Мобильная версия
назад
Статья академика БОНДУРА «ОБЪЕКТИВный взгляд на Землю».
Бондур В.Г. «ОБЪЕКТИВный взгляд на Землю» в журнале «Российский космос», №7, 2011 г., стр. 40–49.
ОБЪЕКТИВНЫЙ ВЗГЛЯД НА ЗЕМЛЮ
Исполнилось 50 лет со дня первого полета человека в космос. Это событие явилось триумфом отечественной науки и техники. Оно вызвало небывалый энтузиазм, творческий подъем, заслуженную гордость всего советского народа и получило всемирное признание. Полет Гагарина положил также начало исследованиям нашей планеты с борта пилотируемых космических аппаратов. И сегодня самое время проанализировать основные достижения отечественной пилотируемой космонавтики, связанные с дистанционным зондированием Земли из космоса, так как наша страна является не только пионером освоения космоса, но и долгое время занимала лидирующую позицию в мире и в этой области. Слово академику Валерию Бондуру.
С поверхности Земли и даже с самолета нелегко охватить различные крупномасштабные процессы, происходящие в атмосфере, океанах, на суше и в геологической среде. И только с началом космической эры перед человеком открылись широчайшие возможности для изучения нашей планеты в глобальном масштабе в широком диапазоне спектра электромагнитных волн. В процессе исследований Земли из космоса отдельные кубики стали укладываться в красочную и очень информативную картину.
После эпохального полета Юрий Гагарин подробно описал свои ощущения и наблюдения Земли, которые в дальнейшем легли в основу подготовки космонавтов к визуально-инструментальным наблюдениям из космоса.
Начиная с полета Германа Титова в августе 1961 года на космическом корабле «Восток-2», 5 0-летие которого также исполнилось в этом году, для исследований Земли широко применялись фотографические аппараты, ручные спектрометрические приборы и кинокамеры. С появлением долговременных орбитальных станций, начиная с 1971 года, стали применяться стационарные многозональные шести- и девятиобъективные камеры и другая аппаратура.
Из космоса хорошо просматривалась связь между структурными и динамическими процессами и образованиями в атмосфере, океане и литосфере Земли. Результаты исследований из космоса стали все более широко использоваться не только в интересах наук о Земле, но и в интересах народного хозяйства. Приведем некоторые примеры таких исследований.
Геологические исследования
Геологические эксперименты входили в программы полета ряда кораблей серий «Союз», а также в программы ДОС «Салют», «Мир», а в настоящее время и
МКС. Еще в 1969 году с борта космических кораблей «Союз-6», «Союз-7» и «Союз-8» проводились фотосъемки геологических образований восточного побережья Каспийского моря. С борта корабля «Союз-9» В. И. Севастьянов получил большое число космических изображений геологических объектов в южных районах европейской части СССР, в Казахстане, а также в Западной Сибири. Экипажу ДОС «Салют-5» Б. В. Волынову и В. М. Жолобову было поручено наблюдение Севанского разлома для оценки его продолжений в обе стороны от озера. В. В. Ковалёнок и А. С. Иванченков с борта ДОС «Салют-6» установили, что к северу от Омана в пределах горного хребта Загроса субмеридиональные тектонические линии пересекают структуры Альпийско-Гималайского складчатого пояса. Тем самым космонавты подтвердили существование Урало-Оманского суперлинеамента. А. Н. Березовой и В. В. Лебедев с борта ДОС «Салют-7» проводили исследования крупных кольцевых структур, разломов земной коры и других геологических объектов. Они проследили на левом берегу Волги продолжение так называемого Астраханского свода — пологого поднятия земной коры.
Одним из наиболее интересных открытий, сделанных с непосредственным участием космонавтов, стало обнаружение огромного количества кольцевых структур и линеаментов. Вся поверхность Земли оказалась буквально испещренной этими образованиями, имеющими разные размеры. Изучение направлений линеаментов показало, что они отражают строение каркаса земной коры и его современную динамическую напряженность. Характеристики этих
геологических структур, обнаруживаемых из космоса, позволяют исследовать многие природные ресурсы Земли, а изучение динамики линеаментов, регистрируемых на космических изображениях, позволяет проводить мониторинг сейсмоопасных районов и регистрировать краткосрочные предвестники сильных землетрясений.
Съемки из космоса положили начало работам по космофотогеологическому картированию. На картах были нанесены геологические объекты, зарегистрированные на космических сним-ках: кольцевые структуры, линеаменты и другие объекты. Например, по изображениям, полученным П. И. Климуком и В. И. Севастьяновым, была создана карта Арало-Каспийского региона. В дальнейшем были созданы и другие региональные космогеологические карты, а также космогеологическая карта СССР, высоко оцененная специалистами во всем мире. На ней нанесено более четырех тысяч кольцевых структур. Такого рода исследования проводятся и в настоящее время.
Исследования атмосферы
Космические орбиты оказались исключительно удобными для изучения атмосферы, в том числе стратосферных аэрозольных слоев, эмиссионного излучения верхней атмосферы, серебристых облаков, полярных сияний, зодиакального света, пылевых облаков и многих других явлений. Исследования вертикальной структуры атмосферы удобно проводить при наблюдениях из космоса горизонта Земли.
Первым из космонавтов дневной горизонт наблюдал опять же Гагарин. Он увидел очень красивый голубой ореол с плавными переходами цветов от нежно-голубого к голубому, синему, фиолетовому до совершенно черного цвета космоса. Детальную картину дневного горизонта Земли описал К. П. Феоктистов по результатам наблюдений, проведенных 12-13 октября 1964 года с борта космического корабля «Восход». По его словам, дневной горизонт — светлый, беловатый, а потом становится голубым, еще выше находится слой с повышенным содержанием аэрозоля. Иногда он наблюдал несколько таких слоев, и тогда атмосфера напоминала слоеный пирог. Наблюдения за дневным горизонтом проводили также П. И. Климук и В. И. Севастьянов во время полета на орбитальной станции «Салют-4» в мае-июне 1975 года. Результаты этих наблюдений показали, что обычно при угле Солнца, составляющем около 45° над горизонтом и ниже, всегда виден один или два белесых слоя яркости. Иногда верхний из них — второй стратосферный аэрозольный слой, который расположен на высоте 30-35 км, — делился синим фоном, тогда появлялись три слоя яркости. Синие полоски между слоями — зоны с меньшей плотностью аэрозоля.
Наиболее мощные аэрозольные образования и большая часть атмосферной воды сосредоточены в тропосфере на высотах до 8-18 км. Поэтому здесь в основном и образуются все облака. Еще выше, в стратосфере, могут существовать перламутровые (радужные) облака, а на верхней границе мезосферы (в мезопаузе) серебристые облака. Результаты визуальных наблюдений, проводимых первыми космонавтами, дополнились последующими измерениями с помощью различной аппаратуры, установленной на пилотируемых и автоматических аппаратах.
Видимое свечение ночной атмосферы, наблюдаемое на высотах более 70-80 км, сосредоточено в основном в двух
слоях: сравнительно узком первом эмиссионном слое (высоты 80-100 км), расположенном в Е-области ионосферы и во втором эмиссионном слое (высоты 200-350 км), расположенном в F-области ионосферы. Свечение первого эмиссионного слоя ночной атмосферы первым из отечественных космонавтов обнаружил К. П. Феоктистов в октябре 1964 года. В дальнейшем его наблюдали многие советские космонавты и американские астронавты. Сложную структуру первого эмиссионного слоя впервые выявил А. С. Елисеев во время полета на корабле «Союз-8» в октябре1969 года. Детальные исследования его расслоения были выполнены Г. М. Гречко с борта орбитальной станции «Салют-6» в феврале 1978 года. С космического корабля «Союз-12» в сентябре 1973 года В. Г. Лазарев и О. Г. Макаров первыми наблюдали свечение второго эмиссионного слоя ночной атмосферы при полете над экваториальными широтами. Совершенно неожиданные результаты были получены В. В. Ковалёнком и А. С. Иванченковым в июле-октябре 1978 года с борта орбитальной станции «Салют-6». Они выявили свечение практически в планетарном масштабе. Эти работы были продолжены В. В. Ковалёнком и В. П. Савиных во время полета на «Салюте-6» в мае 1981 года. Существование горизонтальной неоднородности свечения, выявленное космонавтами, было подтверждено как комплексными радиофизическими исследованиями, так и исследованиями с Земли изменчивости эмиссий атомарного кислорода в спектре излучения ночного неба.
Серебристые облака
Облака-высотники на сумеречном горизонте Земли впервые наблюдал В. И. Севастьянов 9 июня 1970 года с борта космического корабля «Союз-9». Во время полета на орбитальной станции «Салют-4» П. И. Климуком и В. И. Севастьяновым в 1975 году была выполнена широкая программа инструментальных исследований, визуальных наблюдений и фотографирования серебристых облаков на сумеречном горизонте Земли. Одновременно с ними наблюдения проводились с ряда наземных станций Советского Союза и Западной Европы. Особенно протяженные поля серебристых облаков были выявлены 3-4 июля 1975 года на девяти витках подряд. Наблюдения П. И. Климука и В. И. Севастьянова подтвердили возможность появления полей серебристых облаков, имеющих многослойную структуру.
Большой объем исследований серебристых облаков был выполнен советскими космонавтами с борта орбитальной станции «Салют-6». С 23 декабря 1977 года по 2 февраля 1978 года Ю. В. Романенко и Г. М. Гречко проводили визуальные наблюдения и фотографирование облаков в южном полушарии на 128 витках полета станции. Возможность появления столь обширных полей серебристых облаков в настоящее время является общепризнанной.
Основному экипажу пятой экспедиции на орбитальной станции «Салют-6» (В. В. Ковалёнок и В. П. Савиных) было специально поручено проведение
наблюдений и фотографирование серебристых облаков на низких и экваториальных широтах. Проведенные исследования позволили уточнить природу возникновения этих облаков. Что касается вулканической гипотезы их происхождения, то интересно отметить, что большая часть наблюдений серебристых облаков, выполненных В. В. Ковалёнком и В. П. Савиных, была проведена над районами с активной вулканической и сейсмической деятельностью (западное побережье Тихого океана, Яванская дуга и др.) Во время полета на орбитальной станции «Салют-7» В. П. Савиных 13 ноября 1985 года удалось наблюдать возникновение и развитие аэрозольных образований в стратосфере, мезосфере и мезопаузе из газопепловой колонны, образовавшейся во время мощного извержения вулкана Руис (5400 м) в Колумбии. Такое возмущение в мезосфере могло быть связано как непосредственно с тепловым воздействием, так и турбулизацией мезосферы, а также с интенсивными волновыми движениями или с восходящими токами, которые могут вызвать не только нагревание, но и последующее локальное охлаждение в области мезопаузы. Большой объем экспериментов по исследованию серебристых облаков был проведен также А. С. Викторенко и А. Ю. Калери с борта ДОС «Мир» в марте-августе 1992 года. Результаты наблюдений полярных мезосферных облаков при углах рассеяния 100-180° подтверждают предположения о том, что они состоят из частиц с размерами в десятки нанометров.
Во время экспериментов с пилотируемых космических кораблей не только впервые были обнаружены серебристые облака, установлены их размеры, форма и время существования, но и выявлена их связь с вторжением «мини-комет».
Природа происхождения серебристых облаков была выявлена после того, как был обнаружен приток в атмосферу Земли из космоса огромного количества (примерно раз в 20 минут) снежных ядер «мини-комет». Вход в атмосферу Земли снежного ядра «мини-кометы» впервые наблюдал 26 сентября 1990 года Г. М. Стрекалов с борта орбитального комплекса «Мир».
При средней массе ядра около 100 т они должны приносить в атмосферу Земли до 3×106 т паров воды в сутки. Этого достаточно для конденсации водяного пара при температуре 160-170 К. «Мини-кометы» могут приносить с собой также очень большое количество рыхлых пылинок с массами примерно 10-14 г (наиболее эффективных ядер конденсации), которых относительно мало в межпланетном пространстве.
Исследование океана
Доступными для изучения из космоса объектами гидросферы оказались прежде всего фронты и фронтальные зоны, крупные течения и океанические
вихри, зоны апвеллинга, участки повышенного и пониженного уровня водной поверхности, районы высокой биопродуктивности. При наблюдении из космоса контрасты яркости возникают в морях и океанах из-за различий оптически активных компонентов, главным образом планктона и взвесей, а также за счет различия пространственной структуры взволнованной поверхности в различных ее участках. При этом течения, вихри, сликовые полосы на воде лучше всего видны при невысоком положении Солнца над горизонтом. Именно из космоса впервые были обнаружены многие явления на поверхности океана, в том числе такие, как вихри различных масштабов, меандры, ринги, грибовидные течения и др.
Важным результатом первых наблюдений океана из космоса является выявленная космонавтами А. Г. Николаевым, В. И. Севастьяновым, Л. И. Поповым, И. В. Рюминым и другими возможность видеть рельеф дна.
Систематические наблюдения, проведенные В. В. Ковалёнком с борта «Салюта-6», позволили выявить наличие на поверхности Мирового океана различных уровней вод, воспринимаемых визуально. В дальнейшем различные уровни вод в Мировом океане наблюдали многие космонавты. Это привлекло внимание многих исследователей.
Отклонения поверхности океана от формы идеального геоида, связанные с пространственными вариациями силы тяжести, были известны давно. Однако анализ результатов наблюдений космонавтов показал, что характер этих отклонений свидетельствует не только о пространственных, но и о временных вариациях силы тяжести. В регионах океана с положительными вариациями силы тяжести образуются повышенные уровни вод («своды», «горбы», «валы»), а в регионах с отрицательными вариациями силы тяжести — пониженные («ложбины», «впадины»). Взаимосвязь между уровнями вод и силой тяжести используется для поисков залежей углеводородов в морях и океанах.
Именно исследования океана с борта пилотируемых космических кораблей, а затем и автоматических космических аппаратов позволили сформировать в дальнейшем многие научные направления современной океанологии, которые часто объединяются понятием «спутниковая океанология».
Метеорологические исследования
Впервые увидел облака из космоса Гагарин. По его рассказам, очень хорошо наблюдались как и сами облака, так и тени от них на земной поверхности. Г. С. Титов первым провел их киносъемку на фоне в августе 1961 года. А вот грозовые явления из космоса впервые увидели А. Г. Николаев и П. Р. Попович с борта кораблей «Восток-3» и «Восток-4» в августе 1962 года. В дальнейшем облака, облачные образования и грозовые явления исследовали все советские космонавты. На основании результатов, полученных при наблюдениях с космических кораблей «Восток» и «Восход», была разработана программа метеорологических исследований с кораблей «Союз», а в дальнейшем и орбитальных станций «Салют» и «Мир». Программа предусматривала проведение большого объема визуальных наблюдений и фотографирование облачного покрова, тайфунов и грозовых явлений. Осуществление этой программы было начато Г. Т. Береговым во время полета корабля «Союз-3» в октябре 1968 года. Береговой одним из первых выявил из космоса циклонические образования в тропических широтах — тайфуны, являющиеся одними из наиболее опасных природных катастроф.
Уже в январе 1969 года сообщения экипажей космических кораблей «Союз-4» и «Союз-5» позволили в ряде случаев уточнить положение циклонов и рассчитать скорости их движения. Эти работы были продолжены экипажами трех кораблей — «Союз-6», «Союз-7» и «Союз-8». Во время группового полета в октябре 1969 года Г. С. Шонин наблюдал огромные грозовые поля с тысячами одновременно
бушующих вспышек. В. А. Шаталов и А. С. Елисеев обнаружили мощные циклоны над Африкой и юго-западнее Великобритании, фотографировали ураганы у берегов Северной Америки, мощный тайфун у берегов Камчатки и Сахалина. Много внимания грозовым явлениям, а также облачному покрову над морями и океанами, в том числе тропическим циклонам, уделяли В. В. Ковалёнок и А. С. Иванченков во время полета на орбитальной станции «Салют-6». В дальнейшем тропические циклоны наблюдали многие космонавты. По данным наблюдений В. В. Ковалёнка, крупномасштабная структура движения облаков нижнего яруса подчеркивает направление движения мощных океанических течений. Особое внимание было уделено атмосферным процессам в районе Бермудского треугольника (Атлантическая зона тропического циклогенеза). По наблюдениям В. В. Ковалёнка, в этом районе циклонические образования возникают при встрече не двух воздушных потоков с севера и юга, а трех.Ни корабельные, ни самолетные наблюдения не позволили обнаружить подобные особенности этого региона, своевременно предсказать характер атмосферных процессов и предупредить о надвигающейся опасности. Систематические исследования тропических циклонов проводил А. Ю. Калери с борта ДОС «Мир» в 1992 году, а также другими космонавтами с борта МКС. Тропические циклоны, как правило, наблюдались из космоса в виде дисков диаметром от нескольких сотен до почти тысячи километров. Ночью эти образования подчеркивались интенсивной грозовой деятельностью, которая чаще всего носила очаговый характер, но иногда охватывала весь циклон.
Наблюдения космонавтов за тропическими циклонами подтвердили представления о районах и причинах их образования и в то же время позволили выявить новые детали. Результаты этих исследований позволили расширить методические возможности дистанционного зондирования из космоса этих катастрофических природных явлений.
Экологический мониторинг
Из космоса хорошо просматриваются многие источники природных и антропогенных загрязнений атмосферы,
океана и поверхности Земли. Одним из первых обратил внимание на желтоватые шлейфы дымов химических предприятий, связанных с производством азотной кислоты, А. А. Леонов во время полета на космическом корабле «Восход-2» в марте 1965 года. В дальнейшем их наблюдали многие космонавты. В июне 1971 года В. Н. Волков впервые наблюдал черные шлейфы от газовых факелов на нефтепромыслах Аравийского полуострова. Газовые факелы наблюдали также Б. В. Волынов, В. М. Жолобов, В. Н. Кубасов при полете на орбитальных
станциях «Салют-5», «Салют-6». Реализация проекта мониторинга Земли, прежде всего в экологических целях, а также для изучения природных ресурсов, прогнозирования и оценки последствий природных и техногенных катастроф (проект «Ураган») началась еще на орбитальном комплексе «Мир», а в дальнейшем она была продолжена с борта Международной космической станции.
Здесь приведены лишь отдельные примеры некоторых результатов, полученных с борта пилотируемых космических кораблей и долговременных орбитальных станций. К ним можно добавить множество современных примеров, связанных с мониторингом природных катастроф(природных пожаров, извержений вулканов, землетрясений, наводнений, сходов лавин, пыльных бурь и
др.), исследованиями криосферы Земли, водных ресурсов, озоносферы и многих других направлений, вклад в которые пилотируемой космонавтики трудно переоценить.
Результаты, полученные космонавтами за полувековой период времени, явились основой разработок многих инновационных методов и технологий дистанционного зондирования Земли, они дополняют результаты, получаемые с борта беспилотных автоматических космических аппаратов и позволяют поставлять важную информацию, необходимую для проведения исследования как в интересах различных наук о Земле, так и разных отраслей экономики.
Бондур В.Г. «ОБЪЕКТИВный взгляд на Землю» в журнале «Российский космос», №7, 2011 г., стр. 40–49.
ОБЪЕКТИВНЫЙ ВЗГЛЯД НА ЗЕМЛЮ
Исполнилось 50 лет со дня первого полета человека в космос. Это событие явилось триумфом отечественной науки и техники. Оно вызвало небывалый энтузиазм, творческий подъем, заслуженную гордость всего советского народа и получило всемирное признание. Полет Гагарина положил также начало исследованиям нашей планеты с борта пилотируемых космических аппаратов. И сегодня самое время проанализировать основные достижения отечественной пилотируемой космонавтики, связанные с дистанционным зондированием Земли из космоса, так как наша страна является не только пионером освоения космоса, но и долгое время занимала лидирующую позицию в мире и в этой области. Слово академику Валерию Бондуру.
С поверхности Земли и даже с самолета нелегко охватить различные крупномасштабные процессы, происходящие в атмосфере, океанах, на суше и в геологической среде. И только с началом космической эры перед человеком открылись широчайшие возможности для изучения нашей планеты в глобальном масштабе в широком диапазоне спектра электромагнитных волн. В процессе исследований Земли из космоса отдельные кубики стали укладываться в красочную и очень информативную картину.
После эпохального полета Юрий Гагарин подробно описал свои ощущения и наблюдения Земли, которые в дальнейшем легли в основу подготовки космонавтов к визуально-инструментальным наблюдениям из космоса.
Начиная с полета Германа Титова в августе 1961 года на космическом корабле «Восток-2», 5 0-летие которого также исполнилось в этом году, для исследований Земли широко применялись фотографические аппараты, ручные спектрометрические приборы и кинокамеры. С появлением долговременных орбитальных станций, начиная с 1971 года, стали применяться стационарные многозональные шести- и девятиобъективные камеры и другая аппаратура.
Из космоса хорошо просматривалась связь между структурными и динамическими процессами и образованиями в атмосфере, океане и литосфере Земли. Результаты исследований из космоса стали все более широко использоваться не только в интересах наук о Земле, но и в интересах народного хозяйства. Приведем некоторые примеры таких исследований.
Геологические исследования
Геологические эксперименты входили в программы полета ряда кораблей серий «Союз», а также в программы ДОС «Салют», «Мир», а в настоящее время и
МКС. Еще в 1969 году с борта космических кораблей «Союз-6», «Союз-7» и «Союз-8» проводились фотосъемки геологических образований восточного побережья Каспийского моря. С борта корабля «Союз-9» В. И. Севастьянов получил большое число космических изображений геологических объектов в южных районах европейской части СССР, в Казахстане, а также в Западной Сибири. Экипажу ДОС «Салют-5» Б. В. Волынову и В. М. Жолобову было поручено наблюдение Севанского разлома для оценки его продолжений в обе стороны от озера. В. В. Ковалёнок и А. С. Иванченков с борта ДОС «Салют-6» установили, что к северу от Омана в пределах горного хребта Загроса субмеридиональные тектонические линии пересекают структуры Альпийско-Гималайского складчатого пояса. Тем самым космонавты подтвердили существование Урало-Оманского суперлинеамента. А. Н. Березовой и В. В. Лебедев с борта ДОС «Салют-7» проводили исследования крупных кольцевых структур, разломов земной коры и других геологических объектов. Они проследили на левом берегу Волги продолжение так называемого Астраханского свода — пологого поднятия земной коры.
Одним из наиболее интересных открытий, сделанных с непосредственным участием космонавтов, стало обнаружение огромного количества кольцевых структур и линеаментов. Вся поверхность Земли оказалась буквально испещренной этими образованиями, имеющими разные размеры. Изучение направлений линеаментов показало, что они отражают строение каркаса земной коры и его современную динамическую напряженность. Характеристики этих геологических структур, обнаруживаемых из космоса, позволяют исследовать многие природные ресурсы Земли, а изучение динамики линеаментов, регистрируемых на космических изображениях, позволяет проводить мониторинг сейсмоопасных районов и регистрировать краткосрочные предвестники сильных землетрясений.
Съемки из космоса положили начало работам по космофотогеологическому картированию. На картах были нанесены геологические объекты, зарегистрированные на космических сним-ках: кольцевые структуры, линеаменты и другие объекты. Например, по изображениям, полученным П. И. Климуком и В. И. Севастьяновым, была создана карта Арало-Каспийского региона. В дальнейшем были созданы и другие региональные космогеологические карты, а также космогеологическая карта СССР, высоко оцененная специалистами во всем мире. На ней нанесено более четырех тысяч кольцевых структур. Такого рода исследования проводятся и в настоящее время.
Исследования атмосферы
Космические орбиты оказались исключительно удобными для изучения атмосферы, в том числе стратосферных аэрозольных слоев, эмиссионного излучения верхней атмосферы, серебристых облаков, полярных сияний, зодиакального света, пылевых облаков и многих других явлений. Исследования вертикальной структуры атмосферы удобно проводить при наблюдениях из космоса горизонта Земли.
Первым из космонавтов дневной горизонт наблюдал опять же Гагарин. Он увидел очень красивый голубой ореол с плавными переходами цветов от нежно-голубого к голубому, синему, фиолетовому до совершенно черного цвета космоса. Детальную картину дневного горизонта Земли описал К. П. Феоктистов по результатам наблюдений, проведенных 12-13 октября 1964 года с борта космического корабля «Восход». По его словам, дневной горизонт — светлый, беловатый, а потом становится голубым, еще выше находится слой с повышенным содержанием аэрозоля. Иногда он наблюдал несколько таких слоев, и тогда атмосфера напоминала слоеный пирог. Наблюдения за дневным горизонтом проводили также П. И. Климук и В. И. Севастьянов во время полета на орбитальной станции «Салют-4» в мае-июне 1975 года. Результаты этих наблюдений показали, что обычно при угле Солнца, составляющем около 45° над горизонтом и ниже, всегда виден один или два белесых слоя яркости. Иногда верхний из них — второй стратосферный аэрозольный слой, который расположен на высоте 30-35 км, — делился синим фоном, тогда появлялись три слоя яркости. Синие полоски между слоями — зоны с меньшей плотностью аэрозоля.
Наиболее мощные аэрозольные образования и большая часть атмосферной воды сосредоточены в тропосфере на высотах до 8-18 км. Поэтому здесь в основном и образуются все облака. Еще выше, в стратосфере, могут существовать перламутровые (радужные) облака, а на верхней границе мезосферы (в мезопаузе) серебристые облака. Результаты визуальных наблюдений, проводимых первыми космонавтами, дополнились последующими измерениями с помощью различной аппаратуры, установленной на пилотируемых и автоматических аппаратах.
Видимое свечение ночной атмосферы, наблюдаемое на высотах более 70-80 км, сосредоточено в основном в двух
слоях: сравнительно узком первом эмиссионном слое (высоты 80-100 км), расположенном в Е-области ионосферы и во втором эмиссионном слое (высоты 200-350 км), расположенном в F-области ионосферы. Свечение первого эмиссионного слоя ночной атмосферы первым из отечественных космонавтов обнаружил К. П. Феоктистов в октябре 1964 года. В дальнейшем его наблюдали многие советские космонавты и американские астронавты. Сложную структуру первого эмиссионного слоя впервые выявил А. С. Елисеев во время полета на корабле «Союз-8» в октябре1969 года. Детальные исследования его расслоения были выполнены Г. М. Гречко с борта орбитальной станции «Салют-6» в феврале 1978 года. С космического корабля «Союз-12» в сентябре 1973 года В. Г. Лазарев и О. Г. Макаров первыми наблюдали свечение второго эмиссионного слоя ночной атмосферы при полете над экваториальными широтами. Совершенно неожиданные результаты были получены В. В. Ковалёнком и А. С. Иванченковым в июле-октябре 1978 года с борта орбитальной станции «Салют-6». Они выявили свечение практически в планетарном масштабе. Эти работы были продолжены В. В. Ковалёнком и В. П. Савиных во время полета на «Салюте-6» в мае 1981 года. Существование горизонтальной неоднородности свечения, выявленное космонавтами, было подтверждено как комплексными радиофизическими исследованиями, так и исследованиями с Земли изменчивости эмиссий атомарного кислорода в спектре излучения ночного неба.
Серебристые облака
Облака-высотники на сумеречном горизонте Земли впервые наблюдал В. И. Севастьянов 9 июня 1970 года с борта космического корабля «Союз-9». Во время полета на орбитальной станции «Салют-4» П. И. Климуком и В. И. Севастьяновым в 1975 году была выполнена широкая программа инструментальных исследований, визуальных наблюдений и фотографирования серебристых облаков на сумеречном горизонте Земли. Одновременно с ними наблюдения проводились с ряда наземных станций Советского Союза и Западной Европы. Особенно протяженные поля серебристых облаков были выявлены 3-4 июля 1975 года на девяти витках подряд. Наблюдения П. И. Климука и В. И. Севастьянова подтвердили возможность появления полей серебристых облаков, имеющих многослойную структуру.
Большой объем исследований серебристых облаков был выполнен советскими космонавтами с борта орбитальной станции «Салют-6». С 23 декабря 1977 года по 2 февраля 1978 года Ю. В. Романенко и Г. М. Гречко проводили визуальные наблюдения и фотографирование облаков в южном полушарии на 128 витках полета станции. Возможность появления столь обширных полей серебристых облаков в настоящее время является общепризнанной.
Основному экипажу пятой экспедиции на орбитальной станции «Салют-6» (В. В. Ковалёнок и В. П. Савиных) было специально поручено проведение
наблюдений и фотографирование серебристых облаков на низких и экваториальных широтах. Проведенные исследования позволили уточнить природу возникновения этих облаков. Что касается вулканической гипотезы их происхождения, то интересно отметить, что большая часть наблюдений серебристых облаков, выполненных В. В. Ковалёнком и В. П. Савиных, была проведена над районами с активной вулканической и сейсмической деятельностью (западное побережье Тихого океана, Яванская дуга и др.) Во время полета на орбитальной станции «Салют-7» В. П. Савиных 13 ноября 1985 года удалось наблюдать возникновение и развитие аэрозольных образований в стратосфере, мезосфере и мезопаузе из газопепловой колонны, образовавшейся во время мощного извержения вулкана Руис (5400 м) в Колумбии. Такое возмущение в мезосфере могло быть связано как непосредственно с тепловым воздействием, так и турбулизацией мезосферы, а также с интенсивными волновыми движениями или с восходящими токами, которые могут вызвать не только нагревание, но и последующее локальное охлаждение в области мезопаузы. Большой объем экспериментов по исследованию серебристых облаков был проведен также А. С. Викторенко и А. Ю. Калери с борта ДОС «Мир» в марте-августе 1992 года. Результаты наблюдений полярных мезосферных облаков при углах рассеяния 100-180° подтверждают предположения о том, что они состоят из частиц с размерами в десятки нанометров.
Во время экспериментов с пилотируемых космических кораблей не только впервые были обнаружены серебристые облака, установлены их размеры, форма и время существования, но и выявлена их связь с вторжением «мини-комет».
Природа происхождения серебристых облаков была выявлена после того, как был обнаружен приток в атмосферу Земли из космоса огромного количества (примерно раз в 20 минут) снежных ядер «мини-комет». Вход в атмосферу Земли снежного ядра «мини-кометы» впервые наблюдал 26 сентября 1990 года Г. М. Стрекалов с борта орбитального комплекса «Мир».
При средней массе ядра около 100 т они должны приносить в атмосферу Земли до 3×106 т паров воды в сутки. Этого достаточно для конденсации водяного пара при температуре 160-170 К. «Мини-кометы» могут приносить с собой также очень большое количество рыхлых пылинок с массами примерно 10-14 г (наиболее эффективных ядер конденсации), которых относительно мало в межпланетном пространстве.
Исследование океана
Доступными для изучения из космоса объектами гидросферы оказались прежде всего фронты и фронтальные зоны, крупные течения и океанические
вихри, зоны апвеллинга, участки повышенного и пониженного уровня водной поверхности, районы высокой биопродуктивности. При наблюдении из космоса контрасты яркости возникают в морях и океанах из-за различий оптически активных компонентов, главным образом планктона и взвесей, а также за счет различия пространственной структуры взволнованной поверхности в различных ее участках. При этом течения, вихри, сликовые полосы на воде лучше всего видны при невысоком положении Солнца над горизонтом. Именно из космоса впервые были обнаружены многие явления на поверхности океана, в том числе такие, как вихри различных масштабов, меандры, ринги, грибовидные течения и др.
Важным результатом первых наблюдений океана из космоса является выявленная космонавтами А. Г. Николаевым, В. И. Севастьяновым, Л. И. Поповым, И. В. Рюминым и другими возможность видеть рельеф дна.
Систематические наблюдения, проведенные В. В. Ковалёнком с борта «Салюта-6», позволили выявить наличие на поверхности Мирового океана различных уровней вод, воспринимаемых визуально. В дальнейшем различные уровни вод в Мировом океане наблюдали многие космонавты. Это привлекло внимание многих исследователей.
Отклонения поверхности океана от формы идеального геоида, связанные с пространственными вариациями силы тяжести, были известны давно. Однако анализ результатов наблюдений космонавтов показал, что характер этих отклонений свидетельствует не только о пространственных, но и о временных вариациях силы тяжести. В регионах океана с положительными вариациями силы тяжести образуются повышенные уровни вод («своды», «горбы», «валы»), а в регионах с отрицательными вариациями силы тяжести — пониженные («ложбины», «впадины»). Взаимосвязь между уровнями вод и силой тяжести используется для поисков залежей углеводородов в морях и океанах.
Именно исследования океана с борта пилотируемых космических кораблей, а затем и автоматических космических аппаратов позволили сформировать в дальнейшем многие научные направления современной океанологии, которые часто объединяются понятием «спутниковая океанология».
Метеорологические исследования
Впервые увидел облака из космоса Гагарин. По его рассказам, очень хорошо наблюдались как и сами облака, так и тени от них на земной поверхности. Г. С. Титов первым провел их киносъемку на фоне в августе 1961 года. А вот грозовые явления из космоса впервые увидели А. Г. Николаев и П. Р. Попович с борта кораблей «Восток-3» и «Восток-4» в августе 1962 года. В дальнейшем облака, облачные образования и грозовые явления исследовали все советские космонавты. На основании результатов, полученных при наблюдениях с космических кораблей «Восток» и «Восход», была разработана программа метеорологических исследований с кораблей «Союз», а в дальнейшем и орбитальных станций «Салют» и «Мир». Программа предусматривала проведение большого объема визуальных наблюдений и фотографирование облачного покрова, тайфунов и грозовых явлений. Осуществление этой программы было начато Г. Т. Береговым во время полета корабля «Союз-3» в октябре 1968 года. Береговой одним из первых выявил из космоса циклонические образования в тропических широтах — тайфуны, являющиеся одними из наиболее опасных природных катастроф.
Уже в январе 1969 года сообщения экипажей космических кораблей «Союз-4» и «Союз-5» позволили в ряде случаев уточнить положение циклонов и рассчитать скорости их движения. Эти работы были продолжены экипажами трех кораблей — «Союз-6», «Союз-7» и «Союз-8». Во время группового полета в октябре 1969 года Г. С. Шонин наблюдал огромные грозовые поля с тысячами одновременно
бушующих вспышек. В. А. Шаталов и А. С. Елисеев обнаружили мощные циклоны над Африкой и юго-западнее Великобритании, фотографировали ураганы у берегов Северной Америки, мощный тайфун у берегов Камчатки и Сахалина. Много внимания грозовым явлениям, а также облачному покрову над морями и океанами, в том числе тропическим циклонам, уделяли В. В. Ковалёнок и А. С. Иванченков во время полета на орбитальной станции «Салют-6». В дальнейшем тропические циклоны наблюдали многие космонавты. По данным наблюдений В. В. Ковалёнка, крупномасштабная структура движения облаков нижнего яруса подчеркивает направление движения мощных океанических течений. Особое внимание было уделено атмосферным процессам в районе Бермудского треугольника (Атлантическая зона тропического циклогенеза). По наблюдениям В. В. Ковалёнка, в этом районе циклонические образования возникают при встрече не двух воздушных потоков с севера и юга, а трех.Ни корабельные, ни самолетные наблюдения не позволили обнаружить подобные особенности этого региона, своевременно предсказать характер атмосферных процессов и предупредить о надвигающейся опасности. Систематические исследования тропических циклонов проводил А. Ю. Калери с борта ДОС «Мир» в 1992 году, а также другими космонавтами с борта МКС. Тропические циклоны, как правило, наблюдались из космоса в виде дисков диаметром от нескольких сотен до почти тысячи километров. Ночью эти образования подчеркивались интенсивной грозовой деятельностью, которая чаще всего носила очаговый характер, но иногда охватывала весь циклон.
Наблюдения космонавтов за тропическими циклонами подтвердили представления о районах и причинах их образования и в то же время позволили выявить новые детали. Результаты этих исследований позволили расширить методические возможности дистанционного зондирования из космоса этих катастрофических природных явлений.
Экологический мониторинг
Из космоса хорошо просматриваются многие источники природных и антропогенных загрязнений атмосферы,
океана и поверхности Земли. Одним из первых обратил внимание на желтоватые шлейфы дымов химических предприятий, связанных с производством азотной кислоты, А. А. Леонов во время полета на космическом корабле «Восход-2» в марте 1965 года. В дальнейшем их наблюдали многие космонавты. В июне 1971 года В. Н. Волков впервые наблюдал черные шлейфы от газовых факелов на нефтепромыслах Аравийского полуострова. Газовые факелы наблюдали также Б. В. Волынов, В. М. Жолобов, В. Н. Кубасов при полете на орбитальных
станциях «Салют-5», «Салют-6». Реализация проекта мониторинга Земли, прежде всего в экологических целях, а также для изучения природных ресурсов, прогнозирования и оценки последствий природных и техногенных катастроф (проект «Ураган») началась еще на орбитальном комплексе «Мир», а в дальнейшем она была продолжена с борта Международной космической станции.
Здесь приведены лишь отдельные примеры некоторых результатов, полученных с борта пилотируемых космических кораблей и долговременных орбитальных станций. К ним можно добавить множество современных примеров, связанных с мониторингом природных катастроф(природных пожаров, извержений вулканов, землетрясений, наводнений, сходов лавин, пыльных бурь и
др.), исследованиями криосферы Земли, водных ресурсов, озоносферы и многих других направлений, вклад в которые пилотируемой космонавтики трудно переоценить.
Результаты, полученные космонавтами за полувековой период времени, явились основой разработок многих инновационных методов и технологий дистанционного зондирования Земли, они дополняют результаты, получаемые с борта беспилотных автоматических космических аппаратов и позволяют поставлять важную информацию, необходимую для проведения исследования как в интересах различных наук о Земле, так и разных отраслей экономики.
