северного и южного полушарий, пустынь и полярных областей. Ну удается сделать прогноз только на ближайшие несколько дней. Спутниковая информация включает данные о наличии и расположении атмосферных фронтов, бурь и общего облачного покрова. В настоящее время спутник стал практически признанным инструментом метеорологов в большинстве стран мира.

Люди оценили роль спутников для контроля над состоянием сельскохозяйственных угодий, лесов и других природных ресурсов Земли лишь спустя несколько лет после наступления космической эры.

ИСЗ используются и для всемирного телевизионного вещания. Как известно радиус телевизионных центров ограничен, так как передача телевизионных программ ведётся на ультракоротких волнах, которые распространяются в пределах прямой видимости. Для того чтобы телевизионные передачи принимались на большей территории, необходимо поднять передатчик телецентра как можно выше, или применять ретрансляцию по специальным кабелям или радиолинейным линиям связи. Всем понятно, что при помощи ИСЗ, в поле зрения которого находится очень большие площади Земли, можно значительно повысить радиус действия телевизионных центров и расстояния, на которые можно транслировать передачи.

Так как Земля вращается , один о тот же спутник, находящийся в одном и том же месте, в течении нескольких часов или суток, может сделать снимки разных участков земной поверхности. Это обуславливается суточным вращением земли и её вращением вокруг своей оси. Но снимки со спутников находящихся на северном и южном полюсах мало отличаются, так как вращение в этих точках минимально. Основное вращение земли приходится на экваториальную часть. Потому что полюса, как бы стоят на одном месте. Они вроде и вращаются, но центральные точки обоих полюсов всегда остаются на одном месте. Кроме случаев когда Земля меняет полюса.

Так же благодаря исследованиям Земли из космического пространства было определено что если наблюдать за северным полушарием, то оно вращается против часовой стрелки. Если исследование проводить на южном полушарии, то Земля вращается по часовой стрелке.

Давление у поверхности земли в определённой местности обычно, на несколько миллибар, меняется, за время изготовления последовательных карт для этой местности.

Физика атмосферы является основным разделом метеорологии. Метеорология – наука о земной атмосфере, её строении, свойствах и происходящих в ней процессах и явлениях. Метеорология изучает состав и строение атмосферы; теплооборот и тепловой режим в атмосфере и на земной поверхности; влагооборот и фазовые превращения воды в атмосфере, движение воздушных масс; электрические, оптические и акустические явления в атмосфере. В свою очередь, метеорология составляет часть более общей науки- геофизики. Геофизика изучает явления и процессы в атмосфере, на поверхности воды и в толще грунтов.

Изучая физические свойства атмосферы и происходящие в ней явления, метеорология рассматривает их во взаимной связи со свойствами и влиянием поверхности моря и суши. Она исследует изменения погоды и её элементы (температура, влажность, давление, электрическое состояние атмосферы, солнечное сияние, облачность, осадки ветер и др.). Одна из главных задач метеорологии- изучение закономерностей развития всех химических и физических процессов и явлений, происходящих в атмосфере, с целью прогнозирования наступления и развития атмосферных процессов и явлений на основе системы их мониторинга, а так же разработка методов управления процессами, происходящими в атмосфере.

Результаты метеорологической информации широко используются в различных отраслях народного хозяйства: авиации, морском, железнодорожном и автомобильном транспорте, при проектировании и строительстве различных ответственных сооружений (линий электропередач, зданий, водохранилищ, газопроводов и электростаний, золоотвалов, хранилищ промышленных и бытовых отходов и др.)

В прямой и непосредственной зависимости от метеорологической информации находится сельскохозяйственное производство. Решение проблем по экологии и охране окружающей среды, так же связаны с метеорологическим наблюдением за процессами загрязнения атмосферы и водных объектов.

Перечисленные основные задачи метеорологии, базируются на решении следующих задач или подзадач:

- изучение основных характеристик атмосферы: состава, вертикального расслоения, горизонтальной неоднородности, атмосферного давления и др.

- наблюдение за солнечной, земной и атмосферной радиацией: потоки солнечной энергии в атмосфере, спектр солнечной радиации, приход и расход солнечной энергии.

- фиксация тепловых режимов земли и водоёмов: нагревание и охлаждение воздуха, суточные и годовые колебания температуры, влияние растительного покрова, географическое распределение температуры приземного слоя атмосферы, изменение температуры в зависимости от высоты, адиабатические процессы в атмосфере.

- изучение условий образования водяного пара: испарение, влажность, конденсация водяного пара, образование различных видов и разновидностей облаков.

-исследование процесса образования атмосферных осадков: разновидность осадков и их характеристика, распределение осадков по земной поверхности.

-наблюдение за воздушным течением в атмосфере: изменение скорости и направления ветра, влияние препятствий на ветер, изменение скорости и направления ветра в зависимости от высоты

-изучение оптических явлений и электрических процессов в атмосфере: рассеяние и поглощение света, дальность видимости, преломление и отражение света в атмосфере, электрическое поле и электрическая проводимость атмосферы, грозовое электричество, исследование акустических явлений в атмосфере, скорость звука, преломление и отражение звука, ослабление звука в атмосфере

Отдельные направления метеорологии:

1 синоптическая метеорология - изучает закономерности развития атмосферных процессов, определяющая условия погоды, в рамках которого разрабатываются методы её прогноза

2 климатология - изучает условия и закономерности формирования климата, распределения его по земному шару и изменения климата во времени.

Человек впервые оценил роль спутников для контроля за состоянием сельскохозяйственных угодий, лесов и другихприродных ресурсов Земли лишь спустя несколько лет после наступления космической эры. Начало было положено в 1960г., когда с помощью метеорологи ческих спутников -Тирос- были получены подобные карте очертан ия земного шара, лежащего под облаками. Эти первые черно-белые

ТВ изображения давали весьма слабое представление о деятельности человека и тем не менее это было первым шагом. Вскоре были разра ботаны новые технические средства, позволившие повысить качество наблюдений . Информация извлекалась из многоспектральных изображений в видимом и инфракрасном (ИК) областях спектра. Первыми спутниками, предназначенными для максимального использования этих возможностей были аппараты типа -Лэндсат-. Например спутник -Лэндсат-D-, четвертый из серии, осуществлял наблюдение Земли с высоты более 640 км с помощью усовершенствованных чуствительных приборов, что позволило потребителям получать значительно более детальную и своевременную информацию . Одной из первых областей применения изображений земной поверхности, была картография. В доспутниковую эпоху карты многих областей, даже в развитых районах мира были составлены неточно. Изображения, полученные с помощью спутника -Лэндсат-, позволили скорректировать и обнови ть некоторые существующие карты США. В СССР изображения полу ченные со станции -Салют-, оказались незаменимыми для выверки железнодорожной трассы БАМ.

В середине 70-х годов НАСА, министерство сельского хозяйства США приняли решение продемонстрировать возможности спутниковой системы в прогнозировании важнейшей сельскохозяй-ственной культуры пшеницы. Спутниковые наблюдения, оказавшиеся наредкость точными в дальнейшем были распространены на другие сельскохозяйственные культуры. Приблизительно в то же время в СССР наблюдения за сельскохозяйственными культурами проводились со спутников серий -Космос-, -Метеор-, -Муссон- и орбитальных станций -Салют-.

Использование информации со спутников выявило ее неоспоримые преимущества при оценке объема строевого леса на обширных территориях любой страны. Стало возможным управлять процессом вырубки леса и при необходимости давать рекомендации по изменению контуров района вырубки с точки зрения наилучшей сохранности леса. Благодаря изображениям со спутников стало также возможным быстро оценивать границы лесных пожаров, особенно -коронообразных-, харрактерных для западных областей Северной Америки , а так же районов Приморья и южных районов Восточной Сибири в России.

Огромное значение для человечества в целом имеет возможность наб людения практически непрерывно за просторами Мирового Океана, этой -кузницы- погоды. Именно над толщами океанской воды зарождаются чудовищной силы ураганы и тайфуны, несущие многочисленные жертвы и разрушения для жителей побережья. Раннее оповещение населения часто имеет решающее значение для спасения жизней десятков тысяч людей. Определение запасов рыбы и других морепродуктов также имеет огромное практическое значение . Океанские течения часто искривляются, меняют курс и размеры. Например , Эль Нино, теплое течение в южном направлении у берегов Эквадора в отдельные годы может распространяться идоль берегов Перу до 12гр. ю.ш. . Когда это присходит планктон и рыба гибнут огромных количествах, нанося непоправимый ущерб рыбным промыслам многих стран и том числе и России. Большие концентрации одноклеточных морских организмов повышают смертность рыбы, возможно из-за содержащихся в них токсинов. Наблюдение со спутников помогает выявить -капризы- таких течений и дать полезную информацию тем, кто в ней нуждается. По некоторым оценкам российских и американских ученых экономия топлива в сочетании с -дополнительным уловом- за счет использования информации со спутников, полученной в инфракрасном диапазоне, дает ежегодную прибыль в 2,44 млн. долл. Использование спутников для целей обзора облегчило задачу прокладывания курса морских судов.

При эксплуатации российского атомного ледокола -Сибирь- была ис пользована информация с четырех типов спутников для составления наиболее безопасных и экономичных путей в северных морях. Полу чаемая с навигационного спутника -Космос-1000- информация испо льзовалась в вычислительной машине корабля для определения точного местоположения. Со спутников -Метеор- поступали изображения облачного покрова ипрогнозы снежной и ледовой обстановки, что позволило выбирать лучший курс. Спомощью спутника -Молния- поддерживалась связь с корабля с базой. Также с помощью спутников находят нефтяные загрязнения, загрязнения воздуха, полезные ископаемые.

Наука о космосе

В течении небольшого периода времени с начала космической эры че ловек не только послал автоматические космические станции к другим планетам и ступил на поверхность Луны, но также произвел революцию в науке о космосе, равной которой не было за всю историю человечес тва. Наряду с большими техническими достяжениями, вызванными развитием космонавтики, были получены новые знания о планете Земля и соседних мирах.

Одним из первых важных открытий, сделанных не традиционным визуальным, а иным методом наблюдения, было установление факта резкого увеличения с высотой, начиная с некоторой пороговой высоты, интенсивности считавшихся ранее изотропными космических лучей.

Это открытие пренадлежит австрийцу В. Ф. Хессу, запустившему в 1946 г.газовый шар-зонд с аппаратурой на большие высоты.

В 1952 и 1953 гг. д-р Джеймс Ван Аллен проводил исследования низ ко энергетических космических лучей при запусках в районе север ного магнитного полюса Земли небольших ракет на высоту 19-24 км и высотных шаров-балонов. Проанализировав резульаты проведенных эксперементов, Ван Аллен предложил разместить на борту первых американских искусственных спутников Земли достаточно порстые по конструкции детекторы космических лучей.

С помощью спутника -Эксплорер-1- выведенного США на орбиту 31 января 1958 г. было обнаружено резкое уменьшение интенсивности космического излучения на высотах более 950 км.

В конце 1958 г. АМС -Пионер-3- преодалевшая за сутки полета рас тояние свыше 100000 км, зарегистрировала с помощью имевшихся на борту датчиков второй, расположенный выше первого, радиационный пояс Земли, который также опоясывает весь земной шар.

В августе и сентябре 1958 г. на высоте более 320 км было произведено три атомных взрыва, каждый мощьностью 1,5 кт. Целью испытаний с кодовым названием -Аргус- было изучение возможности пропадания радио и радиолокационной связи при таких испытаниях. Исследование Солнца - важнейшая научная задача, решению которой посвящены многие запуски первых спутников и АМС.

Американские -Пионер-4- - -Пионер-9- ( 1959-1968гг.) с околосол нечных орбит передавали по радио на Землю важнейшую информа цию о структуре Солнца. В тоже время было запущено более двад цати спутников серии -Интеркосмос- с целью изучения Солнца и околосолнечного пространства.

Полеты АМС к Луне и планетам

В начале 60-х годов в США и СССР были спроектированы ,изготов лены и запущены к Луне целый ряд АМС . Наиболее удачным для американцев был запуск в июле 1964г. аппарата -Рейнджер-7-, ко торый передал на Землю более 4300 высококачественных ТВ изображений Луны , полученных перед контактом с поверхностью. По следнееизображение, снятое с высоты 1600 м ,охватывало площадь 30x50 м. На нем были отчетливо видны кратеры диаметром до 1 м.

В СССР впервые были созданы возможности для осуществления мягкой посадки на Луну с созданием новых АМС серии -Луна- в 1963г. Эти станции массой до 1,8 т были рассчитаны на доставку приборного контейнера массой 100 кг на поверхность Луны.

При запуске АМС -Луна-9- в феврале 1966г. была впервые успешно осуществлена мягкая посадка на Луну объекта, изготовленного руками человека. Второй -прилунившейся- станцией стала -Луна-13-.

С помощью механического грунтомера и радиационного плотноме ра была получена уникальная информация о плотности и составе поверхности грунта. При запуске АМС -Луна-17- впервые была по ставлена задача передвижения по лунной поверхности. После успеш ной посадки с посадочной ступени был спущен аппарат -Луноход-1-

В течении 10 мес работы -Луноход-1-,управляемый с Земли по радио, прошел по лунной поверхности более 10,5 км.

Одно из наиболее ярких светил ночного неба- покрытая облаками планета Венера - стало одной из первых целей полетов АМС. Впервые возможность запуска АМС появилась в конце 1960г., когда в СССР была создана первая ракета-носитель А-2-е. В феврале 1961г. воспользовавшись -окном- для запусков к Венере СССР запустил АМС -Венера-1-, которая прошла на расстоянии 100 тыс. км от Венеры и вышла на околосолнечную орбиту .

12 ноября 1965 г. была запущена, с целью достижения ее поверхности -Венера-3-. 1 марта 1965 г. станция достигла поверхности Венеры, осуществив первый полет АМС на другую планету. В 1967 г. успешный полет совершила станйия -Венера-4-, направленная непосредственно на планету. На расстаянии 45000 км от Венеры от станции отделился сферический спускаемый аппарат (СА) диаметром 1 м, который при входе в атмосферу планеты выдержал перегрузку до 300 g. Парашютная система в дальнейшем обеспечила спуск в атмосфере, который продолжался 94 мин. Была принята информация о том, что на высоте 25 км температура атмосферы равна 271 гр. и давление 17-20 атм. На поверхности планеты температура ровна 475 гр. и давление 15 атм.

Было установлено, что атмосфера Венеры почти полностью состоит из углекислого газа. В последствии были проведены несколько запусков с целью погружения в атмосферу Венеры.

Первой космической станцией, запущенной к Марсу 1 ноября 1962 г., была советская АМС -Марс-1-. США запустили в 1964 г. первые две АМС -Маринер-. Запуск -Маринер-3- оказался неудачным и через три недели на околосолнечную орбиту был выведен -Маринер-4-. 14 июля 1965 г. он пролетел на расстоянии 9600 км от Марса, не обнаружив ни радиационных поясов, ни магнитного поля вокруг плане ты. Было установленно что давление у поверхности планеты состав ляет менее 1% земного давления над уровнем моря и сответствует давлению в атмосфере Земли на высоте 30-35 км. На поверхности Марса были обнаружены кратеры, аналогичные лунным.

Первая советская АМС совершившая посадку на Марс была -Марс 2- массой 4650 кг. В составе грунта было обнаруженно: 15-20 % кремния, 14 % железа, кальций, аллюминий, сера, титан, магний, цезий и калий. В составе воздуха было обнаруженно 95 % углекис лого газа, 2,7 % азота и признаки наличия кислорода, аргона и во дяного пара.

К Меркурию впервые отправилась АМС -Маринер-10-, первона чально посланная к Венере в 1973 г. 29 марта 1973 г. космический аппарат достиг своей цели, планеты Меркурий, пройдя на расстоя нии 690 км от ее теневой поверхности. Во время каждого полета проводились иследования поверхности планеты. В атмосфере Мер курия были найдены следы аргона, неона и гелия в триллион раз меньшем количестве чем на Земле. Диапазон температур поверх ности от 510 до -210 гр., напряженность магнитного поля 1 % земного, а масса планеты 6 % массы Земли. Также АМС посылались к Юпитеру и Сатурну.

Речь идет о родной планете, поэтому давайте посмотрим, как проходило исследование Земли. Большую часть земной поверхности успели изучить к началу 20-го века, включая внутреннее строение и географию. Загадочными оставались Арктика и Антарктика. Сегодня практически все участки удалось запечатлеть и нанести на карту благодаря фотографическому картированию и радиолокаторам. Одной из последних исследованных областей был полуостров Дариен, расположенный между Панамским Каналом и Колумбией. Ранее выполнить обзор было сложно из-за постоянных дождей, густой растительности и плотного облачного покрова.

Спутниковое изображение Скоресби-Санд (Гренландия)

Изучение глубинных особенностей планеты долгое время не проводили. До этого занимались исследованием поверхностных формирований. Но после Второй мировой войны принялись за геофизические исследования. Для этого использовали специальные датчики. Но так можно было рассмотреть ограниченную часть подповерхностного слоя. Получалось пробраться лишь под верхнюю кору. Максимальная глубина скважины – 10 км.

Основные цели и достижения при исследовании Земли

В исследовании Земли учеными движет научное любопытство, а также экономическая выгода. Население увеличивается, поэтому растет спрос на ископаемые, а также воду и прочие важные материалы. Многие подземные операции проводят для поиска:

нефти, угля и природного газа;
коммерческих (железо, медь, уран) и строительных (песок, гравий) материалов;
подземных вод;
пород для инженерного планирования;
геотермальных запасов для электричества и отопления;
археологии;

Также возникла необходимость в создании безопасности через туннели, хранилища, ядерные реакции и плотины. А это приводит к необходимости уметь предсказать силу и время землетрясения или уровень подповерхностной воды. Активнее всего землетрясениями и вулканами занимается Япония и США, потому что эти страны чаще всего переносят подобные бедствия. Периодически скважины бурят для профилактики.

Методология и инструменты исследовании Земли

Следует знать, какие существуют методы исследования планеты Земля. В геофизике используют магнетизм, гравитацию, отражательные способности, упругие или акустические волны, тепловой поток, электромагнетизм и радиоактивность. Большая часть замеров осуществляется на поверхности, но есть спутниковые и подземные.

Важно понимать, что находится внизу. Иногда не удается добыть нефть только из-за блока другим материалом. Выбор метода основывается на физических свойствах.

Дистанционное зондирование

Используется ЭМ-излучение от земли и отраженная энергия в разнообразных спектральных диапазонах, добытых самолетами и спутниками. Методы основываются на использовании комбинаций изображений. Для этого участки фиксируют с разных траекторий и создают трехмерные модели. Их также выполняют с интервалами, что позволяет проследить изменение (рост урожая за сезон или перемены от шторма и ливня).

Радарные лучи пробиваются сквозь облака. Боковой видимый радиолокатор отличается чувствительностью к перемене поверхностного наклона и шероховатости. Оптико-механический сканер регистрирует теплую ИК-энергию.

Чаще всего используют технику Landsat. Эти сведения добываются мультиспектральными сканерами, размещенными на некоторых американских спутниках, расположенных на высоте в 900 км. Кадры охватывают площадь 185 км. Используется видимый, ИК, спектральный, зеленый и красный диапазоны.

Часть долины Магдалена (Колумбия)

В геологии эту технику применяют для вычисления рельефа, обнажения горных порог и литологии. Также удается фиксировать перемены в растительности, породах, находить подземные воды и распределение микроэлементов.

Магнитные методы

Не будем забывать о том, что исследования Земли проводят из космоса, предоставляя не только фото планеты, но и важные научные данные. Можно вычислить полное земное магнитное поле или же конкретных компонентов. Наиболее старый метод – магнитный компас. Сейчас используют магнитные балансы и магнитометры. Протонный магнитометр вычисляет радиочастотное напряжение, а оптико-накачивающий отслеживает наименьшие магнитные флуктуации.

Перед вами засушливая территория Сахары, а более темные места – растительность влажного и полузасушливого леса Сахель. На заднем плане отмечены темно-зеленые болота острова Чад. Простирается на 200 км и представлены небольшим остатком гигантского леса. Озерный бассейн охватывает 1000 км от переднего плана до подножия тибетских гор.

Магнитные съемки проводят магнитометрами, летающими на параллельных линиях с удаленностью в 2-4 км и на высоте в 500 м. Наземные исследования рассматривают магнитные аномалии, произошедшие в воздухе. Могут размещаться на специальных станциях или перемещающихся кораблях.

Магнитные эффекты формируются из-за намагниченности, созданной осадочными породами. Скалы не способны удерживать магнетизм, если температура превышает 500°C, а это ограничение для глубины в 40 км. Источник должен располагаться глубже и ученые полагают, что именно конвекционные токи генерируют поле.

Методы гравитации

Космические исследования Земли включают различные направления. Гравитационное поле можно определить через падение любого объекта в условиях вакуума, вычисление периода маятника или другими способами. Ученые используют гравиметры – вес на пружине, способной растягиваться и сжиматься. Они действуют с точностью до 0.01 миллиграмма.

Слева видите вулкан Килауэа с вытянутыми завихрениями вулканических газов (сверху), простирающихся на запад от формирования. Члены экипажа специально обучаются снимать подобные дымки под наклоном, чтобы улучшить качество обзора. Галогеновый туман (сочетание тумана, вулкана и смога) – привычное дело для гавайцев и относится к разновидности воздушного загрязнения. Появляется, когда двуокись серы и прочие газы от вулканической активности смешиваются с кислородом, влагой и солнечными лучами.

Отличия в гравитации происходят из-за локальной плоскости. На определение данных уходит несколько минут, но вычисление позиции и высоты занимает больше времени. Чаще всего, плотность осадочных пород возрастает с глубиной, потому что давление повышается и теряется пористость. Когда подъемники переносят скалы ближе к поверхности, то формируют аномальные тяжести. Отрицательные аномалии вызывают и полезные ископаемые, поэтому понимание гравитации может указать на источник нефти, а также на расположение пещер и прочих подземных полостей.

Методы сейсмической рефракции

Научный метод исследования Земли основывается на вычислении временного интервала между началом волны и ее прибытием. Волна может создаться взрывом, упавшим весом, воздушным пузырьком и т.д. Для ее поиска используют геофон (суша) и гидрофон (вода).

Сейсмическая энергия прибывает к детектору различными путями. Сначала, пока волна близка к источнику, она выбирает самые короткие дорожки, но с увеличением дистанции начинает вилять. Сквозь тело могут проходить две разновидности волн: Р (первичные) и S (вторичные). Первые выступают волнами сжатия и перемещаются на максимальном ускорении. Вторые – сдвиговые, движущиеся с небольшой скоростью и не способны пройти сквозь жидкости.

Вершины колумбийского массива Санта-Марта. Наивысший (5700 м) именуется в честь Христофора Колумба. Он настолько высокий, что удерживает небольшую, но стабильную ледяную шапку (сверху слева). Расположен на 10 градусов севернее экваториальной линии. Массивы обладают настолько большими высотами, что там не могут расти деревья и пейзаж кажется серым. Лишь трава и кустарники выдерживают низкие температуры.

Главная разновидность поверхностного типа – волны Рэлея, где частичка перемещается по эллиптическому пути в вертикальной плоскости от источника. Горизонтальная часть выступает главной причиной землетрясений.

Большая часть информации о земной структуре основывается на анализе землетрясений, так как они генерируют сразу несколько волновых режимов. Все они отличаются по компонентам движения и направлению. В инженерных исследованиях задействуют мелкую сейсмическую рефракцию. Иногда достаточно простого удара кувалдой. Также их применяют для обнаружения неисправностей.

Электрические и ЭМ-методы

При поиске полезных ископаемых методы зависят от электрохимической активности, изменения удельного сопротивления и эффектов диэлектрической проницаемости. Сам потенциал основывается на окислении верхней поверхности металлических сульфидных минералов.

Великолепная дельта и зеленые болота реки Параны (слева), расположенной на атлантическом побережье Аргентины. Стоит на втором месте по величине среди южноамериканских рек, уступая первенство Амазонке. В широкое устье, именуемое Речной плитой (в центре справа), поступает коричневая мутная вода. Серая масса в Буэнос-Айресе не так сильно заметна на такой высоте (вверху слева), но астронавты учатся более точно отображать подобные городские особенности.

Резистивность использует передачу тока от генератора к другому источнику и определяет разность потенциалов. Удельное сопротивление породы зависит от пористости, солености и прочих факторов. Скалы с глиной наделены низким удельным сопротивлением. Этим методом можно изучать подводные воды.

Зондирование точно вычисляет, как удельное сопротивление меняется с глубиной. Токи с диапазоном в 500-5000 Гц проникают глубоко. Частота помогает определить уровень глубины. Естественные токи индуцируются из-за возмущений в атмосфере или атаке верхнего слоя солнечным ветром. Они охватывают широкий диапазон, поэтому позволяют исследовать различные глубины эффективнее.

Но электрические методы не способны проникнуть слишком глубоко, поэтому не дают полноценных сведений о нижних слоях. Но с их помощью можно изучить металлические руды.

Радиоактивные методы

Территория Гималаев возле границы с Китаем и Индией. Пики отбрасывают длинные вечерние тени на снегу. Миллионы лет вода уничтожала горную скалу и оставляла осадок. Снежный покров отображает удивительную поверхностную гладкость, а сеть оврагов прорезает местность извилистыми тенями. Крупнейшая река делит каньон с глубиной в 500 м (справа).

Этим способом можно выявить руды или горные породы. Наиболее естественная радиоактивность поступает от урана, тория и радиоизотопа калия. Сцинтиллометр помогает обнаружить гамма-лучи. Главный эмиттер – калий-40. Иногда скалу специально облучают, чтобы измерить воздействие и ответную реакцию.

Геотермические методы

Вычисление температурного градиента приводит к определению аномалии теплового потока. Земля наполнена различными жидкостями, химический состав и перемещение которых определяются чувствительными детекторами. Элементы трассировки иногда связаны с углеводородами. Геохимические карты помогают отыскать промышленные отходы и загрязненные участки.

Раскопки и выборка

Боливийские Анды выделяются уникальным и ярким явлением – Лагуна-Колорадо. При отсутствии атмосферной дымки удалось зафиксировать озеро, расположенное на высоте 4300 м над уровнем моря, что повышает уровень яркости. Отчетливый красно-коричневый окрас 10-километрового озера создается водорослями, живущими в соленых водах. Но иногда есть и зеленые участки, потому что водоросли отличаются по цвету и могут располагаться по уровню солености и температурному показателю.

Чтобы идентифицировать различные виды топлива, нужно добыть образец. Многие скважины создаются вращательным способ, где жидкость циркулирует через долото для смазки и охлаждение. Иногда используют перкуссию, где тяжелое сверло опускают и поднимают, чтобы срезать куски скал.

Выводы о земных глубинах

О форме узнали в 1742-1743 гг., а среднюю плотность и массу вычислил Генри Кавендиш в 1797 году. Позже выяснили, что плотность горных пород на поверхности ниже показателя средней плотности, а значит данные внутри планеты должны быть выше.

В конце 1500-х гг. Уильям Гилберт изучил магнитное поле. С того момента узнали о дипольном характере и перемене геомагнитного поля. Волны землетрясений наблюдали в 1900-х гг. Черта между корой и мантией характеризуется крупным ростом скорости на разрыве Мохоровича с глубиной в 24-40 км. Граница мантии и ядра – разрыв Гутенберга (глубина – 2800 км). Внешнее ядро жидкое, потому что не пропускает поперечные волны.

Небольшой островок с огромной концентрацией зон вокруг. Это темный центральный участок, представленный серией пляжных хребтов, созданных песками, которые вынесло с берега штормами. Наивысшая точка поднимается на 12 футов над уровнем моря. Маяк с солнечной батареей кажется крошечной белой точкой (стрелка). Здесь размножаются различные редкие птицы, среди которых фрегаты.

В 1950-х гг. случилась революция в понимании нашей планеты. Теории континентального дрейфа перешли в тектонику плит, то есть литосфера плавает на астеносфере. Пластины смещаются и формируется новая океаническая кора. Также литосферы могут сближаться, удаляться и врезаться. Многие землетрясения возникают на местах субдукции.

Об океанической коре узнали благодаря серии буровых скважин. В рифтовых участках материал из мантийных колодцев охлаждается и затвердевает. Постепенно осадки накапливаются и создается базальтовый фундамент. Кора тонкая (5-8 км в толщину) и практически вся молодая (меньше 200 000 000 лет). Но реликты достигают возраста в 3.8 млрд. лет.

Для побережья Индийского океана прибережные лагуны с округленными островами – типичное явление. Подобные формы выделяются на фоне белых угловых прудов соледобывающей промышленности. Бурые воды (справа и внизу слева) постоянно пополняются дождями, но дамбы не дают темной воде смешаться с более прозрачной.

Континентальная кора намного старше и формировалась сложнее, поэтому ее тяжелее изучать. В 1975 году команда ученых использовала сейсмические методы, чтобы найти залежи нефти. В итоге им удалось обнаружить несколько низкоугловых тяговых листов под горами Аппалачи. Это сильно отразилось на теории формирования континентов.

После Второй мировой войны энтузиасты со всего мира пытались найти места ядерных взрывов. Это помогло провести огромное количество измерений землетрясений и стало главным источником для определения земной структуры.

Современные исследования планетарных глубин строятся на вычислении поперечных волн. Сейсмический томографический анализ фиксирует отличия в скорости земной поверхности и помогает найти мантийные струи. Ниже представлены знаменательные даты изучения планеты Земля и космические аппараты, которые использовали для этих целей.

Читайте также: