Космическое землеведение

До конца XIX в. географические исследования производились наземными способами (путешествия и мореплавания, наблюдения за атмосферными явлениями и процессами на метеостанциях, за явлениями на море, реках и озерах, на гидропостах и т. д.). В начале XX в. широко стала применяться в географических исследованиях и в картографировании территории аэрофотосъемка с самолетов, дирижаблей, воздушных шаров с высоты примерно до 20 км. Выявление общих особенностей и закономерностей природы на больших пространствах земной поверхности и тем более глобальных (для всей Земли), т. е. для общего землеведения, было трудным делом.

Запуск искусственных спутников Земли, а затем и непосредственный выход человека в космос дает невиданные возможности и для изучения Земли. Возник новый раздел науки — космическое землеведение, который изучает поверхность суши, океаны и атмосферу нашей планеты по изображениям, спектрам, отдельным регистрациям отражения солнечного света и собственного излучения Земли, полученным с космических летательных аппаратов. Все эти данные используются для изучения, освоения и охраны природных ресурсов Земли.

Землю из космоса изучают с различных летательных аппаратов: с искусственных спутников Земли, с орбитальных космических кораблей, управляемых экипажем, с автоматических межпланетных станций, с межпланетных космических кораблей.

Съемка Земли с пилотируемых космических кораблей производится главным образом из ближнего космоса (т. е. с высот до 500 км), с искусственных спутников — большей частью из среднего космоса (т. е. с высот от 500 до 3000 км), а с межпланетных автоматических станций и космических кораблей — из дальнего космоса (т. е. с высот более 10 000 км). Первые спектры Земли из космоса были получены с пилотируемого космического корабля «Союз-7» в 1969г.

Изображения, спектры и отдельные измерения поля Земли из космоса отличаются рядом особенностей, присущих только космическим методам и не свойственных обычным наземным и воздушным географическим методам исследования. Поэтому они передают дополнительную, часто очень интересную информацию.

Во-первых, благодаря изображению на одном космическом снимке обширных и значительно удаленных друг от друга ландшафтов можно изучать одновременно крупные территории и выявлять значительные черты строения земного шара, такие, как структура земной коры, планетарная система разломов, широтная географическая зональность и вертикальная поясность горных стран и т. п.

Во-вторых, синхронное изображение на одном снимке из космоса атмосферы (облачности), гидросферы (моря, реки, озера, снеговой и ледниковый покровы), литосферы (геологическое строение, рельеф), биосферы (растительный и почвенный покров) и элементов культурного ландшафта позволяет изучать взаимосвязь различных явлений и компонентов природной среды. При этом наглядно видна, например, связь пыле-песчаных потоков в атмосфере и грядовых форм рельефа песков в пустынях, связь распределения облачности и фронтальных зон, океанических вод различной температуры и солености и многое другое.

Наконец, по последовательной съемке из космоса одних и тех же территорий одной и той же регистрирующей системой можно изучать с различными интервалами времени повторяемость и распространение как сезонных ритмических явлений природы (таких, как сход и становление снегового покрова или начало и окончание вегетации растительности), так и катастрофических (таких, как пыльные бури, ураганы, землетрясения и т. д.).

В зависимости от метода регистрации изображений, спектров и излучений различают ряд основных видов космической съемки Земли: визуальные, фотографические, телевизионные, спектрометрические и радиометрические.

Визуальные наблюдения производятся космонавтами с пилотируемых космических кораблей. В программу визуальных наблюдений космонавтов входит как опознавание наземных объектов, предусмотренных программой, так и оперативное наблюдение объектов и явлений, которые развивались во время полета и не были предусмотрены программой, например ураганов, извержений вулканов, небольших пожаров. Как показали визуальные наблюдения космонавтов Г. Купера, А. Г. Николаева, при взгляде на Землю из космоса различаются весьма мелкие детали: дороги, кильватерные волны за судами, морские турбулентные и стоковые течения и др.

Наибольшее количество информации дает космическое фотографирование. Фотографии доставляются на Землю либо непосредственно космонавтами с пилотируемых космических аппаратов, либо в контейнерах с автоматических межпланетных станций. Телевизионные изображения, как и фотографии из космоса, делятся на три вида.

Глобальные изображения дают снимки всей или большей части земного диска из дальнего космоса, т. е. с расстояния более 10 000 км. Они используются для изучения географической зональности, распределения океанических течений, климатической поясности.

Так выглядит Земля из космоса.

Региональные изображения дают снимки отдельных областей материков и океанов из среднего космоса, т. е. с высот 500—3000 км. Они используются для изучения региональных тектонических структур, циркуляционных метеорологических систем, фронтальных зон океанических течений. Такие снимки получаются с метеорологических искусственных спутников Земли.

Локальные изображения представляют собой снимки отдельных районов и местностей земного шара из ближнего космоса, т. е. с высот 200— 500 км. Они пригодны, для среднемасштабного и даже обобщенного крупномасштабного картографирования и используются для различных видов геологических, гидрографических, геоботанических, ландшафтных исследований. Такие изображения получены с пилотируемых космических кораблей.

По телевизионному принципу передаются на Землю инфракрасные изображения, в которых при регистрации сигнала применяется приемник, чувствительный к излучению Земли в «окнах» прозрачности атмосферы в зоне спектра при лямбда = 3,5—5,4 ммк и лямбда = 8—12 ммк. Инфракрасные изображения дают возможность судить о невидимых глазу температурных различиях земной поверхности и океана, выявлять термальные тектонические зоны, предсказывать вулканическую активность, картировать океанические течения, а главное, давать картину облачности в ночное время на неосвещенной стороне Земли.

Спектры отражения солнечного света и собственного излучения земной поверхности могут быть использованы для характеристики природных образований по их яркости в том или ином весьма узком диапазоне длин волн. Но, самое главное, сопоставляя изображения в разных длинах волн, можно по спектрам отражения и излучения природных образований изучать минералогический состав подстилающих пород, состояние сельскохозяйственных культур, загрязненность атмосферы и водных бассейнов, а также решать другие вопросы, требующие тонкого спектрального анализа.

Съемка в этом диапазоне проникает сквозь облачный покров и даже характеризует строение поверхности на глубину до нескольких сантиметров и дециметров. По микроволновой съемке (лямбда = 0,8 и 1,35 см) можно судить о состоянии атмосферы: содержании в ней водяного пара, распределении дождевых очагов и зон осадков. Съемка при лямбда = 3,2 и 8,5 см позволяет выявить границы сплошных и плавающих льдов, отдельные айсберги, запасы влаги в снежном покрове, волнение поверхности океана. Методика обработки космических данных очень сложна. Она состоит из ряда этапов.

Для того чтобы прочесть изображение, полученное из космоса, нужно прежде всего создать эталоны. Для этого на типичных ключевых участках спутниковых, самолетных и наземных профилей экспериментально изучают оптические свойства природных образований и отбирают «индикаторы», т. е. такие признаки, обнаружив которые можно решить обратную задачу — по изображениям, спектрам и регистрограммам отражения и излучения Земли, полученным с космических аппаратов, распознать природные образования и дать их характеристику. Затем по эталонам ключевых участков анализируют изображения, спектры и регистрограммы непосещенных территорий ландшафтов — аналогов. Этот прием называется экстраполяцией. С ее помощью, например, по признакам типов пустынь, установленным в Средней Азии, можно дешифрировать фотографии Сахары.

Для дальнейшего развития космического землеведения очень важно автоматизировать обработку космических данных о Земле. Ведь в настоящее время получают ежегодно несколько десятков тысяч телевизионных и фотографических изображений Земли и еще больше радиационных и микроволновых измерений излучений.

перейти к началу страницы