«СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОЕСКАНИРОВАНИЕ АТМОСФЕРЫ И ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ»
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1.Принципиальная схема дистанционного зондирования
2. Аппаратурадля аэрокосмических исследований
Литература
ВВЕДЕНИЕ
Материалыдистанционного зондирования (ДЗ) являются частью большой системы сбора,переработки, регистрации и использования данных. Правильно организованнаясистема дистанционных исследований должна быть ориентирована на решениеконкретных геологических задач, обусловливающих выбор орбит космическихносителей, набор датчиков, характер сбора, переработки и передачи на наземныекомплексы первичных данных и тип представляемых пользователю материалов.
1. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМАДИСТАНЦИОННОГО ЗОНИРОВАНИЯ
На рис. 1изображена упрощенная структурная схема системы ДЗ. Система состоит изнескольких взаимосвязанных элементов, или блоков.
/>
Рис. 1. Структурная схемасистемы дистанционного зондирования
Сцена — это то, что находится переддатчиком; построение геологической модели сцены является в самом общем виде тойцелью, ради которой создается система. Изучение сцены на расстоянии возможноблагодаря тому, что она обнаруживает себя в физических полях, которые могутбыть измерены. Наиболее часто используются излученные или отраженные электромагнитныеволны, в последнем случае необходим источник освещения, пассивный(например. Солнце) или активный (лазеры, радиолокаторы и др.). Физические поляизмеряются датчиками, входящими в состав высотного комплекса,который кроме измерений служит для первичной обработки и передачи данных наЗемлю. Данные, закодированные в электромагнитном сигнале или записанные на твердотельныеносители (фотопленки, магнитные ленты и пр.), доставляются в наземныйкомплекс, в котором происходит их прием, обработка, регистрация и хранение.После обработки данные обычно переписываются в кадровую форму и выдаются вкачестве материалов дистанционного зондирования, которые по традицииназываются космическими снимками. Пользователь, опираясь на внешнюю базузнаний, а также собственный опыт, интуицию, проводит анализ и интерпретациюматериалов ДЗ и создает геологическую модель сцены, которая и являетсяформой регистрации решения поставленной проблемы. Достоверность моделипроверяется сопоставлением, или идентификацией модели и сцены;идентификация замыкает систему и делает ее пригодной для прикладногопользования.
Системы ДЗразрабатываются в двух вариантах — ориентированныe на изображение иориентированные на число. Первый вариант рассчитан на визуальное дешифрированиематериалов ДЗ, которые в свзи с этим предоставляются пользователю в виде КС.Второй учитывает возможность автоматического (компьютерного) распознаваниягеологических и других образов. Образные и числовые варианты дистанционногозондирования дополняют друг друга. Несмотря на то, что технологияавтоматического распознавания образов появилась позже и связана с прогрессивными дорогим техническим обеспечением, визуальный анализ и геологическая(экологическая) интерпретация КС сохраняют свое лидирующее положение. Чтобыпонять причины этой ситуации, необходимо рассмотреть основные способы полученияматериалов дистанционного зондирования и сопоставить принципы, лежащие в основеавтоматического и визуального дешифрирования МДЗ. Техника получения материалов дистанционного зондированияПри съемке земной поверхности существенную роль играетвыбор орбиты полета ИСЗ. Для фотографирования Земли предпочтительными являютсякруговые орбиты, благодаря чему достигается одинаковыми масштаб снимков по всейтрассе полета ИСЗ. Большое значение имеет наклонение орбиты — величина угла,образованного плоскостью экватора и плоскостью орбиты. В зависимости от наклоненияорбиты бывают экваториальными (наклонение 0°), полярными (наклонение 90°) инаклонными. При запуске ИСЗ на полярные (или квазиполярные) орбиты бортоваяаппаратура используется для исследования всей земной поверхности. При углахнаклона орбит до 50-60° приполярные области не попадают в поле зрения бортовойаппаратуры.Типыорбит датчиков дистанционного зондирования/>Рис. 2. Зависимость зоны обзора дистанционного датчика оттипа орбиты
Наклонениеорбиты ИСЗ является важным параметром, так как определяет широтный поясповерхности Земли, который подлежит фотографированию. Трасса полета ИСЗ неможет выйти за пределы этого широтного пояса, поэтому от наклонения ивысотыорбиты зависит ширина фотографической полосы. Здесь устанавливаетсяпрямая зависимость: чем больше угол наклона орбиты и чем больше ее высота, темшире снимаемая полоса земной поверхности (рис.2). Помимо круговых орбит, покоторым обычно летают метеорологические спутники, ПКК и орбитальные станции,для постоянного наблюдения за глобальными процессами на Земле используютсяэллиптические орбиты с большой разницей высот в апогее и перигее. По отношениюк Солнцу или Земле выделяют два вида орбит — геосинхронную и гелиосинхронную.
Геосинхронные(геостационарные) орбиты предназначены для движения спутника вокруг Земли сугловой скоростью, равной скорости вращения Земли, что обусловливает зависаниеспутника над определенным участком земной поверхности и постоянное наблюдениеза ним.
Гелиосинхронныеорбиты предназначены для повторных съемок одних и тех же участков земнойповерхности при одинаковых условиях освещения через равные промежутки времени.Примером может служить американский спутник «Лэндсат», летающий погелиосинхронной орбите и возвращающийся в исходную точку съемки через 18 суток.Съемка с гелиосинхронных орбит может широко использоваться для изучениядинамики современных геологических процессов. Фотосъемки
Фотографическуюсъемку поверхности Земли с высот более 150 — 200км принято называтькосмической. Отличительной чертой КС является высокая степень обзорности, охватодним снимком больших площадей поверхности. В зависимости от типа применяемойаппаратуры и фотопленок, фотографирование может производиться во всем видимомдиапазоне электромагнитного спектра, в отдельных его зонах, а также в ближнемИК (инфракрасном) диапазоне. Масштабы съемки зависят от двух важнейшихпараметров: высоты съемки и фокусного расстояния объектива. Космические фотоаппаратыв зависимости от наклона оптической оси позволяют получать плановые и перспективныеснимки земной поверхности.
В настоящеевремя используется фотоаппаратура с высоким разрешением, позволяющая получатьКС с перекрытием 60% и более. Спектральный диапазон фотографирования охватываетвидимую часть ближней инфракрасной зоны (до 0,86 мкм). Для съемки земнойповерхности с ПКК используются фотографирующие системы следующих марок:КАТЭ-140, МКФ-6, ФМС и ДР. Фотографическая камера МКФ-6М имеет шестьспектральных каналов, работающих в следующих зонах спектра (мкм): 0,45- 0,50;0,52-0,56; 0,58-0,62; 0,64-0,68; 0,70-0,74; 0,78-0,86. Изображение отличаетсявысоким разрешением и может быть увеличено в несколько раз без потериинформативности. Масштаб снимков, снятых с высоты 265 км, немногим мельче 1:2 000 000. Зональные снимки 1-4 каналов выдерживают увеличение до 60 раз ив таком увеличенном виде вполне пригодны для целей геологического дешифрирования.Снимки, полученные по пятому и шестому каналам, выдерживают увеличение только10Х. Отметим, что фотографическая съемка — в настоящее время самыйинформативный вид съемки из космического пространства. Оптимальный размеротпечатка 18Х18 см, который, как показывает опыт, согласуется с физиологиейчеловеческого зрения, позволяя видеть все изображение одновременно. Дляудобства пользования из отдельных КС, имеющих перекрытия, монтируются фотосхемы(фотомозаики) или фотокарты с топографической привязкой опорных точек сточностью 0,1 мм и точнее. Для монтажа фотосхем используются только плановыеКС. Для приведения разномасштабного, обычно перспективного КС к плановомуиспользуется специальный процесс, называемый трансформированием. ТрансформированныеКС с успехом используются для составления космофотосхем и космофотокарт иобычно легко привязываются к географической сетке координат.
Сканерныесъемки
В настоящеевремя для съемок из космоса наиболее часто используются многоспектральныеоптико-механические системы — сканеры, установленные на ИСЗ различного,назначения. При помощи сканеров формируются изображения, состоящие из множестваотдельных, последовательно получаемых элементов. Термин«сканирование» обозначает развертку изображения при помощисканирующего элемента (качающегося или вращающегося зеркала), поэлементнопросматривающего местность поперек движения носителя и посылающего лучистыйпоток в объектив и далее на точечный датчик, преобразующий световой сигнал вэлектрический. Этот электрический сигнал поступает на приемные станции поканалам связи (рис.). Изображение местности получают непрерывно на ленте,составленной из полос — сканов, сложенных отдельными элементами — пикселами.Сканерные изображения можно получить во всех спектральных диапазонах, ноособенно эффективным является видимый и ИК-диапазоны. При съемке земнойповерхности с помощью сканирующих систем формируется изображение, каждому элементукоторого соответствует яркость излучения участка, находящегося в пределахмгновенного поля зрения. Сканерное изображение — упорядоченный пакет яркостныхданных, переданных по радиоканалам на Землю, которые фиксируются на магнитнуюленту (в цифровом виде) и затем могут быть преобразованы в кадровую форму. Вгеологии используются материалы сканерных съемок с ИСЗ серии«Метеор». На этих спутниках установлены сканирующие устройстваразличной конструкции: с малым разрешением — МСУ-М, со средним разрешением — МСУ-С, с конической разверткой — МСУ-СК, с электронной разверткой — МСУ-Э(табл. 3).
Таблица : Технические характеристики сканирующих устройств Параметры МСУ-М МСУ-С МСУ-СК МСУ-Э Полоса обзора, км 1930 1380 600 28 Угол сканирования, град 106 90 66,5 2,5 Число элементов в активной части строки 1880 5700 3614 1000 Число спектральных каналов 4 2 4 3 Разрешение на местности по строке, км 1 0,24 0,175 0,028 Масса, кг 4,5 5,5 47 17
Важнейшейхарактеристикой сканера являются угол сканирования (обзора) и мгновенный уголзрения, от величины которого зависят ширина снимаемой полосы и разрешение. Взависимости от величины этих углов сканеры делят на точные и обзорные. У точныхсканеров угол сканирования уменьшают до ±5°, а у обзорных увеличивают до ±50°.Величина разрешения при этом обратно пропорциональна ширине снимаемой полосы.
Хорошозарекомендовал себя сканер нового поколения, названный «тематическимкартографом», которым были оснащены американские ИСЗ «Лэндсат-4 и-5». Сканер типа «тематический картограф» работает в семидиапазонах с разрешением 30 м в видимом диапазоне спектра и 120 м в ИК-диапазрне. Этот сканер дает большой поток информации, обработка которой требует большеговремени; в связи с чем замедляется скорость передачи изображения. число пикселовна снимках достигает более 36 млн. на каждом из каналов. Сканирующие устройствамогут быть использованы не только для получения изображений Земли, но и дляизмерения радиации — сканирующие радиометры — и излучения — сканирующиеспектрометры. Радарныесъемки
Радиолокационная(РЛ) или радарная съемка — важнейший вид дистанционных исследований.Используется в условиях, когда непосредственное наблюдение поверхности планетзатруднено различными природными условиями: плотной облачностью, туманом и т.п. Она может проводиться в темное время суток, поскольку является активной. Длярадарной съемки обычно используются радиолокаторы бокового обзора (ЛБО),установленные на самолетах и ИСЗ.
С помощью ЛБОрадиолокационная съемка осуществляется в радиодиапазоне электромагнитногоспектра. Сущность съемки заключается в посылке радиосигнала, отражающегося понормали от изучаемого объекта и фиксируемого на приемнике, установленном наборту носителя. Радиосигнал вырабатывается специальным генератором. Времявозвращения его в приемник зависит от расстояния до изучаемого объекта. Этотпринцип работы радиолокатора, фиксирующего различное время прохождениязондирующего импульса до объекта и обратно, используется для полученияРЛ-снимков. Изображение формируется бегущим по строке световым пятном. Чемдальше объект, тем больше времени надо на прохождение отражаемого сигнала доего фиксации электронно-лучевой трубкой, совмещенной со специальной кинокамерой.
Придешифрировании радарных снимков следует учитывать тон изображения и еготекстуру. Тоновые неоднородности РЛ-снимка зависят от литологическихособенностей пород, размера их зернистости, устойчивости процессамвыветривания. Тоновые неоднородности: могут варьировать от черного до светлогоцвета. Опыт работы с РЛ-снимками показал, что черный тон соответствует гладкимповерхностям, где, как правило, происходит почти полное отражение посланногорадиосигнала. Крупные реки всегда имеют черный тон. Текстурные неоднородностиРЛ-изображения зависят от степени расчлененности рельефа и могут бытьтонкосетчатыми, полосчатыми, массивными и др. Полосчатая текстураРЛ-изображения, например, характерна для горных районов, сложенных часточередующимися слоями осадочных или метаморфических пород, массивная — длярайонов развития интрузивных образований. Особенно хорошо получается наРЛ-снимках гидросеть. Она дешифрируется лучше, чем на фотоснимках. Высокоеразрешение РЛ-съемки в районах, покрытых густой растительностью, открываетширокие перспективы ее использования. Во многих частях Земли, в частности взатаеженных районах Сибири, Я долине Амазонки и т. п.
Радарныесистемы бокового обзора с конца 70-х годов стали устанавливать на ИСЗ. Так,например, первый радиолокатор был установлен на американском спутнике«Сисат», предназначенном для изучения динамики океаническихпроцессов. Позднее был сконструирован радар, испытанный во время полетовкосмического корабля «Шатл». Информация, полученная с помощью этогорадара, представляется в виде черно-белых и ложноцветных синтезированных фото-,телеизображений или записей на магнитную ленту. Разрешающая способность 40 м. Информация поддается числовой и аналоговой обработке, такой же, что и сканерные снимки системы«Лэндсат». Это в значительной мере способствует получению высокихрезультатов дешифрирования. Во многих случаях РЛ-снимки оказываютсягеологически более информативными, чем снимки «Лэндсат». Наилучшийрезультат достигается и при комплексном дешифрировании материалов того идругого видов. РЛ-снимки успешно используются для изучения трудно- илинедоступных территорий Земли — пустынь и областей, расположенных в высокихширотах, а также поверхность других планет.
Классичесимиуже стали результаты картирования поверхности Венеры — планеты, покрытой мощнымоблачным слоем. Совершенствование РЛ-аппаратуры должно повлечь за собойдальнейшее повышение роли радиолокации в дистанционных исследованиях Земли,особенно при изучении ее геологического строения. Тепловыесъемки
Инфракрасная(ИК), или тепловая, съемка основана на выявлении тепловых аномалий путемфиксации теплового излучения объектов Земли, обусловленного эндогенным тепломили солнечным излучением. 0на. широко применяется в геологии. Температурныенеоднородности поверхности Земли возникают в результате неодинакового нагреваразличных ее участков. Инфракрасный диапазон спектра электромагнитных колебанийусловно делится на три части (в мкм):
· ближний(0,74-1,35),
· средний(1,35-3,50)
· дальний(3,50-1000).
Солнечное(внешнее) и эндогенное (внутреннее) тепло нагревает геологические объектыпо-разному в зависимости от литологических свойств пород, тепловой инерции,влажности, альбедо и многих других причин. ИК-излучение, проходя черезатмосферу, избирательно поглощается, в связи с чем тепловую съемку можно веститолько в зоне расположения так называемых «окон прозрачности» — местах пропускания ИК-лучей. Опытным путем выделено четыре основных окнапрозрачности (в мкм): 0,74-2,40; 3,40-4,20; 8,0-13,0; 30,0-80,0. Некоторыеисследователи выделяют большее число окон прозрачности. в первом окне (до 0,84мкм) используется отраженное солнечное излучение. Здесь можно применятьспециальные фотопленки и работать с красным фильтром. Съемка в этом диапазоненазывается ИК-фотосъемкой.
В другихокнах прозрачности работают измерительные приборы — тепловизоры, преобразующиеневидимое ИК-излучение в видимое с помощью электроннолучевых трубок, фиксируятепловые аномалии. На ИК-изображениях светлыми тонами фиксируются участки снизкими температурами, темными — с относительно более высокими. Яркость тонапрямо пропорциональна интенсивности тепловой аномалии. ИК-съемку можнопроводить в ночное время. На ИК-снимках, полученных с ИСЗ, четко вырисовываетсябереговая линия, гидрографическая сеть, ледовая обстановка, тепловыенеоднородности водной среды, вулканическая деятельность и т. п. ИК-снимкииспользуются для составления тепловых карт Земли. Линейно-полосовые тепловыеаномалии, выявляемые при ИК-съемке, интерпретируются как зоны разломов, аплощадные и концентрические — как тектонические или орографические структуры.Например, наложенные впадины Средней Азии, выполненные рыхлыми кайнозойскимиотложениями, на ИК-снимках дешифрируются как площадные аномалии повышеннойинтенсивности. Особенно ценна информация, полученная в районах активнойвулканической деятельности. В настоящее время накоплен опыт использованияИК-съемки для изучения дна шельфа. Этим методом по разнице температурныханомалий поверхности воды получены данные о строении рельефа дна. При этомиспользован принцип, согласно которому при одинаковом облучении поверхностиводы на более глубоких участках водных масс энергии на нагревание расходуетсябольше, чем на более мелких. В результате температура поверхности воды надболее глубокими участками будет ниже, чем над мелкими. Этот принцип позволяетна ИК-изображениях выделять положительные и отрицательные формы рельефа,подводные долины, банки, гряды и т. п. ИК-съемка в настоящее время применяетсядля решения специальных задач, особенно при экологических исследованиях,поисках подземных вод и в инженерной геологии.Спектрометрическаясъемка
Спектрометрическая(СМ) съемка проводится с целью измерения отражательной способности горныхпород. Знание значений коэффициента спектральной яркости горных пород расширяетвозможности реологического дешифрирования, придает ему большую достоверность.Горные породы имеют различную отражательную способность, поэтому отличаютсявеличиной коэффициента спектральной яркости. СМ-съемка делится на три вида:
1. микроволновая(0,3 см-1,0 м), являющаяся универсальной, Лак. как исключает влияние атмосферы;
2. ИК или тепловая(0,30-1000 мкм), выявляющая температур-иые неоднородности по энергетическойяркости изучаемых объектов;
3. спектрометриявидимого и близкого ИК-спектра излучения ;(0,30-1,40 мкм), фиксирующаяспектральное распределение отражательного радиационного излучения.
Геологическиеобъекты отражаются на КС с разной степенью контраста, зависящего от ихспектральных особенностей. Работа по составлению банка данных о спектральныххарактеристиках горных пород чрезвычайно трудоемка. Для того чтобы еевыполнить, необходимо произвести спектрометрические измерения горных пород, атакже иных ландшафтных объектов, на разных расстояниях, в различные временагода, на участках с различной степенью обнаженности. Эти данные, однако,являются совершенно необходимыми для систем автоматического поиска ираспознавания объектов, в том числе и экологического содержания. В настоящеевремя увеличение пограничных контрастов достигается использованием многозональныхснимков, полученных в относительно узких зонах спектра. Лидарныесъемки
Лидарнаясъемка является активной и основана на непрерывном получении отклика ототражающей поверхности, подсвечиваемой лазерным монохроматическим излучением сфиксированной длиной волны. Частота излучателя настраивается на резонансныечастоты поглощения сканируемого компонента (например приповерхностного метана),так что в случае его заметных концентраций соотношение откликов в точкахконцентрирования и в вне их будут резко повышенными. Фактически — лидарнаяспектрометрия это геохимическая съемка приповерхностных слоев атмосферы,ориентированная на обнаружение микроэлементов или их соединений,концентрирующихся над современно активными геоэкологическими объектами.Устройства лидарной съемки оборудуются на низковысотных носителях. [1-9]
Газовый составатмосферы
Предпринятые ранееизмерения общего содержания водяного пара в марсианской атмосфере обнаружили,что водяной пар появляется в середине лета соответствующего полушария и егосодержание становится максимальным примерно через два месяца, достигая 50 мкмпри характерных горизонтальных масштабах порядка 103 км (наибольшее влагосодержание атмосферы наблюдается в умеренных широтах).Рассматриваемые наблюдения охватывают южное (сухое) полушарие и северные широтыдо 20° при наличии нескольких изолированных серий измерений в полосе 40—50° с.ш. Прибор, предназначенный для определения общего влагосодержания (датчик водяногопара на Марсе — ДВПМ), представляет собой спектрометр с дифракционной решеткой,функционирующей в 7200 см-1 (1,4 мкм) полосе поглощения водяногопара при спектральном разрешении 1,2 см-1, что позволяет обеспечитьизмерения влагосодержаний меньше 1 мкм атм. ДВПМ обычно работает какпятиканальный радиометр, три канала которого расположены вблизи центра полосы(7223, 13; 7232, 20; 7242,74 см-1), а два — в окнах прозрачности.Приемниками излучения для всех каналов служат радиационно охлаждаемыесернисто-свинцовые фотосопротивления. Иногда осуществлялось сканирование почастоте с целью измерений спектрального распределения излучения в диапазоне7215—7251 см-1. Поле зрения ДВПМ составляет 2x16 мрад, чтосоответствует «пятну» на местности 3X24 км при высоте периапсиса 1500 км. За счет ступенчатого сканирования на 15 шагов вдоль короткой стороны поля зрения достигаетсяохват площади около 20X45 км (в периапсисе) за период сканирования 4,48 с.
Наличие данных пятиканальныхизмерений позволяет определить не только общее влагосодержание, но такжетемпературу и атмосферное давление вблизи уровня «центра тяжести» слоя водяногопара. Данные наблюдений свидетельствуют об очень малом влагосодержаний (0—30мкм) марсианской атмосферы в южном полушарии и постепенном увеличении влагосодержанияпри перемещении в северное полушарие. Максимальные значения достигали 20—30мкм, причем наибольшее значение (30 мкм) зарегистрировано в районе ElysiumAmazonis при измерениях перед выводом АМС на орбиту вокруг Марса. Большойинтерес представляют наблюдения дневного хода влагосодержания, отражающиеособенности фазовых превращений воды в течение суточного цикла. Условиянаблюдений позволили осуществить слежение за вариациями влагосодержания срассвета до полудня в трех точках: 10,83° с. ш., 15,69° ю. ш. и 17,77° ю. ш.Для первой из этих точек обнаружена регулярная воспроизводимость дневного ходас максимумом влагосодержания в местный полдень. Наблюдаются различия в дневномходе для разных точек планеты. Водяной пар располагается близко к поверхностипланеты и, по-видимому, находится в насыщающем равновесии по отношению кприповерхностной дымке или туману в течение большей части дня. По меньшей мере80% водяного пара должно переходить в твердую фазу в период между полуднем ипоследующими утренними сумерками.
Общее содержание водяногопара оказалось максимальным в полосе 70—80° с. ш., а его абсолютные значениявыше когда-либо наблюдавшихся ранее. Широтный профиль общего содержанияводяного пара на 180° з. д. характеризуется возрастанием от нулевых значений вюжном полушарии до 70—80 мкм в полосе 70—80° с. ш. и несколько убывает (до 55мкм) вблизи Северного полюса (точность отдельных измерений составляет 10—15%, асредних значений ±4%). Аналогичные результаты дало построение меридиональныхпрофилей для других долгот.
Столь значительноевлагосодержание атмосферы предполагает наличие у поверхности планеты такихвысоких температур (>204 К), которые не допускают сохранение полярной шапкииз твердой углекислоты (в этом случае температура должна быть равна 150 К).Отсюда вытекает, что доминирующим компонентом летней остаточной севернойполярной шапки является лед. Грубая оценка толщины периферийной части ледовогопокрова полярной шапки приводит к значениям порядка 1—2 км. Толщина льда в центральной(сплошной) части полярной шапки должна быть такой же или большей.
Поскольку содержаниеводяного пара в атмосфере Марса очень мало, весьма вероятно, что мощнымрезервуаром водяного льда является планетарный реголит. Важной целью дальнейшихисследований должно стать выяснение вопроса о том, является ли этот полярныйрезервуар в настоящее время суммарным источником или стоком атмосферноговодяного пара на протяжении промежутков времени больше марсианского года.
В работе [86] рассмотренырезультаты измерений состава и структурных параметров марсианской атмосферы,осуществленных при входе СА «Викинг-1» в атмосферу планеты 20 июля 1976 г. Состав атмосферы на высотах более 100 км измерялся при помощи масс-спектрометра для нейтральныхгазовых компонентов в диапазоне масс 1—50. Для измерений параметров ионосферыслужил анализатор с замедляющим потенциалом (АЗП), позволяющий измерятьтемпературу, состав и концентрацию ионов, а также энергетический спектрэлектронов (главной целью было в данном случае изучение взаимодействиясолнечного ветра с верхней атмосферой). Датчики давления, температуры иускорения предназначались для измерений на высотах ниже 100 км. Эта аппаратура вместе с гироскопом и радарным альтиметром орбитального отсека далавозможность получить вертикальные профили плотности, давления, температуры иветра в широком диапазоне высот.
Анализ данныхмасс-спектрометра для высоты 135 км выявляет наличие отчетливых пиков примассах 40 и 20, свидетельствующих о наличии аргона. Оценка его отношения смеси(относительно СО2) дала значение около 0,015 по объему, котороесильно расходится с данными АМС «Марс-6», приведшими к отношению смеси0,35±0,10 [5, 12]. По-видимому, отношение смеси 40Ar в нижних слояхмарсианской атмосферы не может быть столь высоким и не превышает 0,01—0,02.
Хотя следует,естественно, отдать предпочтение данным прямых измерений, необходимо упомянуть,что, на основе анализа имеющихся данных спектроскопических и радиорефракционныхизмерений, результаты прямых измерений на СА «Марс-6» не противоречат этимданным. Если исходить из радиорефракционных данных, наличие 25% аргона вызываетвозрастание давления у поверхности на 0,5 мбар. Присутствие значительногоколичества аргона в марсианской атмосфере является одним из аргументов в пользугипотезы о возможности существенно иного климата в геологическом прошлом Марсапри атмосферном давлении 0,1 — 1 атм, более высокой температуре и наличииводных бассейнов.
Полученный по данным СА«Викинг-1» пик при массе 28 отображает вклад СО2+,образующегося в результате ионизации СО2 и СО, в дополнение к N2+который является продуктом ионизации N2. Отношение смеси молекулярногоазота (относительно СО2) составляет около 0,06. Предварительнаяэкстраполяция этих данных на более низкие высоты приводит к отношениям смесипорядка 0,02—0,03. На больших высотах отношение смеси молекулярного азотавозрастает, вследствие влияния диффузионного разделения.
Оценка отношения смеси О2по пику массы 32 дает значение около 0,003 на высоте 135 км. Пик при массе 16 указывает на присутствие измеримых количеств атомарного кислорода. Соотношенияконцентраций изотопов 18О/16О и 13С/12Сблизки к их земным значениям. Анализ вертикальных профилей концентрации СО2,Аr, N2 и О2 в слое 140—190 км приводит к оценке среднейтемпературы 180±20 К. Заметное проявление диффузионного разделения газов на высотахболее 140 км свидетельствует о том, что существенное влияние перемешивания ватмосфере ограничивается этим уровнем.
Данные АЗП для высоты 130 км указывают на то, что главным компонентом марсианской ионосферы является О2+(этот важный результат является новым), а концентрация СО2+оказывается примерно в 9 раз меньшей. Ионная температура составляет около 160К, что согласуется с результатами масс-спектрометрических измерений. Полученныеданные свидетельствуют о ведущем значении для ионосферы реакции: СО2++O→ + О2+.
Измерения в нижних слояхатмосферы привели к давлению у поверхности планеты в точке посадки СА, равному7,3 мбар (точка посадки на 2,9 км выше среднего уровня марсианской поверхности,которому соответствует давление 6,1 мбар) и температуре 241К при вертикальномградиенте температуры в приповерхностном слое, составляющем 3,7 К/км. Плотностьвоздуха, оцененная по скорости парашютирования, равна 0,0136 кг/м3на высоте 2,7 км, что указывает на преимущественно углекислотный составатмосферы. В слое 25—90 км температура варьирует в пределах 120—165К приналичии пиков на высотах 30 и 64 км, а выше 140 км плавно переходит в зону температур, полученную по данным масс-спектрометра.
Осуществленный в работахпредварительный анализ изотопного состава марсианской атмосферы по даннымизмерений при помощи масс-спектрометра для нейтральных частиц на высотах100—200 км во время спуска СА «Викинга-1» привел к выводу, что в атмосферепреобладает СО2 при наличии следов N2, Ar, О2,СО и О. Относительное содержание изотопов кислорода и углерода оказалосьпримерно таким же, как в земной атмосфере.
Рассматриваемый анализпривел к значениям 180/160 = 0,0020 + 0,0001 или 0,0021 +0,0002. Так как для земной атмосферы соответствующее среднее значениесоставляет 0,00204, то марсианская атмосфера не может быть в сколько-нибудьсущественной степени обогащена 18О по сравнению с земной атмосферой(вероятнее всего, что подобное обогащение не превосходит 3%). Аналогичнаяситуация имеет место в отношении 13С. Однако отношение концентраций 15N/14N= 0,0064 ± 0,001 тогда как в условиях земной атмосферы это отношение равно0,00368.
Отсюда вытекает, чтомарсианская атмосфера обогащена изотопом 15N по сравнению с земнойпримерно на 75%. По-видимому, это обогащение обусловлено повышенной диссипациейатомов 14N из верхней атмосферы Марса. Оценка коэффициента диффузиис учетом такого предположения дала значение 108 см2/с,согласующееся с полученными ранее результатами. Следует считать вероятным, чтосодержание молекулярного азота в марсианской атмосфере в геологическом прошломбыло значительно более высоким, обеспечивая парциальное давление не менее 2мбар.
Аналогичный анализ,относящийся к изотопам кислорода, привел к выводу о необходимости существованияочень мощного источника кислорода. Обогащение изотопом 18О,составляющее менее 3%, требует обмена углекислым газом или водяным паром междуподповерхностным резервуаром и атмосферой, который предполагает содержание этихгазовых компонентов, эквивалентное давлению не менее 2 бар.
При помощимасс-спектрометра, установленного на СА «Викинг-1» и предназначавшегося (всочетании с газовым хроматографом) прежде всего для определения составаорганических компонентов почвы, Оуэн и Биманн [90] выполнили анализ химическогосостава атмосферы. В течение четвертых и пятых суток после посадки сделаношесть серий измерений через интервалы времени около 6 часов. Первые четыресерии выполнены после удаления СО и СО2 (СО2+как продукт этих компонентов затрудняет анализ на молекулярный азот), аостальные две серии — с непосредственными пробами воздуха. В табл. 7представлены осредненные по пяти сериям результаты измерений (третья серияоказалась неудачной).
Таблица
Предварительные данныео составе атмосферы у поверхности МарсаКомпонент Содержание, %
Углекислый газ
Кислород
Азот
Аргон
Отношение 36Аг/40Аг
95
0,1-0,4
2-3
1-2
1:2752 ±500
Отсюда видно, чтоизмеренное содержание азота согласуется с полученной ранее оценкой и даннымиизмерений во время спуска СА. Концентрация аргона значительно превышаетобнаруженную по данным АМС «Марс-6», не согласуется с результатами измерений вовремя спуска. Содержание 36Аr оказалось примерно в 10 раз меньшим,чем в земных условиях. Окись углерода не была обнаружена, ввиду ее малойконцентрации, находящейся за пределом чувствительности масс-спектрометра. Поданным для пиков масс при 44, 45 и 46 обнаружены концентрации 13С и 18О,оказавшиеся близкими к земным значениям.
Установленный наспускаемом аппарате АМС «Викинг-1» рентгеновский флуоресцентный спектрометр,который был предназначен для элементного анализа марсианского грунта,использовался также с целью измерений содержания некоторых газовых компонентоватмосферы[14]. Особое внимание привлекала задачаопределения концентрации аргона. Измерения привели к выводу, что парциальноедавление аргона не превосходит 0,15 мбар (доверительный уровень составляет95%). Если учесть, что атмосферное давление в точке посадки составляло 7,7мбар, это приводит к относительной объемной концентрации аргона, составляющей2%, что хорошо согласуется с данными масс-спектрометрических измерений на СА.По-видимому, аргон имеет преимущественно радиогенное происхождение, являясьпродуктом распада 40К. В связи с этим важное значение имеет определениесодержания калия в марсианском грунте.
В течение августа 1976 г. при помощи масс-спектрометра, установленного на СА «Викинг-1», продолжались измеренияотносительного содержания изотопов аргона, углерода, кислорода и азота, а такжепредприняты поиски других малых компонентов, особенно благородных газов.Производились анализы как непосредственно взятых, так и обогащенных (путем удаленияСО и СО2) проб атмосферы, что позволяло повысить относительную концентрациюмалых компонентов в 8,5 раза.
Таблица
Изотопные отношения вмарсианской и земной атмосферахКомпонент Марс Земля
15N/14N
13C/12C 18O/16O
36А/38А
0,0064-0,0050
0,0118±0,0012
0,00189±0,0002
4-7
0,00363
0,0112
0,00204
5,3
В табл. 8 представленырезультаты измерений изотопных отношений в сопоставлении с данными для земнойатмосферы, свидетельствующие о более высокой концентрации 15N вмарсианской атмосфере по сравнению с земной (эти результаты могут быть, однако,недостаточно точны, ввиду возможного влияния десорбции 13СО вприборе). Недостаточно надежны и данные по аргону, которые следуетрассматривать лишь как обнаружившие изотопное отношение, близкое к земному.Попытка обнаружения метана, неона, криптона и ксенона не дала положительногорезультата.
Измерения на СА«Викинг-2» с обогащением образцов воздуха в 10 раз позволили определитьсодержание криптона и ксенона, выявив, что криптон присутствует в бóльшихколичествах, чем ксенон. Относительное содержание различных изотопов криптонаблизко соответствует земным значениям, но отношение концентрации ксенона-129 иксенона-132 оказалось более высоким, чем в земной атмосфере.
Полученные результатыпозволяют считать мало вероятным, что Марс мог иметь в прошлом массивнуюпервоначальную атмосферу, которая была затем постепенно «сдута» солнечнымветром, так как в противном случае отношение концентраций 36Аr икриптона должно быть гораздо меньшим, чем в земной атмосфере, поскольку«сдувание» аргона более эффективно, чем криптона. Обнаруженная в атмосфереМарса низкая концентрация аргона свидетельствует об одной из следующихвозможностей: 1) на Марсе в период его формирования имело место пониженноесодержание летучих компонентов (это, однако, мало вероятно, ввиду близостипланеты к Солнцу); 2) значительная часть первоначальной атмосферы планетыподвергалась «сдуванию» солнечным ветром, в процессе которого происходилоизменение состава атмосферы; 3) на Марсе не было такой интенсивной дегазациитвердой оболочки планеты, как на Земле. Последняя возможность является наиболеевероятной.
Важное значение имеетфакт преобладания криптона над ксеноном в марсианской атмосфере (аналогичнаяситуация наблюдается в земной атмосфере), тогда как обратное справедливо длясостава протопланетной газовой компоненты обычных или карбонатных хондритов. Всвязи с этим можно предположить, что на Марсе происходил подобный земномупроцесс преимущественной адсорбции ксенона, выделившегося при дегазации осадочнымипородами. Возможно, что подобный процесс имел место на Марсе в периодыфлювиальной эрозии. Альтернативное (или дополнительное) предположение состоит втом, что ксенон был поглощен реголитом.
Низкая концентрацияаргона свидетельствует о необходимости внести поправки в оценки концентрациидругих летучих компонентов, основанные на предположении о высоком содержанииаргона. Однако малое по сравнению с земным отношение концентрации изотоповаргона указывает, по-видимому, на большую сложность процессов дегазации наМарсе, чем это предполагается по аналогии с Землей.
Можно считать, что Марс иЗемля имеют, в целом, сходный состав и поэтому продукция газов осуществляется водинаковых пропорциях, но дегазация и выветривание были на Марсе гораздо менееполными. Значительная часть летучих компонентов могла быть захвачена слоямивечной мерзлоты (Н2О), полярными шапками (Н2О, СО2),химически связана в грунте (нитраты, окислы, карбонаты) или диссипировала. Еслипринять такую гипотезу, то из нее вытекает, что масса марсианской атмосферы впрошлом не могла превышать современную более, чем в 10 раз, т. е. давление уповерхности не превосходило 100 мбар. Существование огромных количеств«погребенных» СО2 и Н2О допускает, однако, возможностьциклических или эпизодических вариаций климата, которые могли обусловитьпоявление флювиальных структур рельефа./>[1, 14-17]
Структурные параметры
Измерения на участкевхода СА в марсианскую атмосферу позволили получить сведения о вертикальныхпрофилях структурных параметров. Вход СА «Викинг-2» (САВ-2) в атмосферу Марсапроизошел 3 сентября 1976 г. около 15 ч 49 м по тихоокеанскому дневному времени, что соответствует местному утру. Структура марсианской атмосферы утром навысотах до 100 км, определенная по данным акселерометрических (на высотах более 25 км) и прямых (парашютный спуск) измерений во время входа СА в атмосферу,характеризуется наличием почти изотермического слоя 1,5—4 км вблизи поверхностипланеты с вертикальным градиентом температуры не более 1,3 К/км на высотах,превосходящих 2,5 км. Вертикальный градиент температуры в слое 5—19 км нижеадиабатического и равен 1,8 К/км, а в вышележащей толще атмосферы наблюдаетсяволнообразный ход температуры.
Различие по сравнению сданными САВ-1, согласно которым вертикальный градиент температуры составляет3,7 К/км, обусловлено влиянием суточного хода (данные САВ-1 относятся кпослеполуденному времени). Атмосферное давление у поверхности оказалосьпримерно на 10% выше (7,75 мбар) зарегистрированного в тот же момент времени вточке посадки СА «Викинг-1» (6,98 мбар). Это определяется тем фактом, что САВ-2совершил посадку в точке, находящейся на уровне, который на 2,7 км ниже отсчетного уровня марсианского эллипсоида (уровня 6,1 мбар поверхности) и примерно на0,96—1,20 км ниже уровня САВ-1. Плотность воздуха у поверхности равна 0,0180кг/м3. Полученный вертикальный профиль температуры на высотах до 100 км согласуется (по крайней мере, качественно) с данными, найденными ранее на основе использованиямодели тепловых приливов.
Для изменения температурыс высотой характерен волнообразный характер при амплитуде волны, возрастающейпримерно до 25 К на высоте 90 км. Вертикальные длины волн (расстояния междуэкстремумами) варьируют в пределах 17—23 км (теоретические расчеты приводят кзначениям, равным 22—24 км). По-видимому, подобные волны являются следствиемслоистой структуры вертикальных осцилляции и связаны с нагреванием и охлаждением,обусловленными сжатием и расширением (требуемый коэффициент сжатия на высотахменьше 80 км должен варьировать в пределах 0,80—1,26). Последние определяютсявлиянием суточного хода температуры поверхности планеты.
Как это необходимо дляраспространения гравитационных волн, атмосфера устойчива к конвекции, заисключением, возможно, некоторых участков планеты. В обеих точках посадки САтемпература атмосферы везде существенно выше уровня конденсации углекислогогаза, что исключает возможность формирования дымки из сухого льда летом всеверном полушарии по крайней мере до 50° с. ш. Следует, таким образом,считать, что наблюдаемый на этих широтах приповерхностный туман состоит изконденсата водяного пара.
По данныммасс-спектрометрических измерений плотности углекислого газа во время сниженияСА «Викинг-1, -2» (САВ-1 и САВ-2) рассчитаны вертикальные профили температурына высотах 120—200 км. Расчеты сделаны на основе барометрической формулы сприменением итерационной схемы, предусматривающей послойное определениетемпературы, начиная с уровня верхней границы, где атмосфера первоначальнопредполагается изотермической в пределах интервала высот, охватываемого первымидвумя точками измерений. Вертикальные профили температуры восстановлены независимопо ионным пикам, соответствующим массовым числам 44, 22 и 12, что позволяетоценить точность определения температуры.
В обоих случаях (САВ-1 иСАВ-2) вертикальные профили температуры имеют волнообразную структуру навысотах более 30 км (для сравнения использованы данные, относящиеся к высотам0—100 км), причем амплитуда волны возрастает с высотой в слое 50—120 км. Внескольких интервалах высот вертикальный градиент температуры близок кадиабатическому. В случае данных САВ-1 волновая структура профиля температурыможет быть обусловлена влиянием суточного прилива. Амплитуда волны меньше врайоне снижения САВ-2, что, вероятно, связано с более высокой широтой этого района.
Полученные значениятемпературы термосферы Марса значительно ниже (
Данные САВ-2 обнаруживаютнеожиданное возрастание температуры выше 170 км, достоверность которого требует тщательной проверки. Сравнение вычисленных по барометрической формулевертикальных профилей концентрации аргона и азота с измеренными позволилооценить коэффициент турбулентного перемешивания на различных высотах,варьирующий от 2,1—5,0Х 107 см2/с на уровне 100 км до 1,2—4,2— 109 см2/с на высоте 170 км. Модельные расчеты вертикальных профилей концентрации СО, NO и О2 обнаружили хорошее согласие срезультатами измерений.
Построена модельмарсианской ионосферы, соответствующая данным САВ-2. Анализ рассматриваемыхданных привел к выводу, что отношения смеси азота, аргона и кислорода восновной толще атмосферы равны 2,4 · 10-2; 1,5 · 10-2 и1,6 · 10-3, соответственно. Верхняя атмосфера обогащена окисьюуглерода и азота по сравнению с нижней, где отношения смеси этих компонентсоставляют около 8·10-4 и 10-8—10-9./>
2. АППАРАТУРА ДЛЯ АЭРОКОСМИЧЕСКИХИССЛЕДОВАНИЙНаучнаяаппаратура модуля 77КСИ «Природа»/> «Алиса»
Научнаяаппаратура (НА) «Алиса» является лидаром (лазерным локатороматмосферных образований), установленным в модуле «Природа» и предназначеннымдля геофизических исследований из космоса:
· определенияверхней границы облачного слоя;
· измерениявертикального распределения атмосферного аэрозоля;
· возможногоизмерения аэрозолей спорадического происхождения.
НА работает вкомплексе с радиометром «Исток» и наземными станциями.
НАрасположена в ПГО-3 модуля «Природа» и работает через иллюминатор №2.НА состоит из собственно лидара и системы охлаждения СВТ.
Техническиехарактеристики: Параметр Значение Вертикальное разрешение, м 150 Горизонтальное разрешение, м 200 Длина волны излучателя, нм 532 Частота импульсов, Гц 50 Срок службы, час 20-100 Напряжение питания, В 27 Рабочий ток, А 100 Мощность СВТ, Вт 105 Масса СВТ, кг 42,7 Ресурс СВТ, лет 3
/>ДК-33
Прибор ДК-33предназначен для измерения быстропеременных и стационарных полей яркости вспектральном диапазоне от 120 до 1100 нм и исследования их влияния на служебнуюи научную оптическую аппаратуру. В УФ-диапазоне такие измерения проводятсявпервые.
Блескотдельных частиц определяется по приведенной к полю зрения эквивалентнойяркости фона. Целевым назначением прибора ДК-33 является фотометрическийконтроль состояния окружающей среды в зоне служебной и научной оптическойаппаратуры и полезного груза на всех этапах НИ изделия.
Прибор четырехканальный;характеристики применяемых каналов приведены в таблице:№ канала Спектральный диапазон, нм Диапазон яркостей, Вт/м*стр. 1 120-180
10-7-10-2 2 180-350
10-7-10-2 3 350-600
7,5*10-7-7,5*10-2 4 400-1100
7,5*10-7-7,5*10-1
Приборсостоит из двух блоков:
· приемногоустройства (устанавливается снаружи);
· блока электроники(внутри ГО).
Техническиехарактеристики: Параметр Значение Напряжение питания, В 27 Время готовности к работе, мин 1 Масса, кг 17 Ресурс работы, час 1000 Время непрерывной работы, час 36 Потребляемая мощность, Вт 20
Диапазон рабочих температур, 0С 0-40
/>
«Икар-Дельта»
Радиометрическийкомплекс «Икар-Дельта» предназначен для измерения амплитудного ипространственного распределения собственного радиотеплового излучения земнойповерхности в микроволновом диапазоне с целью определения следующиххарактеристик атмосферы, океана и суши:
· положения иизменчивости основных фронтальных зон Северной Атлантики: зоны течения системыГольфстрим, Северо-Атлантического течения, струйных течений тропической зоныАтлантического океана;
· положения,интенсивности и направления перемещений крупномасштабных температурныханомалий, локализованных в верхних слоях океана;
· параметровснежного и ледового покрова;
· водозапасовоблаков и интегральных параметров атмосферы;
· границ зоносадков;
· приводнойскорости ветра;
· распределениятемпературы воздуха.
Составкомплекса.
· радиометр«Дельта-2П» 1шт.
· радиометр«Икар-ИП» 1 шт.
· радиометрполяризационный РП-225 3 шт.
· сканирующаядвухполяризационная радиометрическая система Р-400 1 шт.
· радиометр РП-6006 шт.
Техническиехарактеристики: Наименование Значение Рабочие длины волн, см 0,3/0,8/1,35/2,25/4/6 Напряжение питания, В 27 Мощность, ВА 600 Время установления рабочего режима, мин 30 Время непрерывной работы, час 7 Ресурс, час 1500 Масса, кг 400
/>
«Индикатор»
Аппаратура«Индикатор» предназначена для контроля параметров собственной внешнейатмосферы ОС. Аппаратура применяется для измерения плотности (общего давления)СВА, потока заряженных частиц и интенсивности набегающего потока.
Аппаратура«Индикатор» состоит из:
· блока входногопреобразователя с собственным датчиком, установленным на внешней поверхностиизделия;
· блока управления,установленного в ГО.
Техническиехарактеристики: Параметр Значение Общие габариты БВП, мм 270х130х160 Масса БВП, кг 35 Общие габариты БУ, мм 204х200х140 Масса БУ, кг 2 Потребляемая мощность, Вт 20 Время непрерывной работы, час 24 Перерыв, час 2 Ресурс, лет 10
/>Ионозонд (Институт прикладной геофизики).
Ионозондпредставляет собой комплекс бортовых и наземных средств для обеспеченияглобального мониторинга околоземного космического пространства методомрадиозондирования атмосферы Земли с низкоорбитальных пилотируемых объектов.
Составаппаратуры:
· аппаратураИонозонда на модуле «Природа»;
· системателекоммуникационного контроля и управления «Сигма»;
· наземныеионосферные станции в городах Ростов-на-Дону и Нарофоминск.
Назначениеаппаратуры Ионозонда.
Предназначенадля импульсного зондирования внешней атмосферы с целью получения оперативнойинформации о ее состоянии.
Управлениеаппаратурой Ионозонда и съем контрольной телеметрической информацииосуществляется через ПЭВМ-КСИ и ПАО-КСИ из состава СТКУ «Сигма».
Составаппаратуры Ионозонда:
1. аппаратура АИ804:
— АИ 011 –приемопередатчик, предназначенный для формирования зондирующих сигналов иприема отраженного от ионосферы сигнала;
— АИ 502 – блок цифровойобработки, предназначенный для кодирования и преобразования информации споследующей передачей в СТКУ:
2. аналоговыйпередатчик СОРС-Д, работающий на частоте 137 МГц и предназначенный для передачина Землю комплексного видеосигнала в аналоговом виде в зоне радиовидимости наземныхионостанций:
3. антеннаИонозонда.
Ограничения:
· время непрерывнойработы не более 60 мин;
· перерыв в работене менее 25 мин.
«Исток-1»
ИКспектрометрическая система «Исток-1» предназначена для измеренияспектров собственного теплового излучения атмосферы и подстилающей поверхностипри различных углах наблюдения, ИК спектров пропускания атмосферы и угловрефракции видимого излучения в режиме слежения за Солнцем для определения всоставе атмосферы содержания озона, углекислого газа, паров воды, закиси азота,метана и азотной кислоты.
Состав КНА«Исток-1».
/>· инфракрасныйспектрорадиометр (ИКСР)
· электронноевизирующее устройство (ЭВУ)
· бортовоевычислительное устройство (БВУ)
· автоматическистабилизируемая платформа (АСП)
· калибровочныйисточник спектрорадиометра (КИС)
· контрольныйисточник ЭВУ
Техническиехарактеристики: Параметр Значение Масса системы 180 кг Потребляемая мощность: ИКСР 140 Вт ЭВУ 13 Вт АСП 180 Вт БВУ 25 Вт Ресурс системы 700 ч Время непрерывной работы 1,5 ч
/>
«МОЗ-Обзор»
Аппаратура«МОЗ-Обзор» предназначена для регистрации отраженного от поверхностиЗемли и атмосферы излучения Солнца в видимой и ближней ИК областях спектра споследующей передачей этой информации в виде цифровых массивов в ТМ систему.
Аппаратураможет работать в ручном и автоматическом режимах.
Аппаратура«МОЗ-Обзор» состоит из следующих приборов:
· МОЗ — модульныйоптико-электронный сканер, включающий в себя оптико-электронный блок, устанавливаемыйна иллюминатор, зеркало, блок процессора и блок питания;
· БВУ«Обзор» — бортовое вычислительное устройство, предназначенное длявзаимодействия с СУБК;
· ПУ«Обзор» — пульт ручного управления;
· К-1…К-16 — межблочные кабели.
Техническиехарактеристики: Параметр Значение Напряжение питания, В 27 Мощность, Вт 170 Информативность, Кбит/с 256 Ресурс, час 5000 Спектральный диапазон, нм МОЗ-А 756-767 МОЗ-Б 408-1010
/>МОМС-2П
Цельюкосмического эксперимента МОМС-2П является решение следующих задач:
· съемкаповерхности Земли;
· съемка облачногопокрова;
· съемка внутреннихводоемов и поверхности океана в районе шельфа.
Виды съемок:
· во всехспектральных диапазонах видимого спектра с обычным разрешением;
· в видимомдиапазоне спектра с повышенным разрешением;
· стереосъемка ввидимом диапазоне спектра с обычным разрешением.
Съемкаполигонов обеспечивается за счет орбитального движения изделия и поперечногосканирования поверхности Земли ПЗС-приемников.
В составаппаратуры МОМС-2П входят:
· оптический модульмассой 181 кг (устанавливается снаружи модуля 77КСИ);
· антенны МОМС НАВ(3 шт. системы GPS);
· блок питания;
· магнитофонDCRSi-107 с кассетами.
Тип прибора –модульный оптический многоспектральный стереосканер, позволяющий сниматьповерхность Земли в 4 спектральных диапазонах (каналы: 1,2,3,4-спектральные,6,7-стерео, 5А, 5В-высокого разрешения).
Характеристикиканалов: Канал 1 2 3 4 5 6 7 Длина волны, нм 440-505 530-575 645-680 770-810 520-760 520-760 520-760 Поле зрения, град 15 15 15 15 7,2 13,9 13,9 Разрешение с высоты 350 км, м 15,9 15,9 15,9 15,9 5,3 15,9 15,9
Техническиехарактеристики: Параметр Значение Масса, кг 250 Мощность максимальная, Вт 540 Мощность в режиме сброса информации, Вт 440 Информативность БИСУП, Мбайт/с 7,64 Время непрерывной работы, мин 20 Ресурс, лет 1,5
/>МСУ-СК
Приборпредназначен для получения и передачи на Землю изображения подстилающейповерхности в однострочном режиме в видимом, ближнем и дальнем ИК диапазонах.
Техническиехарактеристики: Наименование Значение Температура корпуса, С -27…+37 Рабочее давление, Па
105 Число спектральных каналов 5 Угловое разрешение для всех каналов, мрад 0,186 Энергопотребление, Вт 295 Время непрерывной работы, мин 20 Перерыв между включениями, мин 70 Масса, кг 56 Ресурс, час 1500
/>
МСУ-Э (многофункциональное сканирующееустройство с электронной разверткой)
Аппаратурасостоит из двух приборов МСУ-Э. Прибор предназначен для получения изображенияподстилающей поверхности Земли.
Припроведении эксперимента ось +Z модуля 77КСИ должна быть направлена по местнойвертикали с погрешностью +1 угл. град. Ось Х должна быть направлена понаправлению полета, угол С-О-З должен быть больше 115 угл. град. Съемкапроводится при минимальной облачности.
Приборы имеютнегерметичные корпуса.
Техническиехарактеристики: Наименование Значение Температура корпуса, С 20+/-5 Рабочее давление, Па
от 1,013*10-5 до 133,3 Число спектральных каналов 3 Угловое разрешение для всех каналов, угл. сек: по строке 7,04 по кадру 10,8 Энергопотребление, Вт: без подогрева 100 при максимальном подогреве 38 Время непрерывной работы, мин 20 Перерыв между включениями, мин 60 Информативность, Мбит/с 3,84
/>
«Озон- Мир»
Цельюнаучного эксперимента является измерение с борта ОС спектральных характеристикпрямого солнечного излучения, проходящего через атмосферу Земли, при заходахСолнца относительно станции с целью последующей обработки измеренныхкоэффициентов спектральной прозрачности атмосферы и восстановления вертикальныхпрофилей концентрации кислорода, озона, паров воды и других малых газовыхсоставляющих и аэрозолей.
Аппаратураработает в автоматическом режиме и выполнена в виде 3-х независимых блоков:
· блокаспектрометров;
· блокаэлектроники;
· блока питания.
Аппаратураимеет 4 спектральных канала для измерения спектральной прозрачности атмосферы вдиапазоне 257-1155 нм.
Техническиехарактеристики: Параметр Значение Скорость обмена информацией с РПИ, Кбайт/с 50 Время подготовки к работе, мин 8 Время непрерывной работы, мин 30 Ресурс, час 500 Максимальная мощность, Вт 280
/>Канопус
Канопуспредназначен для исследования космического пространства как среды обитаниябиологических и технических объектов.
Дозиметр ДК-1предназначен для измерения основных дозовых характеристик поля ионизирующихизлучений. На модуле 77КСИ «Природа» установлены два блокадетектирования (БД-03 и БД-06) и регистратор (БР).
СпектрометрСПЭ-1 предназначен для измерения спектральных и угловых характеристикэлектронов и протонов низких энергий.
АнализаторС-11 предназначен для измерения динамики энергетического распределения протонови спектров линейных потерь космических лучей. Блоки Масса, кг Габариты, мм Мощность, Вт Размещение БР 1,9 136х182х118 3,7 ГО БД-03 0,1 112х80х24 0,001 снаружи БД-06 1,4 160 (сфера) 0,001 снаружи СПЭ-1 4,5 215х257х200 4 снаружи С-11 (детектор) 2,4 250х105х100 3 снаружи С-11 (анализатор) 3,0 250х110х200 3 ГО Суммарно 13,3 13,7
/>
«Траверс-1П»
Система«Траверс-1П» — это двухчастотный радиолокатор бокового обзора ссинтезированной апертурой. Он предназначен для получения радиолокационныхизображений (карт) земной поверхности.
Использованиенаучных данных «Траверс-1П» для исследования поверхности сушипозволяет проводить оценку состояния и типа растительности и влажности почв,картографирования рельефа льда и волнения поверхности мирового океана.
Техническиехарактеристики: Параметр Значение Длина волны зондирующего сигнала, см С-диапазон 9 D-диапазон 23 Угол наблюдения, угл. град. 35 Разрешающая способность, м 100 Размер антенны, м 2,8х6,0 Вид информации цифровой Скорость передачи информации, Мбит/с 15 Энергопотребление, Вт С-диапазон 500 D-диапазон 700 Ресурс, ч 500
Картирующий спектрометрвидимого и инфракрасного диапазона
спектрометрическаясъемка поверхности и атмосферы марса
Основные научные задачи:
картированиесостава поверхности Марса — вулканических и осадочных пород, измороси и льдов;
картированиеосновных газообразных и твердых атмосферных компонент.
Прибор имееттри канала:
IR — 1 диапазон2,7 — 5,2 мкм;
IR — 2 диапазон1,05 — 2,7 мкм;
VNIR диапазон0,35 — 1,05
Основные характеристики:
спектральноеразрешение 50 — 100
угловоеразрешение 4 угл.мин
пространственноеразрешение 0,4 — 4 км
многофункциональнуюстереоскопическую ТВ-камеру высокого разрешения HRSC, диапазон длин волн0,4-1,0 мкм;
ширина полосыобзора 8,8°
масса 23,7 кг
/>Пассивное аэрокосмическое зондирование атмосферы и земнойповерхности в геоинформационных технологиях исследования и мониторингаокружающей среды
При решениизадач ресурсно-экологического мониторинга подстилающей поверхности Земли (ППЗ)с использованием аэрокосмической информации в условиях влияния аэрозольныхкомпонент атмосферы возникает задача предварительной обработки изображений,заключающаяся в фильтрации (подавлении шума) и восстановлении, реставрацииизображений (путем «обращения» влияния искажающих факторов).Корректное решение задачи предобработки позволяет повысить точность решениязадач тематической обработки данных, в частности, решать задачи обнаруженияаномалий ППЗ по серии снимков одного и того же участка поверхности Земли нафоне сезонных вариаций радиояркостей.
В связи сэтим прелагается рассмотреть новые подходы к тематической обработки изображенийподстилающей поверхности Земли, наблюдаемой со спутников в условиях искажающеговлияния атмосферы. В качестве объекта исследования рассматривается полеаэрозольной компоненты атмосферы и тепловые аномалии на земной поверхности.
Для изучениярегиональных свойств атмосферного аэрозоля применяются различные средствадистанционного мониторинга и в том числе результаты спутниковых измерений. Вработе дается оценка принципиальных возможностей использования системыAVHRR/NOAA для проведения в Томском регионе регулярного космомониторингаатмосферного аэрозоля и в том числе дымов от лесных пожаров. С этой цельювыполнен сравнительный анализ данных AVHRR/NOAA и наземных измерений рядахарактеристик атмосферного аэрозоля (аэрозольная оптическая толщина,коэффициент рассеяния λ=0.52 μm, массовое содержание сажи, счетнаяконцентрация аэрозольных частиц), полученных для условий Томска в летние месяцы1998-99 г.г.
Предварительнаяобработка спутниковой информации включает следующие основные этапы:
a. калибровка,географическая привязка, визуализация и отбраковка облачных снимков;
b)статистический анализ пространственно-временной изменчивости данных вокрестности Томска с целью поиска «темных» участков подстилающейповерхности, характеризующихся малыми значениями альбедо и пространственнойквазиоднородностью;
c)атмосферная (молекулярная) коррекция измерений спутниковых измерений с учетомреального состояния атмосферы на момент проведения космомониторинга.
В результатесравнительного анализа спутниковых данных и наземных измерений аэрозольныххарактеристик получен следующий предварительный вывод. Установленастатистически значимая положительная корреляционная связь между данными первогои второго каналов AVHRR и наземными измерениями. Этот факт говорит оперспективности использования спутниковой информации AVHRR/NOAA для мониторингав атмосферного аэрозоля и дымов лесных пожаров с использованием адаптированныхк условиям наблюдений спутниковых методов и локальных наземных измерений.
Не менееважной задачей космомониторинга является обнаружение очагов пожаров еще наранней стадии их развития. Это требует эффективного решения задачиавтоматического распознавания на спутниковых снимках высокотемпературныханомалий, размеры которых на один-два порядка меньше пространственногоразрешения радиометра. Для достижения максимальной точности решения такойзадачи очевидна необходимость проведения атмосферной коррекции спутниковыхданных, основанной на оперативном учёте оптико-геометрических условийнаблюдений. Анализ литературных данных говорит о том, что в силу сложности этойзадачи в большинстве спутниковых алгоритмов обнаружения очагов пожароватмосферная коррекция на практике как правило не осуществляется. Вместе с тем,даже в условиях прозрачной атмосферы коэффициент атмосферного ослабления восходящеготеплового излучения очага составляет для углов сканирования радиометраAVHRR/NOAA ( =0-55 ) величину порядка 0,8-0,5. При наличии жеаэрозоля этот коэффициент дополнительно уменьшается (до 1,5-2 раз) с ростомаэрозольной оптической толщины (АОТ).
Созданиеэффективных процедур раннего обнаружения малоразмерных очагов требует учета в3-ем канале AVHRR (3,75 мкм) такого мешающего фактора, как отраженноеповерхностью и рассеянное атмосферой солнечное излучение (солнечная дымка). Какправило, для этого выбирается фиксированное пороговое значение (не учитывающеедаже геометрические параметры положения Солнца) или величина, связаннаяфактически только с зенитным углом Солнца.
Как показываютпредварительные оценки в отраженном от атмосферы излучении формируется максимум(в диапазоне высот Солнца 5-15 ), амплитуда которого связана соптическими характеристиками приземного аэрозоля и направлением вектора вдольоптической оси прибора. При этом азимутальные различия вклада могут бытьдостаточно существенны.
Аэрокосмическиесредства для исследования концентраций озона в атмосфере
Предлагаетсяпроект зондов для измерения высотных профилей метеопараметров и концентрацийозона в любом районе земного шара. Зонды доставляются в исследуемый регионаэрокосмическим планирующим аппаратом типа “Бор-2”, выводимым на суборбитальнуютраекторию с последующим планированием ракета-носителями типа “Штиль”. Возможенсброс зондов с высотных самолетов “М-50”, выполнявших замеры концентраций над Антарктидой,поэтому радиозонды выполняются в двух модификациях: для сброса с самолета и саэрокосмического аппарата.
Информацияпередается по спутниковым телекоммуникационным каналам. Для входа в атмосферу ссуборбитальной траектории зонды помещены в специальную отделяемую защитнуюспускаемую капсулу, доставляющую приборно-измерительно-передающий контейнер вслой атмосферы на высоте 30-35 км, с которой осуществляется с помощьюпарашютно-зонтичного устройства снижение до контакта с поверхностью Земли.
Рассмотреныкомпоновочные схемы двух различных вариантов спускаемой капсулы и для вариантас паразонтичным раскрываемым устройством разработана конструктивная схемаразделяемой капсулы и паразонта.
Сделанотехнико-экономическое обоснование затрат и времени на создание зондов, средствих доставки, а также бортовых и наземных средств информационно-измерительногокомплекса. [17]
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Материалы дистанционногозондирования получают в результате неконтактной съемки с летательных воздушныхи космических аппаратов, судов и подводных лодок, наземных станций. Получаемыедокументы очень разнообразны по масштабу, разрешению, геометрическим,спектральным и иным свойствам. Все зависит от вида и высоты съемки, применяемойаппаратуры, а также от природных особенностей местности, атмосферных условий ит.п. Главные качества дистанционных изображений, особенно полезные для составлениякарт,
— это их высокаядетальность, одновременный охват обширных пространств, возможность полученияповторных снимков и изучения труднодоступных территорий. Благодаря этому данныедистанционного зондирования нашли в картографии разнообразное применение: ихиспользуют для составления и оперативного обновления топографических итематических карт, картографирования малоизученных и труднодоступных районов(например, высокогорий). Наконец, аэро- и космические снимки служат источникамидля создания общегеографических и тематических фотокарт. Съемки ведут в видимой,ближней инфракрасной, тепловой инфракрасной, радиоволновой и ультрафиолетовойзонах спектра. При этом снимки могут быть черно-белыми зональными ипанхроматическими, цветными, цветными спектрозональными и даже
— для лучшей различимостинекоторых объектов — ложноцветными, т.е. выполненными в условных цветах.Следует отметить особые достоинства съемки в радиодиапазоне. Радиоволны, почтине поглощаясь, свободно проходят через облачность и туман. Ночная темнота тожене помеха для съемки, она ведется при любой погоде и в любое время суток.
Главные достоинства аэроснимков, космических снимков и цифровых данных,получаемых в ходе дистанционного зондирования, — их большая обзорность иодномоментностъ. Они покрывают обширные, в том числе труднодоступные, территориив один момент времени и в одинаковых физических условиях. Снимки даютинтегрированное и вместе с тем генерализованное изображение всех элементовземной поверхности, что позволяет видеть их структуру и связи.
Очень важное достоинство- повторность съемок, т.е. фиксация состояния объектов в разные моменты времении возможность прослеживания их динамики.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Аксенов С.И. идр. Марс как среда обитания.— Проблемы космической биологии, М., «Наука», 1976,т. 32, 232 с.
2. Вдовин В.В.Расчет тепловой динамики поверхности Марса.— «Космич. исслед.», 1977, т. 15,вып. 2, с. 238-247.
3. Изаков М.Н.Структура и динамика верхних атмосфер Венеры и Марса. — «Успехи физ. наук»,1976, т. 119, № 2, с. 295-342.
4. Изаков М.Н.,Морозов С. К. Структура и динамика экваториальной термосферы Марса. — «Космич.исслед.», 1976 т. 14, вып. 3, с. 476-478.
5. Истомин В.Г. идр. Эксперимент по измерению состава атмосферы на спускаемом аппаратекосмической станции «Марс-6». — «Космич. исслед.», 1975, т. 13, № 1, с. 16-20.
6. Козырев Н.А.Спектральные признаки существования снега и льда в атмосфере Марса.— «Изв. Гл.астрон. обе», 1964, т. 23, вып. 5, № 175, с. 72-74.
7. Кондратьев К.Я.,Бунакова А.М. Метеорология Марса.— Л. Гидрометеоиздат, 1973. 62 с.
8. Кондратьев К.Я.Сравнительная метеорология планет.— Л. Гидрометеоиздат, 1975. 48 с.
9. Кондратьев К.Я.Метеорология планет. Л., Изд. ЛГУ, 1977. 236 с.
10. Кондратьев К.Я.,Москаленко Н. И. Тепловое излучение планет. Л., Гидрометеоиздат. 1977. 263 с.
11. Краснопольский В.А.,Крысько А. А., Рогачев В. Н. Ультрафиолетовая фотометрия Марса на спутнике«Марс-5».— «Космич. исслед.», 1977, т. 15, вып. 2, с. 255-260.
12. Сурков Ю.А.,Федосеев Г.А. Аргон-40 в атмосфере Марса. — «Космич. исслед.», 1976, т. 14,вып. 4, с. 592-597.
13. Кондратьев К.Я.,Крапивин В.Ф., Пшенин Е.С. Концепция регионального геоинформационногомониторинга. //Исслед. Земли из космоса. 2000. №6. С. 3-10.
14. Ю.А. Кравцов,Е.Б. Кудашев, М.Д. Раев, Д.А. Бондарев, В.В. Голомолзин. Использование космическогомониторинга для оценки опасности жизнедеятельности в больших городах.//Физическая экология (физические проблемы экологии), № 4, С. 144-151. Изд.Физического факультета МГУ. Москва. 1999.
15. В.П. Мясников,Н.А. Арманд, Ю.А. Кравцов, Е.Б. Кудашев, М.Д. Раев, В.П. Саворский, М.Т.Смирнов, О.В. Сюнтюренко, Ю.Г. Тищенко. Информационные технологии иинформационные ресурсы космического экологического мониторинга. // ВестникРФФИ, 2000 г., С. 30-37, №2, (июнь).
16. Кадлип В.,Кравцов Ю.А., Кудашев Е.Б., Раев М.Д., Сюнтюренко О.В., Арманд Н.А., СаворскийВ.П., Смирнов М.Т., Тищенко Ю.Г, Мясников В.П. Российско-Британский спутниковыйэкологический мониторинг на основе Web- и Интернет-технологий. // ИнформационноеОбщество, 2000 г, №2, С. 59-64.