Мобильная версия
назад
Академик Бондур о 50-летии полёта Гагарина в космос.
Дистанционное зондирование Земли с отечественных пилотируемых космических кораблей и долговременных орбитальных станций
12 апреля 2011 г. исполняется 50 лет со дня первого полета человека в космос. Первым в мире космонавтом стал наш соотечественник - Юрий Алексеевич Гагарин, который совершил облет Земли на пилотируемом космическом корабле «Восток-1». Это событие было триумфом отечественной науки и техники. Оно вызвало небывалый энтузиазм, творческий подъем, заслуженную гордость всего народа нашей страны и получило всемирное признание. К этому Великому подвигу причастны не только творцы космонавтики – главный конструктор С.П. Королев, «главный теоретик» М.В. Келдыш, первые герои-космонавты, но и многие конструкторы, ученые, военные, инженеры, рабочие, которые своим самоотверженным творческим трудом способствовали прорыву советского человека в космос. Не зря 50-ти летие этого исторического события признано Организацией объединенных наций и 12 апреля 2011 год стало Международным днем полета человека в космос.
Полет Гагарина стал не только первым выходом человека в космическое пространство, но и положил начало исследованиям Земли с борта пилотируемых космических аппаратов. Не умаляя достижения других стран (прежде всего США, стран Европы, Японии, Китая, Индии и др.) в области космических исследований, проанализируем основные достижения отечественной пилотируемой космонавтики, связанные с дистанционным зондированием Земли из космоса. Это обусловлено тем, что наша страна является не только пионером освоения космоса, но и долгое время занимала лидирующую позицию в мире в этой области.
Годы освоения космоса можно весьма условно разделить на несколько этапов. Вначале был прорыв в космос, преследовавший цель преодолеть земное
притяжение. Это и запуски первых искусственных спутников Земли, и первые полеты человека в космос. Второй этап — исследование околоземного космического пространства и изучение поведения человека в условиях космического полета, анализ возможности жизни и работы в условиях невесомости. На третьем этапе стало выделяться одно преимущественно направление, связанное с изучением нашей планеты из космоса и использование полученной информации на благо человека. Если раньше люди смотрели на небо с Земли, то теперь пришла пора взглянуть с неба на Землю. Отдельными направлениями космической деятельности являются исследования Солнца, Луны, планет, и дальнего космоса, медико-биологические и технологические исследования, а также, исследования Земли с автоматических космических аппаратов. В связи с 50-летием полета Ю.А. Гагарина, остановимся на дистанционном зондировании Земли с борта пилотируемых космических кораблей и долговременных орбитальных станций.
До начала освоения космоса нас, землян, можно было сравнить с людьми, складывающими из мелких разнородных кубиков большую и во многом неясную мозаичную картину. Действительно, с поверхности Земли и даже с самолета нелегко охватить различные крупномасштабные процессы, происходящие в атмосфере, океанах, на суше и в геологической среде. А через сравнительно узкие по спектру окна прозрачности атмосферы совсем непросто проводить исследования околоземного пространства, ближнего и дальнего космоса. И только с началом космической эры перед человеком открылись широчайшие возможности для изучения не только нашей планеты, но и космического пространства в широком диапазоне спектра электромагнитных волн. В процессе исследований Земли из космоса - отдельные кубики стали укладываться в красочную весьма информативную картину.
Бурное развитие космической деятельности, в том числе пилотируемой космонавтики, способствовало резкому увеличению потока
новой научной информации, что вызвало интенсивный рост исследований практически во всех областях фундаментальных и прикладных наук, связанных с изучением Земли. Земная поверхность, моря, океаны и атмосфера под воздействием природных и антропогенных факторов постоянно преобразуется. Поэтому возникает необходимость регулярного слежения за пространственно-временными особенностями этих изменений. Важнейшую роль в решении этой проблемы играет дистанционное зондирование Земли из космоса.
После завершения эпохального полета Ю.А. Гагарин подробно описал свои ощущения и наблюдения Земли, которые в дальнейшем легли в основу подготовки космонавтов к визуально-инструментальным наблюдениям нашей планеты из космоса. Одними из первых космических экспериментов по дистанционному зондированию Земли, были фотосъемки с борта пилотируемых космических кораблей.
Начиная с полета Г.А. Титова в августе 1961 г. на космическом корабле «Восток-2», на советских космических кораблях широко использовались фотографические аппараты, ручные спектрометрические приборы и кинокамеры. Получаемая космонавтами визуально-инструментальная информация стала широко применяться в интересах научных исследований, а также различных отраслей народного хозяйства. Разнообразная исследовательская аппаратура, установленная на отечественных пилотируемых космических кораблях «Восток», «Восход», «Союз», а также на долговременных орбитальных станциях (ДОС) «Салют», «Мир», Международной космической станции «МКС» позволила получить важную информацию об облике нашей планеты и ее отдельных оболочках: атмосфере, гидросфере, литосфере.
С появлением долговременных орбитальных станций, начиная с 1971 г., наряду с ручными фотокамерами «Зенит-3М» со сменными объективами, исследуемыми на космических кораблях «Восток» и «Восход», стали применяться стационарные многозональные шести- и девяти объективные камеры для получения более детальной информации о природных объектах Земли. Это позволило решать также задачи, как, например, выявление различных стадий вегетации растений, определение типов растительности, изучение различных явлений на поверхности океана, исследования морфологических особенностей поверхности Земли, анализ состояния атмосферы и др. В 1976 г. на космическом аппарате «Союз-2», пилотируемом космонавтами В. Быковским и В. Аксеновым, прошла экспериментальную отработку стационарная многозональная камера МКФ-6, совместного производства СССР и ГДР, которая в дальнейшем устанавливалась на ДОС «Салют-6» (1978 г.), «Салют-7»(1983 г.) и «Мир»(1996 г.).
Дистанционное зондирование Земли с борта пилотируемых космических кораблей и долговременных орбитальных станций имеет ряд отличительных особенностей, основными из которых являются:
- обеспечение широких возможностей для проведения научных исследований и экспериментов по изучению Земли из космоса;
-расширение спектра решаемых задач за счет использования интеллектуальных и психофизических возможностей человека;
-сочетание инструментальных измерений и визуальных наблюдений;
-наилучшие условия для апробации новых методов и средств дистанционного зондирования;
-возможности адаптации методик и аппаратных средств при исследованиях редких и неизвестных явлений;
-возможности проведения мониторинга многих процессов и явлений в океане, атмосфере и на суше в средних широтах;
-возможности проведения астрофизических исследований и технологических экспериментов в космосе;
-возможности осуществления медико-биологических исследований для оценки влияния факторов длительных космических полетов на организм человека;
-возможности осуществления ремонта и оперативной замены приборов и оборудования в полете.
В последующие годы, как в отечественной, так и в зарубежной космонавтике все большую роль стали играть специально сформированные программы дистанционного исследования Земли с борта пилотируемых кораблей и долговременных орбитальных станций, а также автоматических искусственных спутников Земли. Разработан и реализован ряд крупных международных и отечественных программ, посвященных фундаментальным комплексным исследованиям Земли с использованием космической информации, таких, например как: Международная геосферно-биосферная программа; Всемирная программа «Глобальные изменения»; Программа глобального мониторинга Земли в интересах охраны окружающей среды и безопасности; Программы «Интеркосмос»,; Программа биосферных и экологических исследований Академии наук СССР; Программа изучения роли океанов в короткопериодных изменениях климата «Разрезы»; Программа «Миссия на планете Земля» и многие другие. В настоящее время в рамках Федеральной целевой космической программы России на борту Международной космической станции проводились и проводятся серии экспериментов связанных с исследованием природных ресурсов Земли, экологическим мониторингом, исследованием океана, геофизическими исследованиями, мониторингом природных катастроф, например, эксперименты: "Русалка", "Сейнер", "Диатомея", "Экон", "Релаксация", "Ураган", "Всплеск", "Молния-Гамма", "СВЧ-радиометрия", "Радар-Прогресс" и др.
Результаты исследований с борта пилотируемых космических кораблей и долговременных орбитальных станций использовались учеными и специалистами во многих областях, связанных с науками о Земле. Из космоса хорошо просматривается связь между структурными и динамическими процессами и образованиями в атмосфере, океане и литосфере Земли. Особенно четко видно взаимодействие крупномасштабных динамических образований в атмосфере и гидросфере, изучение которых возможно только с космических орбит. Результаты этих исследований все более широко использовались не только в интересах наук о Земле, но и в интересах народного хозяйства. Приведем некоторые примеры таких исследований.
Геологические исследования.
Геологические эксперименты входили в программу полета ряда кораблей серий «Союз», а также в программу ДОС «Салют» и «Мир». Еще в 1969 г. 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 геолого-географических объектов в южных районах европейской части СССР, в Казахстане, Западной Сибири. Экипажу первой экспедиции ДОС «Салют-5» Б. В. Волынову и В. М. Жолобову было поручено наблюдение Севанского разлома с тем, чтобы проследить его продолжение в обе стороны от озера. По заданию геологов В.В. Коваленок и А.С. Иванченков с борта ДОС «Салют-6» проводили исследования южного отрезка огромного Урало-Оманского линеамента. Они показали, 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. По заданиям геологов члены экипажа первой экспедиции ДОС «Салют-7» А.Н. Березовой и В.В. Лебедев проводили исследования крупных кольцевых структур, разломов земной коры и других геологических объектов. Им было поручено проследить на левом берегу Волги продолжение
так называемого Астраханского свода — пологого поднятия земной коры.
Одним из наиболее интересных открытий, сделанных с непосредственным участием советских космонавтов, стало обнаружение огромного количества кольцевых структур и линеаментов. Вся поверхность Земли оказалась буквально испещренной этими образованиями разных размеров. Изучение направлений линеаментов, которые во многих случаях представляют собой разломы и видимые разрывы, 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.
Съемки из космоса позволили начать работы по космофотогеологическому картированию. На полученных этим методом картах были нанесены геологические объекты, зарегистрированные на космических снимках: 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 космогеологические карты, в том числе 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 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 видимого горизонта Земли. Первым из космонавтов дневной горизонт наблюдал Ю.А. Гагарин. Он увидел очень красивый голубой ореол с плавными переходами цветов от нежно-голубого к голубому, синему, фиолетовому до совершенно черного цвета космоса. Такую же картину с плавными переходами цветов увидел Г. С. Титов с космического корабля «Восток-2» 6 и 7 августа 1961 года, а в дальнейшем и другие космонавты и астронавты.
Более детальную картину дневного горизонта Земли описал К.П. Феоктистов. По результатам наблюдений 12—13 октября 1964 года с борта космического корабля «Восход». По его словам, дневной горизонт светлый, беловатый, а потом становится голубым. Еще выше космонавт увидел слой с повышенным содержанием аэрозоля — верхний слой яркости. Иногда он наблюдал несколько таких слоев, и когда у горизонта их было видно три, атмосфера напоминала слоеный пирог. Наблюдения за дневным горизонтом проводил также П. И. Климук во время своего второго полета с В. И. Севастьяновым на орбитальной станции «Салют-4» в мае – июне 1975 года. Результаты этих наблюдений показали, что обычно при угле Солнца над горизонтом, который составляет около 45° и ниже, всегда виден один или два белесых слоя яркости. Иногда верхний из них делится синим фоном, тогда появляется три слоя яркости. Всегда нижний слой - четкий и тонкий, а верхний бледнее, расплывчатый, разлохмаченный. Иногда на высоте второго слоя яркости виден не один, а два расплывчатых и разлохмаченных слоя, разделенных синей полоской. Это второй стратосферный аэрозольный слой, расположен на высоте 30-35 км. Синие полоски между ними – 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, на высотах 2-3 км, могут существовать перламутровые (радужные) облака, а на верхней границе мезосферы (в мезопаузе) серебристые облака. Результаты визуальных наблюдений, проводимых первыми космонавтами, дополнились последующими нимбовыми измерениями с помощью различной аппаратуры, установленной на пилотируемых автоматических аппаратах.
Наиболее плодотворные визуальные наблюдения были проведены в верхней ионосфере Земли (ее F область), там, где проходят орбиты всех пилотируемых космических полетов. Именно здесь космонавтами были получены важные, неизвестные до этого, результаты, несмотря на многочисленные измерения, проведенные специальной оптико-электронной аппаратурой с автоматических спутников и с наземных радиофизических и оптических обсерваторий. Эти результаты способствовали формированию современного представления о строении и свойствах ионосферы Земли.
Исследования ночной атмосферы.
Видимое свечение ночной атмосферы наблюдается на высотах более 70-80 км и сосредоточено в основном в двух слоях: сравнительно узком первом эмиссионном слое, расположенном в Е-области ионосферы на высотах примерно 80-100 км, и во втором эмиссионном слое, расположенном в F-области ионосферы на высотах примерно 200-350 км. Свечение первого эмиссионного слоя ночной атмосферы первым из советских космонавтов обнаружил К.П. Феоктистов во время полета на космическом корабле «Восход» 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 космического полета на корабле «Союз-8» в октябре 1969 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. Позже его исследовали многие советские космонавты.
Горизонтальную неоднородность свечения верхней атмосферы впервые отметил Г.Т. Береговой с космического корабля «Союз-3» в октябре 1968 года. В дальнейшем ее исследовали А.Г. Николаев и В.И. Севастьянов с космического корабля «Союз-9» в июне 1970 года, а также экипажи орбитальных станций «Салют-4» в июне – июле 1975 года и «Салют-6» в марте 1981 года. До 1978 года второй эмиссионный слой ночной атмосферы космонавты наблюдали только на экваториальных широтах. Совершенно неожиданные результаты были получены основным экипажем второй экспедиции орбитальной станции «Салют-6» В.В. Коваленком и А.С. Иванченковым в июле-октябре 1978 года. Они отметили свечение практически в планетарном масштабе. Эти работы были продолжены В.В. Коваленком и В. П. Савиных во время пятой экспедиции на «Салюте-6» в мае 1981 года. Существование горизонтальной неоднородности свечения было подтверждено как комплексными радиофизическими исследованиями, так и исследованиями с Земли изменчивости эмиссий атомарного кислорода в спектре излучения ночного неба.
Сопоставление данных, полученных на орбите, и сведений о солнечной и магнитной активности позволили высказать предположение о механизме этого явления (Авакян С.В., Лазарев А.И). По их мнению, основным фактором, определяющим добавочное свечение ночной F-области во время вспышки на Солнце, является увеличение интенсивности рассеянного на ионах и атомах верхней атмосферы ультрафиолетового излучения солнечной вспышки. Это повышенное излучение, попадая в ночную ионосферу на высоте около 1000 км, способно производить ионизацию всей среднеширотной F-области, что и вызывает возрастание свечения второго эмиссионного слоя ночной атмосферы, расположенного в этой области.
С возрастанием уровня солнечной и магнитной активности яркость второго эмиссионного слоя возрастает до уровня, достаточного для наблюдений из космоса в планетарном масштабе. Интенсивность свечения ночной атмосферы оказалось весьма чувствительным индикатором солнечной и магнитной активности.
Серебристые (мезосферные) облака
Облака-высотники на сумеречном горизонте Земли впервые наблюдал из космоса В. И. Севастьянов 9 июня 1970 года с борта космического корабля «Союз-9», что продемонстрировало принципиальную возможность их исследования. 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. С 12 июня по 23 июля 1975 года они наблюдали и регистрировали это необычное явление 27 раз.
Одновременно с ними наблюдения проводились с ряда наземных станций Советского Союза и Западной Европы.
Особенно протяженные поля серебристых облаков были выявленны 3—4 июля 1975 года на девяти витках подряд. В эти дни наблюдения проводились и с наземных станций. Полученные результаты подтвердили ранее высказанное предположение о том, что необычные облака иногда образуют сплошную полосу, охватывающую в северном полушарии на соответствующих широтах более половины земного шара.
Наблюдения П. И. Климука и В. И. Севастьянова подтвердили возможность появления полей серебристых облаков, имеющих многослойную структуру.
Четырехканальным радиометром «Микрон» с борта ДОС «Салют-4» проводились и инструментальные исследования этих образований в ближайшей инфракрасной области спектра. Результаты измерений показали, что яркость серебристых облаков изменялась в несколько раз в зависимости от структуры и оптической толщины этих образований, а также от условий подсветки прямыми солнечными лучами и излучением сумеречного ореола атмосферы Земли.
Большой объем исследований серебристых облаков был выполнен советскими космонавтами с борта орбитальной научной станции «Салют-6». Основной экипаж первой экспедиции — Ю.В. Романенко и Г.М. Гречко — проводил визуальные наблюдения и фотографирование облаков с 23 декабря 1977 года по 2 февраля 1978 года в южном полушарии на 128 витках полета станции. Для южного полушария это предположение было подтверждено наблюдателями К.В. Романенко и Г.М. Гречко в январе 1978 года, проводившими эксперименты, с борта орбитальной станции «Салют-6». Возможность появления столь обширных полей серебристых облаков в настоящее время является общепризнанной.
Основному экипажу пятой экспедиции на орбитальной станции «Салют-6» (В.В. Коваленок и В.П. Савиных) было специально поручено проведение наблюдений и фотографирование серебристых облаков в низких и экваториальных широтах. Проведенные исследования позволили выявить природу возникновения этих облаков. С точки зрения вулканической гипотезы интересно отметить, что большая часть наблюдений серебристых облаков, выполненных В.В. Коваленком и В.П. Савиных, проведена над районами с активной вулканической и сейсмической деятельностью, такими, например, как западное побережье Тихого океана, Яванская дуга и др. Во время полета на орбитальной станции «Салют-7» В.П. Савиных 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 13 ноября 1985 года.
Такое возмущение в мезосфере могло быть связано как непосредственно с тепловым воздействием, так и турбулизацией мезосферы, возникновением интенсивных волновых движений или восходящих токов, которые могли вызвать не только нагревание, но и последующее локальное охлаждение в области мезопаузы.
Природа происхождения серебристых облаков была разрешена после того, как был обнаружен приток в атмосферу Земли из космоса огромного количества (примерно раз в 20 минуту) снежных ядер «мини-комет». При средней массе ядра около 100 т они должны приносить в атмосферу Земли в сутки до 3•106 т паров воды. 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, так как они выталкиваются из солнечной системы световым давлением. Вход в атмосферу Земли снежного ядра «мини-кометы» впервые наблюдал из космоса летчик-космонавт СССР Г.М. Стрекалов с борта орбитального комплекса «Мир» 26 сентября 1990 г.
Большой объем экспериментов по исследованию серебристых облаков проведен также А.С. Викторенко и А. Ю. Калери с борта ДОС «МИР» в марте-августе 1992 г. Во время этих экспериментов впервые были обнаружены серебристые облака, размеры, форма и время существования которых указывают на их возможную связь с вторжением мини-комет. Было подтверждено предположение о том, что граница очень ярких полей полярных мезосферных облаков со стороны низких широт близка к ночным авроральным овалам. Результаты наблюдений полярных мезосферных облаков при углах рассеяния 100-180° подтверждают предположения о том, что они состоят из частиц с размерами в десятки нанометров.
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 выявлены многие явления на поверхности океана, в том числе такие, как вихри открытого океана различных масштабов, меандры, ринги, грибовидные течения и др.
Важным результатом первых наблюдений океана из космоса является выявленная космонавтами возможность видеть рельеф дна.
Это обнаружено космонавтами А.Г. Николаевым, В.И. Севастьяновым, Л.И. Поповым, И.В. Рюминым и другими.
Систематические наблюдения, проводимые В.В.Коваленком с борта «Салюта-6», позволили выявить наличие на поверхности Мирового океана различных уровней вод, воспринимаемых визуально. В дальнейшем различные уровни вод в Мировом океане в виде «сводов», «ложбин», «валов» наблюдали многие космонавты. Обнаруженное В.В.Коваленком и А.С.Иванченковым существование различных уровней вод в Мировом океане привлекло внимание многих исследователей.
Отклонения поверхности океана от формы идеального геоида благодаря пространственным вариациям силы тяжести были известны давно. Однако анализ результатов наблюдений космонавтов позволяет предположить, что характер этих отклонений свидетельствует не только о пространственных, но в ряде случаев 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, которая часто объединяется понятием «спутниковая океанология».
Результаты экспериментов и наблюдений, выполненных космонавтами широко использовались и продолжают использоваться как учеными-океанологами, так и метеорологами, специалистами в области рыбного хозяйства, морского транспорта и др.
Взаимодействие океана и атмосферы. Метеорология.
Впервые увидел облака из космоса Ю.А. Гагарин. По его рассказам, очень хорошо были видны как и сами облака, так и тени от них на земной поверхности. Г.С. Титов первым провел их киносъемку на фоне Земли в начале второго витка своего полета 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 наблюдали 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 программы метеорологических исследований было начато Г.Т. Береговым во время полета корабля «Союз-3» в октябре 1968 года. Он одним из первых зафиксировал на фотопленку тропические циклоны (тайфуны) в районе экватора. В дальнейшем изучение этих опасных явлении природы проводили экипажи многих пилотируемых космических кораблей и орбитальных станций.
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 рода. Г.С. Шонин наблюдал огромные грозовые поля с тысячами одновременно бушующих вспышек. В.А. Шаталов и А.С. Елисеев наблюдали 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, облачному покрову над морями и океанами уделяли В.В. Коваленок и А.С. Иванченков во время полета в качестве основного экипажа второй экспедиции на орбитальной станции «Салют-6». Особенно много наблюдений было выполнено во второй половине полета, в августе-октябре 1978 года. Эти наблюдения позволили космонавтам высказать некоторые соображения о взаимосвязи крупномасштабной структуры облачного покрова с морскими и океаническими течениями. Эти наблюдения также дали космонавтам возможность прогнозировать состояние облачного покрова на несколько дней вперед.
Результаты первых метеорологических исследований, выполняемых с борта пилотируемых космических кораблей и долговременных орбитальных станций, широко использовались в дальнейшем при формировании и применении штатных систем метеорологических наблюдений Земли с борта автоматических космических аппаратов, в том числе «Метеор», «Океан», «Электро», «Нимбус», «NOAA», «GOES», «DMSP», «METEOSAT» и др.
Тропические циклоны.
Эти явления являются одними из наиболее опасных среди природных катастроф. Одним из первых циклонические
образования в тропических широтах наблюдал из космоса Г.Т. Береговой во время полета на космическом корабле «Союз-3» в октябре 1968 г. В дальнейшем наблюдали и фотографировали тропические циклоны многие космонавты. Коваленок В.В.и Иванченков А.С. во время полета на орбитальной станции «Салют-6» в 1978 г. неоднократно наблюдали процессы зарождения тропических циклонов над различными регионами Мирового океана.
По данным наблюдений В.В. Коваленка, крупномасштабная структура движения облаков нижнего яруса подчеркивает направление движения мощных океанических течений. По его оценке, над «неподвижными» регионами Мирового океана облака «...возникают аморфно, растекаются слабо и растворяются». Над районами океанических течений облака текут как бурные реки и за сутки проходят 1000—2000 км. Особое внимание было уделено атмосферным процессам в районе Бермудского треугольника (Атлантическая зона тропического циклогенеза). По наблюдениям В.В. Коваленка, в этом районе циклонические образования возникают при встрече не двух воздушных потоков с севера и юга, а трех. Возможно, что это и определяет особенности Бермудского треугольника как мощной энергоактивной зоны, привлекающей к себе внимание многочисленными легендами, связанными с гибелью самолетов и судов. Ни корабельные, ни самолетные наблюдения не позволили обнаружить подобные особенности этого региона, своевременно предсказать характер атмосферных процессов и предупредить о надвигающейся опасности экипажи летательных аппаратов и морских судов. Наблюдения космонавтов за тропическими циклонами подтвердили представления о районах и причинах их образования и в то же время позволили выявить новые детали.
Зарождение циклонов при встрече двух или трех безоблачных воздушных потоков с быстрым образованием циклонической области, как правило, наблюдалось из космоса, в виде диска 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. Разряды молний над циклоном были непрерывно видны в разных направлениях, а их протяженность достигала нескольких сотен километров. В грозовой деятельности над тайфунами наблюдаются разряды, непрерывно вращающиеся в свободном от облаков глазе тайфуна.
Систематические наблюдения за тропическими циклонами проводил А.Ю.Калери во время своего полета на ДОС «МИР» в марте-августе 1992 г. и во время своей последней миссии на «МИР» в 2010-2011 г. Наблюдения А.Ю. Калери с борта орбитальной станции «МИР» позволили существенно уточнить представление о циклонических образованиях. Анализ полученной информации показал, что на них хорошо проявляется структура мезомасштабных элеметов тропических циклонов (облачных спиралей, центральных облачных массивов, «глаз», отдельных конвективных облаков). По изображениям, полученным с борта станции «Мир», прослеживается проникающая конвекция на фоне сплошных облачных массивов, облачных спиралей и центральных частей тропических циклонов. Сравнительно редкое явление изменения формы «глаза» тропического циклона А.Ю.Калери наблюдал 28-29 июня 1992 г. для тропического циклона Chuck над Южно-Китайским морем. Совместный анализ изображений, полученных с борта орбитальной станции «МИР», средневысотных спутников серии «Метеор», а также геостационарных спутников «Химавари» и GOES, показал, что такой подход весьма эффективен для поиска информативных признаков элементов облачности в ТЦ, необходимых для уточнения физической природы и происхождения, прогноза времени и места зарождения, а также эволюции и направления распространения этих катастрофических природных явлений. [Бондур В.Г., Калери А.Ю., Лазарев А.И.]
Экологический мониторинг. Исследование природных пожаров.
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». 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 в этом районе видели также Б.В. Волынов и В.М. Жолобов при полете на орбитальной станции «Салют-5» в июне—августе 1977 года и В. Н. Кубасов в Ливии при полете на орбитальной станции «Салют-6» в мае—июне 1980 года. На состоявшейся во время полета пресс-конференции «Космос—Земля» 30 мая 1980 года журналисты спросили В.Н.Кубасова, изменилась ли планета со времени его предыдущего полета в 1975 году. На этот вопрос космонавт ответил, что вполне определенно можно сказать об усилении загрязнения природной среды.
При экологическом мониторинге важную роль играет регистрация изображений отдельных контролируемых районов в сравнительно узких участках спектра, характерных для изучения или поглощения загрязняющих веществ. В связи с этим для решения комплекса экологических задач и исследования природных ресурсов Земли в 1996 г. в рамках программы «Интеркосмос» был разработан комплекс оптической, радиофизической и оптической аппаратуры, который был установлен на специализированном модуле «Природа», состыкованном с ДОС «Мир» (1996-2001 гг.). Прикладные исследования в области дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) проводились также на модуле «Спектр» ДОС «Мир». Изучение Земли из космоса с долговременных орбитальных станций в этот период достигли своего апогея. К сожалению, в последующие годы после запуска международной космической станции (МКС) эти исследования проводились космонавтами значительно реже и только путем визуальных наблюдений Земли, которые и сопровождались отдельными съемками ручной камерой.
Реализация проекта мониторинга Земли, прежде всего для изучения природных ресурсов, прогнозировании и оценке последствии природных и техногенных катастроф (проект "Ураган") началась еще на орбитальном комплексе "МИР", а в дальнейшем он был продолжен с борта Международной космической станции. Во второй экспедиции МКС для съемки стал применяться цифровой фотоаппарат Kodak DCS 460, и результативность экспериментов возросла (кадр размером 3012 х 2048 пикселей обеспечивал при съемке в надир с высоты около 400 км при объективе с фокусным расстоянием F = 800 мм охват площади — 16 х 11 км с разрешением на местности около 5 м, а при объективе с фокусным расстоянием F = 400 мм — площади 32 х 22 км с разрешением = 10м). В последствии, дополнительно к цифровой фотокамере стал применяться аналоговый видеокомплекс LIV, обеспечивающий формирование видеосигнала, запись его на магнитофон, оперативный просмотр и анализ изображения на мониторе, передачу сигнала в ТВ-систему орбитального комплекса для последующего сброса на Землю по каналам связи.
В четвертой экспедиции МКС в дополнение к названным камерам на борт был доставлен отечественный прибор "Рубинар" — бинокулярная зрительная труба, дающая при визировании в надир (разрешение на местности около 3 м) оснащена цифровой видеокамерой. Кроме того, на борту появилась и новая камера Kodak DCS 760. С помощью этой аппаратуры командир 5-й основной экспедиции МКС В.Г. Корзун в 2002 г. провел съемку прибрежных акваторий России, Гавайских островов и Калифорнии. Результаты этой съемки были использованы для анализа антропогенных воздействий на экосистемы прибрежных акваторий, которые получили широкое признание у нас в стране и за рубежом.
16 февраля 2011г. в рамках проекта «МКС-наука» на МКС был установлен радиометрический 8-ми канальный комплекс L-диапазона, разработанный СКБ ИРЭ РАН. Комплекс предназначен для получения карт влажности почв, карт солености Мирового океана, исследования природных ресурсов Земли в интересах народного хозяйства. Планируется дальнейшее оснащение МКС аппаратурными комплексами дистанционного зондирования Земли.
Здесь приведены лишь отдельные примеры некоторых результатов, полученных с борта пилотируемых космических кораблей и долговременных орбитальных станций за период, прошедший со дня первого полета человека в космос.
К ним можно добавить множество примеров, связанных с мониторингом природных катастроф (природных пожаров, извержений вулканов, землетрясений, наводнений, сходов лавин, пыльные бури и др.), исследованиями криосферы Земли, водных ресурсов, озоносферы и многих других направлений, вклад в которые пилотируемой космонавтики трудно переоценить.
Результаты, полученные космонавтами за 50-ти летний период времени, явились основой разработок многих инновационных методов и технологий дистанционного зондирования Земли, они дополняют результаты, получаемые с борта многочисленных беспилотных автоматических космических аппаратов и позволяют непрерывно поставлять важную информацию, необходимую для проведения исследования в интересах наук о Земле, а также в интересах различных отраслей экономики нашей страны.
академик Бондур В.Г.
Академик Бондур о 50-летии полёта Гагарина в космос.
Дистанционное зондирование Земли с отечественных пилотируемых космических кораблей и долговременных орбитальных станций
12 апреля 2011 г. исполняется 50 лет со дня первого полета человека в космос. Первым в мире космонавтом стал наш соотечественник - Юрий Алексеевич Гагарин, который совершил облет Земли на пилотируемом космическом корабле «Восток-1». Это событие было триумфом отечественной науки и техники. Оно вызвало небывалый энтузиазм, творческий подъем, заслуженную гордость всего народа нашей страны и получило всемирное признание. К этому Великому подвигу причастны не только творцы космонавтики – главный конструктор С.П. Королев, «главный теоретик» М.В. Келдыш, первые герои-космонавты, но и многие конструкторы, ученые, военные, инженеры, рабочие, которые своим самоотверженным творческим трудом способствовали прорыву советского человека в космос. Не зря 50-ти летие этого исторического события признано Организацией объединенных наций и 12 апреля 2011 год стало Международным днем полета человека в космос.
Полет Гагарина стал не только первым выходом человека в космическое пространство, но и положил начало исследованиям Земли с борта пилотируемых космических аппаратов. Не умаляя достижения других стран (прежде всего США, стран Европы, Японии, Китая, Индии и др.) в области космических исследований, проанализируем основные достижения отечественной пилотируемой космонавтики, связанные с дистанционным зондированием Земли из космоса. Это обусловлено тем, что наша страна является не только пионером освоения космоса, но и долгое время занимала лидирующую позицию в мире в этой области.
Годы освоения космоса можно весьма условно разделить на несколько этапов. Вначале был прорыв в космос, преследовавший цель преодолеть земное
притяжение. Это и запуски первых искусственных спутников Земли, и первые полеты человека в космос. Второй этап — исследование околоземного космического пространства и изучение поведения человека в условиях космического полета, анализ возможности жизни и работы в условиях невесомости. На третьем этапе стало выделяться одно преимущественно направление, связанное с изучением нашей планеты из космоса и использование полученной информации на благо человека. Если раньше люди смотрели на небо с Земли, то теперь пришла пора взглянуть с неба на Землю. Отдельными направлениями космической деятельности являются исследования Солнца, Луны, планет, и дальнего космоса, медико-биологические и технологические исследования, а также, исследования Земли с автоматических космических аппаратов. В связи с 50-летием полета Ю.А. Гагарина, остановимся на дистанционном зондировании Земли с борта пилотируемых космических кораблей и долговременных орбитальных станций.
До начала освоения космоса нас, землян, можно было сравнить с людьми, складывающими из мелких разнородных кубиков большую и во многом неясную мозаичную картину. Действительно, с поверхности Земли и даже с самолета нелегко охватить различные крупномасштабные процессы, происходящие в атмосфере, океанах, на суше и в геологической среде. А через сравнительно узкие по спектру окна прозрачности атмосферы совсем непросто проводить исследования околоземного пространства, ближнего и дальнего космоса. И только с началом космической эры перед человеком открылись широчайшие возможности для изучения не только нашей планеты, но и космического пространства в широком диапазоне спектра электромагнитных волн. В процессе исследований Земли из космоса - отдельные кубики стали укладываться в красочную весьма информативную картину.
Бурное развитие космической деятельности, в том числе пилотируемой космонавтики, способствовало резкому увеличению потока
новой научной информации, что вызвало интенсивный рост исследований практически во всех областях фундаментальных и прикладных наук, связанных с изучением Земли. Земная поверхность, моря, океаны и атмосфера под воздействием природных и антропогенных факторов постоянно преобразуется. Поэтому возникает необходимость регулярного слежения за пространственно-временными особенностями этих изменений. Важнейшую роль в решении этой проблемы играет дистанционное зондирование Земли из космоса.
После завершения эпохального полета Ю.А. Гагарин подробно описал свои ощущения и наблюдения Земли, которые в дальнейшем легли в основу подготовки космонавтов к визуально-инструментальным наблюдениям нашей планеты из космоса. Одними из первых космических экспериментов по дистанционному зондированию Земли, были фотосъемки с борта пилотируемых космических кораблей.
Начиная с полета Г.А. Титова в августе 1961 г. на космическом корабле «Восток-2», на советских космических кораблях широко использовались фотографические аппараты, ручные спектрометрические приборы и кинокамеры. Получаемая космонавтами визуально-инструментальная информация стала широко применяться в интересах научных исследований, а также различных отраслей народного хозяйства. Разнообразная исследовательская аппаратура, установленная на отечественных пилотируемых космических кораблях «Восток», «Восход», «Союз», а также на долговременных орбитальных станциях (ДОС) «Салют», «Мир», Международной космической станции «МКС» позволила получить важную информацию об облике нашей планеты и ее отдельных оболочках: атмосфере, гидросфере, литосфере.
С появлением долговременных орбитальных станций, начиная с 1971 г., наряду с ручными фотокамерами «Зенит-3М» со сменными объективами, исследуемыми на космических кораблях «Восток» и «Восход», стали применяться стационарные многозональные шести- и девяти объективные камеры для получения более детальной информации о природных объектах Земли. Это позволило решать также задачи, как, например, выявление различных стадий вегетации растений, определение типов растительности, изучение различных явлений на поверхности океана, исследования морфологических особенностей поверхности Земли, анализ состояния атмосферы и др. В 1976 г. на космическом аппарате «Союз-2», пилотируемом космонавтами В. Быковским и В. Аксеновым, прошла экспериментальную отработку стационарная многозональная камера МКФ-6, совместного производства СССР и ГДР, которая в дальнейшем устанавливалась на ДОС «Салют-6» (1978 г.), «Салют-7»(1983 г.) и «Мир»(1996 г.).
Дистанционное зондирование Земли с борта пилотируемых космических кораблей и долговременных орбитальных станций имеет ряд отличительных особенностей, основными из которых являются:
- обеспечение широких возможностей для проведения научных исследований и экспериментов по изучению Земли из космоса;
-расширение спектра решаемых задач за счет использования интеллектуальных и психофизических возможностей человека;
-сочетание инструментальных измерений и визуальных наблюдений;
-наилучшие условия для апробации новых методов и средств дистанционного зондирования;
-возможности адаптации методик и аппаратных средств при исследованиях редких и неизвестных явлений;
-возможности проведения мониторинга многих процессов и явлений в океане, атмосфере и на суше в средних широтах;
-возможности проведения астрофизических исследований и технологических экспериментов в космосе;
-возможности осуществления медико-биологических исследований для оценки влияния факторов длительных космических полетов на организм человека;
-возможности осуществления ремонта и оперативной замены приборов и оборудования в полете.
В последующие годы, как в отечественной, так и в зарубежной космонавтике все большую роль стали играть специально сформированные программы дистанционного исследования Земли с борта пилотируемых кораблей и долговременных орбитальных станций, а также автоматических искусственных спутников Земли. Разработан и реализован ряд крупных международных и отечественных программ, посвященных фундаментальным комплексным исследованиям Земли с использованием космической информации, таких, например как: Международная геосферно-биосферная программа; Всемирная программа «Глобальные изменения»; Программа глобального мониторинга Земли в интересах охраны окружающей среды и безопасности; Программы «Интеркосмос»,; Программа биосферных и экологических исследований Академии наук СССР; Программа изучения роли океанов в короткопериодных изменениях климата «Разрезы»; Программа «Миссия на планете Земля» и многие другие. В настоящее время в рамках Федеральной целевой космической программы России на борту Международной космической станции проводились и проводятся серии экспериментов связанных с исследованием природных ресурсов Земли, экологическим мониторингом, исследованием океана, геофизическими исследованиями, мониторингом природных катастроф, например, эксперименты: "Русалка", "Сейнер", "Диатомея", "Экон", "Релаксация", "Ураган", "Всплеск", "Молния-Гамма", "СВЧ-радиометрия", "Радар-Прогресс" и др.
Результаты исследований с борта пилотируемых космических кораблей и долговременных орбитальных станций использовались учеными и специалистами во многих областях, связанных с науками о Земле. Из космоса хорошо просматривается связь между структурными и динамическими процессами и образованиями в атмосфере, океане и литосфере Земли. Особенно четко видно взаимодействие крупномасштабных динамических образований в атмосфере и гидросфере, изучение которых возможно только с космических орбит. Результаты этих исследований все более широко использовались не только в интересах наук о Земле, но и в интересах народного хозяйства. Приведем некоторые примеры таких исследований.
Геологические исследования.
Геологические эксперименты входили в программу полета ряда кораблей серий «Союз», а также в программу ДОС «Салют» и «Мир». Еще в 1969 г. 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 геолого-географических объектов в южных районах европейской части СССР, в Казахстане, Западной Сибири. Экипажу первой экспедиции ДОС «Салют-5» Б. В. Волынову и В. М. Жолобову было поручено наблюдение Севанского разлома с тем, чтобы проследить его продолжение в обе стороны от озера. По заданию геологов В.В. Коваленок и А.С. Иванченков с борта ДОС «Салют-6» проводили исследования южного отрезка огромного Урало-Оманского линеамента. Они показали, 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. По заданиям геологов члены экипажа первой экспедиции ДОС «Салют-7» А.Н. Березовой и В.В. Лебедев проводили исследования крупных кольцевых структур, разломов земной коры и других геологических объектов. Им было поручено проследить на левом берегу Волги продолжение
так называемого Астраханского свода — пологого поднятия земной коры.
Одним из наиболее интересных открытий, сделанных с непосредственным участием советских космонавтов, стало обнаружение огромного количества кольцевых структур и линеаментов. Вся поверхность Земли оказалась буквально испещренной этими образованиями разных размеров. Изучение направлений линеаментов, которые во многих случаях представляют собой разломы и видимые разрывы, 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.
Съемки из космоса позволили начать работы по космофотогеологическому картированию. На полученных этим методом картах были нанесены геологические объекты, зарегистрированные на космических снимках: 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 космогеологические карты, в том числе 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 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 видимого горизонта Земли. Первым из космонавтов дневной горизонт наблюдал Ю.А. Гагарин. Он увидел очень красивый голубой ореол с плавными переходами цветов от нежно-голубого к голубому, синему, фиолетовому до совершенно черного цвета космоса. Такую же картину с плавными переходами цветов увидел Г. С. Титов с космического корабля «Восток-2» 6 и 7 августа 1961 года, а в дальнейшем и другие космонавты и астронавты.
Более детальную картину дневного горизонта Земли описал К.П. Феоктистов. По результатам наблюдений 12—13 октября 1964 года с борта космического корабля «Восход». По его словам, дневной горизонт светлый, беловатый, а потом становится голубым. Еще выше космонавт увидел слой с повышенным содержанием аэрозоля — верхний слой яркости. Иногда он наблюдал несколько таких слоев, и когда у горизонта их было видно три, атмосфера напоминала слоеный пирог. Наблюдения за дневным горизонтом проводил также П. И. Климук во время своего второго полета с В. И. Севастьяновым на орбитальной станции «Салют-4» в мае – июне 1975 года. Результаты этих наблюдений показали, что обычно при угле Солнца над горизонтом, который составляет около 45° и ниже, всегда виден один или два белесых слоя яркости. Иногда верхний из них делится синим фоном, тогда появляется три слоя яркости. Всегда нижний слой - четкий и тонкий, а верхний бледнее, расплывчатый, разлохмаченный. Иногда на высоте второго слоя яркости виден не один, а два расплывчатых и разлохмаченных слоя, разделенных синей полоской. Это второй стратосферный аэрозольный слой, расположен на высоте 30-35 км. Синие полоски между ними – 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, на высотах 2-3 км, могут существовать перламутровые (радужные) облака, а на верхней границе мезосферы (в мезопаузе) серебристые облака. Результаты визуальных наблюдений, проводимых первыми космонавтами, дополнились последующими нимбовыми измерениями с помощью различной аппаратуры, установленной на пилотируемых автоматических аппаратах.
Наиболее плодотворные визуальные наблюдения были проведены в верхней ионосфере Земли (ее F область), там, где проходят орбиты всех пилотируемых космических полетов. Именно здесь космонавтами были получены важные, неизвестные до этого, результаты, несмотря на многочисленные измерения, проведенные специальной оптико-электронной аппаратурой с автоматических спутников и с наземных радиофизических и оптических обсерваторий. Эти результаты способствовали формированию современного представления о строении и свойствах ионосферы Земли.
Исследования ночной атмосферы.
Видимое свечение ночной атмосферы наблюдается на высотах более 70-80 км и сосредоточено в основном в двух слоях: сравнительно узком первом эмиссионном слое, расположенном в Е-области ионосферы на высотах примерно 80-100 км, и во втором эмиссионном слое, расположенном в F-области ионосферы на высотах примерно 200-350 км. Свечение первого эмиссионного слоя ночной атмосферы первым из советских космонавтов обнаружил К.П. Феоктистов во время полета на космическом корабле «Восход» 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 космического полета на корабле «Союз-8» в октябре 1969 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. Позже его исследовали многие советские космонавты.
Горизонтальную неоднородность свечения верхней атмосферы впервые отметил Г.Т. Береговой с космического корабля «Союз-3» в октябре 1968 года. В дальнейшем ее исследовали А.Г. Николаев и В.И. Севастьянов с космического корабля «Союз-9» в июне 1970 года, а также экипажи орбитальных станций «Салют-4» в июне – июле 1975 года и «Салют-6» в марте 1981 года. До 1978 года второй эмиссионный слой ночной атмосферы космонавты наблюдали только на экваториальных широтах. Совершенно неожиданные результаты были получены основным экипажем второй экспедиции орбитальной станции «Салют-6» В.В. Коваленком и А.С. Иванченковым в июле-октябре 1978 года. Они отметили свечение практически в планетарном масштабе. Эти работы были продолжены В.В. Коваленком и В. П. Савиных во время пятой экспедиции на «Салюте-6» в мае 1981 года. Существование горизонтальной неоднородности свечения было подтверждено как комплексными радиофизическими исследованиями, так и исследованиями с Земли изменчивости эмиссий атомарного кислорода в спектре излучения ночного неба.
Сопоставление данных, полученных на орбите, и сведений о солнечной и магнитной активности позволили высказать предположение о механизме этого явления (Авакян С.В., Лазарев А.И). По их мнению, основным фактором, определяющим добавочное свечение ночной F-области во время вспышки на Солнце, является увеличение интенсивности рассеянного на ионах и атомах верхней атмосферы ультрафиолетового излучения солнечной вспышки. Это повышенное излучение, попадая в ночную ионосферу на высоте около 1000 км, способно производить ионизацию всей среднеширотной F-области, что и вызывает возрастание свечения второго эмиссионного слоя ночной атмосферы, расположенного в этой области.
С возрастанием уровня солнечной и магнитной активности яркость второго эмиссионного слоя возрастает до уровня, достаточного для наблюдений из космоса в планетарном масштабе. Интенсивность свечения ночной атмосферы оказалось весьма чувствительным индикатором солнечной и магнитной активности.
Серебристые (мезосферные) облака
Облака-высотники на сумеречном горизонте Земли впервые наблюдал из космоса В. И. Севастьянов 9 июня 1970 года с борта космического корабля «Союз-9», что продемонстрировало принципиальную возможность их исследования. 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. С 12 июня по 23 июля 1975 года они наблюдали и регистрировали это необычное явление 27 раз.
Одновременно с ними наблюдения проводились с ряда наземных станций Советского Союза и Западной Европы.
Особенно протяженные поля серебристых облаков были выявленны 3—4 июля 1975 года на девяти витках подряд. В эти дни наблюдения проводились и с наземных станций. Полученные результаты подтвердили ранее высказанное предположение о том, что необычные облака иногда образуют сплошную полосу, охватывающую в северном полушарии на соответствующих широтах более половины земного шара.
Наблюдения П. И. Климука и В. И. Севастьянова подтвердили возможность появления полей серебристых облаков, имеющих многослойную структуру.
Четырехканальным радиометром «Микрон» с борта ДОС «Салют-4» проводились и инструментальные исследования этих образований в ближайшей инфракрасной области спектра. Результаты измерений показали, что яркость серебристых облаков изменялась в несколько раз в зависимости от структуры и оптической толщины этих образований, а также от условий подсветки прямыми солнечными лучами и излучением сумеречного ореола атмосферы Земли.
Большой объем исследований серебристых облаков был выполнен советскими космонавтами с борта орбитальной научной станции «Салют-6». Основной экипаж первой экспедиции — Ю.В. Романенко и Г.М. Гречко — проводил визуальные наблюдения и фотографирование облаков с 23 декабря 1977 года по 2 февраля 1978 года в южном полушарии на 128 витках полета станции. Для южного полушария это предположение было подтверждено наблюдателями К.В. Романенко и Г.М. Гречко в январе 1978 года, проводившими эксперименты, с борта орбитальной станции «Салют-6». Возможность появления столь обширных полей серебристых облаков в настоящее время является общепризнанной.
Основному экипажу пятой экспедиции на орбитальной станции «Салют-6» (В.В. Коваленок и В.П. Савиных) было специально поручено проведение наблюдений и фотографирование серебристых облаков в низких и экваториальных широтах. Проведенные исследования позволили выявить природу возникновения этих облаков. С точки зрения вулканической гипотезы интересно отметить, что большая часть наблюдений серебристых облаков, выполненных В.В. Коваленком и В.П. Савиных, проведена над районами с активной вулканической и сейсмической деятельностью, такими, например, как западное побережье Тихого океана, Яванская дуга и др. Во время полета на орбитальной станции «Салют-7» В.П. Савиных 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 13 ноября 1985 года.
Такое возмущение в мезосфере могло быть связано как непосредственно с тепловым воздействием, так и турбулизацией мезосферы, возникновением интенсивных волновых движений или восходящих токов, которые могли вызвать не только нагревание, но и последующее локальное охлаждение в области мезопаузы.
Природа происхождения серебристых облаков была разрешена после того, как был обнаружен приток в атмосферу Земли из космоса огромного количества (примерно раз в 20 минуту) снежных ядер «мини-комет». При средней массе ядра около 100 т они должны приносить в атмосферу Земли в сутки до 3•106 т паров воды. 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, так как они выталкиваются из солнечной системы световым давлением. Вход в атмосферу Земли снежного ядра «мини-кометы» впервые наблюдал из космоса летчик-космонавт СССР Г.М. Стрекалов с борта орбитального комплекса «Мир» 26 сентября 1990 г.
Большой объем экспериментов по исследованию серебристых облаков проведен также А.С. Викторенко и А. Ю. Калери с борта ДОС «МИР» в марте-августе 1992 г. Во время этих экспериментов впервые были обнаружены серебристые облака, размеры, форма и время существования которых указывают на их возможную связь с вторжением мини-комет. Было подтверждено предположение о том, что граница очень ярких полей полярных мезосферных облаков со стороны низких широт близка к ночным авроральным овалам. Результаты наблюдений полярных мезосферных облаков при углах рассеяния 100-180° подтверждают предположения о том, что они состоят из частиц с размерами в десятки нанометров.
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 выявлены многие явления на поверхности океана, в том числе такие, как вихри открытого океана различных масштабов, меандры, ринги, грибовидные течения и др.
Важным результатом первых наблюдений океана из космоса является выявленная космонавтами возможность видеть рельеф дна. Это обнаружено космонавтами А.Г. Николаевым, В.И. Севастьяновым, Л.И. Поповым, И.В. Рюминым и другими.
Систематические наблюдения, проводимые В.В.Коваленком с борта «Салюта-6», позволили выявить наличие на поверхности Мирового океана различных уровней вод, воспринимаемых визуально. В дальнейшем различные уровни вод в Мировом океане в виде «сводов», «ложбин», «валов» наблюдали многие космонавты. Обнаруженное В.В.Коваленком и А.С.Иванченковым существование различных уровней вод в Мировом океане привлекло внимание многих исследователей.
Отклонения поверхности океана от формы идеального геоида благодаря пространственным вариациям силы тяжести были известны давно. Однако анализ результатов наблюдений космонавтов позволяет предположить, что характер этих отклонений свидетельствует не только о пространственных, но в ряде случаев 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, которая часто объединяется понятием «спутниковая океанология».
Результаты экспериментов и наблюдений, выполненных космонавтами широко использовались и продолжают использоваться как учеными-океанологами, так и метеорологами, специалистами в области рыбного хозяйства, морского транспорта и др.
Взаимодействие океана и атмосферы. Метеорология.
Впервые увидел облака из космоса Ю.А. Гагарин. По его рассказам, очень хорошо были видны как и сами облака, так и тени от них на земной поверхности. Г.С. Титов первым провел их киносъемку на фоне Земли в начале второго витка своего полета 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 наблюдали 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 программы метеорологических исследований было начато Г.Т. Береговым во время полета корабля «Союз-3» в октябре 1968 года. Он одним из первых зафиксировал на фотопленку тропические циклоны (тайфуны) в районе экватора. В дальнейшем изучение этих опасных явлении природы проводили экипажи многих пилотируемых космических кораблей и орбитальных станций.
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 рода. Г.С. Шонин наблюдал огромные грозовые поля с тысячами одновременно бушующих вспышек. В.А. Шаталов и А.С. Елисеев наблюдали 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, облачному покрову над морями и океанами уделяли В.В. Коваленок и А.С. Иванченков во время полета в качестве основного экипажа второй экспедиции на орбитальной станции «Салют-6». Особенно много наблюдений было выполнено во второй половине полета, в августе-октябре 1978 года. Эти наблюдения позволили космонавтам высказать некоторые соображения о взаимосвязи крупномасштабной структуры облачного покрова с морскими и океаническими течениями. Эти наблюдения также дали космонавтам возможность прогнозировать состояние облачного покрова на несколько дней вперед.
Результаты первых метеорологических исследований, выполняемых с борта пилотируемых космических кораблей и долговременных орбитальных станций, широко использовались в дальнейшем при формировании и применении штатных систем метеорологических наблюдений Земли с борта автоматических космических аппаратов, в том числе «Метеор», «Океан», «Электро», «Нимбус», «NOAA», «GOES», «DMSP», «METEOSAT» и др.
Тропические циклоны.
Эти явления являются одними из наиболее опасных среди природных катастроф. Одним из первых циклонические
образования в тропических широтах наблюдал из космоса Г.Т. Береговой во время полета на космическом корабле «Союз-3» в октябре 1968 г. В дальнейшем наблюдали и фотографировали тропические циклоны многие космонавты. Коваленок В.В.и Иванченков А.С. во время полета на орбитальной станции «Салют-6» в 1978 г. неоднократно наблюдали процессы зарождения тропических циклонов над различными регионами Мирового океана.
По данным наблюдений В.В. Коваленка, крупномасштабная структура движения облаков нижнего яруса подчеркивает направление движения мощных океанических течений. По его оценке, над «неподвижными» регионами Мирового океана облака «...возникают аморфно, растекаются слабо и растворяются». Над районами океанических течений облака текут как бурные реки и за сутки проходят 1000—2000 км. Особое внимание было уделено атмосферным процессам в районе Бермудского треугольника (Атлантическая зона тропического циклогенеза). По наблюдениям В.В. Коваленка, в этом районе циклонические образования возникают при встрече не двух воздушных потоков с севера и юга, а трех. Возможно, что это и определяет особенности Бермудского треугольника как мощной энергоактивной зоны, привлекающей к себе внимание многочисленными легендами, связанными с гибелью самолетов и судов. Ни корабельные, ни самолетные наблюдения не позволили обнаружить подобные особенности этого региона, своевременно предсказать характер атмосферных процессов и предупредить о надвигающейся опасности экипажи летательных аппаратов и морских судов. Наблюдения космонавтов за тропическими циклонами подтвердили представления о районах и причинах их образования и в то же время позволили выявить новые детали.
Зарождение циклонов при встрече двух или трех безоблачных воздушных потоков с быстрым образованием циклонической области, как правило, наблюдалось из космоса, в виде диска 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. Разряды молний над циклоном были непрерывно видны в разных направлениях, а их протяженность достигала нескольких сотен километров. В грозовой деятельности над тайфунами наблюдаются разряды, непрерывно вращающиеся в свободном от облаков глазе тайфуна.
Систематические наблюдения за тропическими циклонами проводил А.Ю.Калери во время своего полета на ДОС «МИР» в марте-августе 1992 г. и во время своей последней миссии на «МИР» в 2010-2011 г. Наблюдения А.Ю. Калери с борта орбитальной станции «МИР» позволили существенно уточнить представление о циклонических образованиях. Анализ полученной информации показал, что на них хорошо проявляется структура мезомасштабных элеметов тропических циклонов (облачных спиралей, центральных облачных массивов, «глаз», отдельных конвективных облаков). По изображениям, полученным с борта станции «Мир», прослеживается проникающая конвекция на фоне сплошных облачных массивов, облачных спиралей и центральных частей тропических циклонов. Сравнительно редкое явление изменения формы «глаза» тропического циклона А.Ю.Калери наблюдал 28-29 июня 1992 г. для тропического циклона Chuck над Южно-Китайским морем. Совместный анализ изображений, полученных с борта орбитальной станции «МИР», средневысотных спутников серии «Метеор», а также геостационарных спутников «Химавари» и GOES, показал, что такой подход весьма эффективен для поиска информативных признаков элементов облачности в ТЦ, необходимых для уточнения физической природы и происхождения, прогноза времени и места зарождения, а также эволюции и направления распространения этих катастрофических природных явлений. [Бондур В.Г., Калери А.Ю., Лазарев А.И.]
Экологический мониторинг. Исследование природных пожаров.
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». 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 в этом районе видели также Б.В. Волынов и В.М. Жолобов при полете на орбитальной станции «Салют-5» в июне—августе 1977 года и В. Н. Кубасов в Ливии при полете на орбитальной станции «Салют-6» в мае—июне 1980 года. На состоявшейся во время полета пресс-конференции «Космос—Земля» 30 мая 1980 года журналисты спросили В.Н.Кубасова, изменилась ли планета со времени его предыдущего полета в 1975 году. На этот вопрос космонавт ответил, что вполне определенно можно сказать об усилении загрязнения природной среды.
При экологическом мониторинге важную роль играет регистрация изображений отдельных контролируемых районов в сравнительно узких участках спектра, характерных для изучения или поглощения загрязняющих веществ. В связи с этим для решения комплекса экологических задач и исследования природных ресурсов Земли в 1996 г. в рамках программы «Интеркосмос» был разработан комплекс оптической, радиофизической и оптической аппаратуры, который был установлен на специализированном модуле «Природа», состыкованном с ДОС «Мир» (1996-2001 гг.). Прикладные исследования в области дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) проводились также на модуле «Спектр» ДОС «Мир». Изучение Земли из космоса с долговременных орбитальных станций в этот период достигли своего апогея. К сожалению, в последующие годы после запуска международной космической станции (МКС) эти исследования проводились космонавтами значительно реже и только путем визуальных наблюдений Земли, которые и сопровождались отдельными съемками ручной камерой.
Реализация проекта мониторинга Земли, прежде всего для изучения природных ресурсов, прогнозировании и оценке последствии природных и техногенных катастроф (проект "Ураган") началась еще на орбитальном комплексе "МИР", а в дальнейшем он был продолжен с борта Международной космической станции. Во второй экспедиции МКС для съемки стал применяться цифровой фотоаппарат Kodak DCS 460, и результативность экспериментов возросла (кадр размером 3012 х 2048 пикселей обеспечивал при съемке в надир с высоты около 400 км при объективе с фокусным расстоянием F = 800 мм охват площади — 16 х 11 км с разрешением на местности около 5 м, а при объективе с фокусным расстоянием F = 400 мм — площади 32 х 22 км с разрешением = 10м). В последствии, дополнительно к цифровой фотокамере стал применяться аналоговый видеокомплекс LIV, обеспечивающий формирование видеосигнала, запись его на магнитофон, оперативный просмотр и анализ изображения на мониторе, передачу сигнала в ТВ-систему орбитального комплекса для последующего сброса на Землю по каналам связи.
В четвертой экспедиции МКС в дополнение к названным камерам на борт был доставлен отечественный прибор "Рубинар" — бинокулярная зрительная труба, дающая при визировании в надир (разрешение на местности около 3 м) оснащена цифровой видеокамерой. Кроме того, на борту появилась и новая камера Kodak DCS 760. С помощью этой аппаратуры командир 5-й основной экспедиции МКС В.Г. Корзун в 2002 г. провел съемку прибрежных акваторий России, Гавайских островов и Калифорнии. Результаты этой съемки были использованы для анализа антропогенных воздействий на экосистемы прибрежных акваторий, которые получили широкое признание у нас в стране и за рубежом.
16 февраля 2011г. в рамках проекта «МКС-наука» на МКС был установлен радиометрический 8-ми канальный комплекс L-диапазона, разработанный СКБ ИРЭ РАН. Комплекс предназначен для получения карт влажности почв, карт солености Мирового океана, исследования природных ресурсов Земли в интересах народного хозяйства. Планируется дальнейшее оснащение МКС аппаратурными комплексами дистанционного зондирования Земли.
Здесь приведены лишь отдельные примеры некоторых результатов, полученных с борта пилотируемых космических кораблей и долговременных орбитальных станций за период, прошедший со дня первого полета человека в космос.
К ним можно добавить множество примеров, связанных с мониторингом природных катастроф (природных пожаров, извержений вулканов, землетрясений, наводнений, сходов лавин, пыльные бури и др.), исследованиями криосферы Земли, водных ресурсов, озоносферы и многих других направлений, вклад в которые пилотируемой космонавтики трудно переоценить.
Результаты, полученные космонавтами за 50-ти летний период времени, явились основой разработок многих инновационных методов и технологий дистанционного зондирования Земли, они дополняют результаты, получаемые с борта многочисленных беспилотных автоматических космических аппаратов и позволяют непрерывно поставлять важную информацию, необходимую для проведения исследования в интересах наук о Земле, а также в интересах различных отраслей экономики нашей страны.
академик Бондур В.Г.
