Павел Астапенко - Вопросы о погоде
Оборудование метеорологических спутников позволяет вести работу в режимах как непосредственной передачи информации, так и запоминания ее, с последующим считыванием по команде с Земли.
10.7. Как используются в спутниковой метеорологии микрорадиоволны?
Применение микроволновой радиометрической аппаратуры на ИСЗ расширяет возможности спутниковой метеорологии, позволяя изучать состояние земной поверхности сквозь облачность, так как для распространения радиоволн сантиметрового диапазона она не является препятствием. Кроме того, такая аппаратура дает возможность более детально исследовать процессы, протекающие в самих облаках.
В основе микроволнового метода исследования атмосферы с помощью ИСЗ лежит способность всех тел в природе излучать энергию. С изменением температуры земной поверхности, ее влагосодержания, наличия на ней воды, снега, осадков, количества растворенной в воде соли и других показателей ее состояния изменяются тепловые потоки, исходящие от земной поверхности. Измеряя тепловые потоки высокочувствительной аппаратурой, работающей в диапазоне микроволн, можно судить о многих процессах, происходящих на поверхности океана, суши, в облаках и в атмосфере.
Измерения теплового радиоизлучения над океаном позволяют определить наличие и мощность (толщину) облачного покрова, обнаружить зоны выпадения осадков и оценить их интенсивность. Это связано со способностью капельножидкой воды, содержащейся в облаках и осадках, активно поглощать радиоизлучение с длиной волны меньше 1 см (в так называемом диапазоне 0,8 см).
Таким образом, по интенсивности фиксируемого спутником излучения можно судить о состоянии погоды над поверхностью океана, лишенной других средств метеорологических наблюдений или освещенной данными недостаточно полно.
Такие исследования были осуществлены в 1976 году совместно советскими и американскими учеными в Тихом океане в эксперименте САМЭКС, в котором была использована микроволновая радиометрическая аппаратура на борту научно-исследовательского судна «Академик Королев» и на ИСЗ советской системы «Метеор» и американской системы «Нимбус». Получены интересные результаты, на основе которых были разработаны новые методы спутникового зондирования атмосферы и Мирового океана, облегчающие решение ряда важных задач современной гидрометеорологической науки.
10.8. На каких орбитах летают метеорологические спутники?
Обычная высота орбит современных метеорологических спутников около 900 км, форма орбит – почти круговая, орбиты близки по направлению к полярным. Ширина полосы обзора свыше 2000 км (2400 км для телевизионной и 2600 км для инфракрасной аппаратуры). При одновременном полете двух спутников наблюдения за погодой над каждым районом земного шара производятся через 6 ч. Кроме того, метеорологические спутники могут запускаться на геостационарные экваториальные орбиты, на высоте около 36 000 км.
10.9. Для чего предназначены геостационарные спутники?
Геостационарные спутники предназначены для менее детального, но постоянного обзора земной поверхности. Вращаясь вместе с Землей с одной и той же угловой скоростью, они способны обеспечить наблюдение одного и того же очень большого участка земной поверхности, равного для каждого такого спутника площади поверхности целых континентов или океанов.
Это очень удобно для непрерывного слежения за эволюцией тропических циклонов и облачных систем в низких широтах в районах возможного зарождения тропических штормов; это также позволяет прослеживать линии шквалов над океанами и обнаруживать торнадо. С помощью геостационарных спутников можно следить за перемещением облаков и определять скорость и направление ветра на высоте облачности. При наличии спектральной аппаратуры на борту геостационарных спутников можно производить дистанционное зондирование атмосферы в слое между поверхностями 1-30 гПа, то есть на высотах 25-50 км, в стратосфере. Кроме того, на эти спутники предполагается возложить сбор данных с наземных автоматических станций и морских буев, количество которых, по проекту ВСП, достигнет со временем нескольких тысяч.
10.10. Какой скоростью передачи информации обладает блок радиоаппаратуры спутника?
Максимальная скорость передачи информации с борта ИСЗ составляет 125 кбит/с (тысяч единиц в секунду). Такая скорость передачи диктуется колоссальным объемом информации, собираемой спутниками. За сутки спутниковая система в состоянии выдать около 1011 бит информации. Колоссальная скорость передачи этой информации требует и соответствующей скорости ее обработки, достижимой только при полной ее автоматизации и использовании самых современных быстродействующих счетных машин.
10.11. Какую дополнительную метеорологическую информацию могут дать искусственные спутники Земли?
С помощью искусственных спутников Земли можно получить много дополнительной информации, как над малонаселенными участками суши, так и над густонаселенными. В частности, ИСЗ весьма оперативно обеспечивают получение данных о границе снежного покрова и всех ее изменениях, об облачности атмосферных фронтов и циклонов, дополняя и уточняя данные сети метеорологических станций там, где густота ее недостаточна. Очень существенна получаемая с ИСЗ информация о дымовых облаках над промышленными районами и над лесными массивами, возникающих в результате индустриальных загрязнений воздуха и лесных пожаров. В ряде случаев облака загрязнений над промышленными центрами не фиксируются обычными наземными метеорологическими наблюдениями, проводимыми в приземном слое атмосферы, а на снимках со спутников они отчетливо видны, как видны и их перемещение, особенности структуры и другие характеристики, позволяющие судить о концентрации загрязнений и высоте их распространения.
10.12. Каким образом с помощью спутников можно наблюдать за очагами загрязнения земной атмосферы?
Некоторые виды атмосферных загрязнений можно наблюдать непосредственно с борта ИСЗ, но более эффективным является фотографирование земной поверхности в сочетании с анализом телевизионных изображений местности. Съемка в различных спектральных интервалах (0,4-0,5, 0,6-0,7 и 10,5 – 12 мкм) и в особенности цветное фотографирование обеспечивают получение максимума информации не только о самих загрязнениях, но и об их влиянии на растительный покров. При анализе таких изображений удается различать дымовые облака и обычные, загрязнения индустриальные и связанные с лесными пожарами, а также вызванные извержениями вулканов.
10.13. Что представляют собой очаги лесных пожаров на снимках с ИСЗ?
Лесные пожары фиксируются спутниками как шлейфы дымовых облаков в форме конусов. В августе 1972 года на снимках можно было видеть шлейфы длиной от 75 до 400 км – это горели леса в Восточной Европе. В отдельные дни одновременно фиксировалось до 40 очагов.
10.14. Как выглядят из космоса промышленные загрязнения атмосферы?
Дымовые шлейфы от заводов, морских судов и пятна дымки промышленных загрязнений могут отчетливо видеть космонавты, но систематическое их изучение возможно только по космическим снимкам, на которых четко фиксируются все очаги загрязнений вплоть до конденсационных следов, возникающих за пролетающими самолетами. Для изучения антропогенных загрязнений воздуха требуется специальная съемочная аппаратура, обладающая высокой разрешающей способностью, то есть фиксирующая все детали размером 100 м и более. Так, по изображениям, полученным с борта орбитальной станции «Салют-4» в июне 1975 года, прослеживались дымовые полосы от ГРЭС г. Ермак Павлодарской области, имевшие длину от 30 до 50 км; со спутника «Лэндсат-1» над оз. Онтарио путем многоспектральной съемки были обнаружены дымовые шлейфы промышленного центра г. Сэдбери, протянувшиеся на 70 км. Над крупными городами снимки с ИСЗ фиксируют облака загрязнений, смещенные относительно городской территории в направлении воздушных потоков в нижней тропосфере в момент фотографирования. На рис. 56 показана карта-схема загрязнения над Москвой и вертикальный профиль температуры днем 23 февраля 1976 года по данным 18-го ИСЗ «Метеор», а на рис. 57 – дымовое загрязнение атмосферы и выпадение городских загрязнений в районе Ленинграда 26 марта 1973 года. Промышленные загрязнения в районе Ленинграда, как видно на рисунке, распространились двумя полосами к югу и к юго-западу от города; ширина одной полосы 50-60 км, а другой – 15-20 км, длина каждой из них превышает 60 км. (Так бывает при неодинаковом направлении ветра на разных высотах.)
