Курсовая работа: Спектрометрическое сканирование атмосферы и поверхности Земли

По данным масс-спектрометрических измерений плотности углекислого газа во время снижения СА «Викинг-1, -2» (САВ-1 и САВ-2) рассчитаны вертикальные профили температуры на высотах 120—200 км. Расчеты сделаны на основе барометрической формулы с применением итерационной схемы, предусматривающей послойное определение температуры, начиная с уровня верхней границы, где атмосфера первоначально предполагается изотермической в пределах интервала высот, охватываемого первыми двумя точками измерений. Вертикальные профили температуры восстановлены независимо по ионным пикам, соответствующим массовым числам 44, 22 и 12, что позволяет оценить точность определения температуры.

В обоих случаях (САВ-1 и САВ-2) вертикальные профили температуры имеют волнообразную структуру на высотах более 30 км (для сравнения использованы данные, относящиеся к высотам 0—100 км), причем амплитуда волны возрастает с высотой в слое 50—120 км. В нескольких интервалах высот вертикальный градиент температуры близок к адиабатическому. В случае данных САВ-1 волновая структура профиля температуры может быть обусловлена влиянием суточного прилива. Амплитуда волны меньше в районе снижения САВ-2, что, вероятно, связано с более высокой широтой этого района.

Полученные значения температуры термосферы Марса значительно ниже (<200 К), чем найденные ранее по данным измерений УФ свечения атмосферы с АМС «Маринер-6, -7, -9». Это можно объяснить как влиянием расстояния до Солнца (измерения на CAB сделаны в период, когда Марс был близок к апогею при расстоянии около 1,64 а. е., тогда как АМС «Маринер» функционировали при положении планеты, близком к перигелию при расстоянии около 1,43 а. е.), так и различиями потока энергии, переносимого приливами из нижней атмосферы в верхнюю.

Данные САВ-2 обнаруживают неожиданное возрастание температуры выше 170 км, достоверность которого требует тщательной проверки. Сравнение вычисленных по барометрической формуле вертикальных профилей концентрации аргона и азота с измеренными позволило оценить коэффициент турбулентного перемешивания на различных высотах, варьирующий от 2,1—5,0Х 107 см2/с на уровне 100 км до 1,2—4,2— 109 см2/с на высоте 170 км. Модельные расчеты вертикальных профилей концентрации СО, NO и О2 обнаружили хорошее согласие с результатами измерений.

Построена модель марсианской ионосферы, соответствующая данным САВ-2. Анализ рассматриваемых данных привел к выводу, что отношения смеси азота, аргона и кислорода в основной толще атмосферы равны 2,4 · 10-2; 1,5 · 10-2 и 1,6 · 10-3, соответственно. Верхняя атмосфера обогащена окисью углерода и азота по сравнению с нижней, где отношения смеси этих компонент составляют около 8·10-4 и 10-8—10-9.

2. АППАРАТУРА ДЛЯ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Научная аппаратура модуля 77КСИ "Природа" "Алиса"

Научная аппаратура (НА) "Алиса" является лидаром (лазерным локатором атмосферных образований), установленным в модуле "Природа" и предназначенным для геофизических исследований из космоса:

·  определения верхней границы облачного слоя;

·  измерения вертикального распределения атмосферного аэрозоля;

·  возможного измерения аэрозолей спорадического происхождения.

НА работает в комплексе с радиометром "Исток" и наземными станциями.

НА расположена в ПГО-3 модуля "Природа" и работает через иллюминатор №2. НА состоит из собственно лидара и системы охлаждения СВТ.

Технические характеристики:

ДК-33

Прибор ДК-33 предназначен для измерения быстропеременных и стационарных полей яркости в спектральном диапазоне от 120 до 1100 нм и исследования их влияния на служебную и научную оптическую аппаратуру. В УФ-диапазоне такие измерения проводятся впервые.

Блеск отдельных частиц определяется по приведенной к полю зрения эквивалентной яркости фона. Целевым назначением прибора ДК-33 является фотометрический контроль состояния окружающей среды в зоне служебной и научной оптической аппаратуры и полезного груза на всех этапах НИ изделия.

Прибор четырехканальный; характеристики применяемых каналов приведены в таблице:

Прибор состоит из двух блоков:

·  приемного устройства (устанавливается снаружи);

·  блока электроники (внутри ГО).

Технические характеристики:

"Икар-Дельта"

Радиометрический комплекс "Икар-Дельта" предназначен для измерения амплитудного и пространственного распределения собственного радиотеплового излучения земной поверхности в микроволновом диапазоне с целью определения следующих характеристик атмосферы, океана и суши:

·  положения и изменчивости основных фронтальных зон Северной Атлантики: зоны течения системы Гольфстрим, Северо-Атлантического течения, струйных течений тропической зоны Атлантического океана;

·  положения, интенсивности и направления перемещений крупномасштабных температурных аномалий, локализованных в верхних слоях океана;

·  параметров снежного и ледового покрова;

·  водозапасов облаков и интегральных параметров атмосферы;

·  границ зон осадков;

·  приводной скорости ветра;

·  распределения температуры воздуха.

Состав комплекса.

·  радиометр "Дельта-2П" 1шт.

·  радиометр "Икар-ИП" 1 шт.

·  радиометр поляризационный РП-225 3 шт.

·  сканирующая двухполяризационная радиометрическая система Р-400 1 шт.

·  радиометр РП-600 6 шт.

Технические характеристики:

"Индикатор"

Аппаратура "Индикатор" предназначена для контроля параметров собственной внешней атмосферы ОС. Аппаратура применяется для измерения плотности (общего давления) СВА, потока заряженных частиц и интенсивности набегающего потока.

Аппаратура "Индикатор" состоит из:

·  блока входного преобразователя с собственным датчиком, установленным на внешней поверхности изделия;

·  блока управления, установленного в ГО.

Технические характеристики:

Ионозонд (Институт прикладной геофизики).

Ионозонд представляет собой комплекс бортовых и наземных средств для обеспечения глобального мониторинга околоземного космического пространства методом радиозондирования атмосферы Земли с низкоорбитальных пилотируемых объектов.

Состав аппаратуры:

·  аппаратура Ионозонда на модуле "Природа";

·  система телекоммуникационного контроля и управления "Сигма";

·  наземные ионосферные станции в городах Ростов-на-Дону и Нарофоминск.

Назначение аппаратуры Ионозонда.

Предназначена для импульсного зондирования внешней атмосферы с целью получения оперативной информации о ее состоянии.

Управление аппаратурой Ионозонда и съем контрольной телеметрической информации осуществляется через ПЭВМ-КСИ и ПАО-КСИ из состава СТКУ "Сигма".

Состав аппаратуры Ионозонда:

1.  аппаратура АИ 804:

- АИ 011 – приемопередатчик, предназначенный для формирования зондирующих сигналов и приема отраженного от ионосферы сигнала;

- АИ 502 – блок цифровой обработки, предназначенный для кодирования и преобразования информации с последующей передачей в СТКУ:

2.  аналоговый передатчик СОРС-Д, работающий на частоте 137 МГц и предназначенный для передачи на Землю комплексного видеосигнала в аналоговом виде в зоне радиовидимости наземных ионостанций:

3.  антенна Ионозонда.

Ограничения:

·  время непрерывной работы не более 60 мин;

·  перерыв в работе не менее 25 мин.

"Исток-1"

ИК спектрометрическая система "Исток-1" предназначена для измерения спектров собственного теплового излучения атмосферы и подстилающей поверхности при различных углах наблюдения, ИК спектров пропускания атмосферы и углов рефракции видимого излучения в режиме слежения за Солнцем для определения в составе атмосферы содержания озона, углекислого газа, паров воды, закиси азота, метана и азотной кислоты.

Состав КНА "Исток-1".

·  инфракрасный спектрорадиометр (ИКСР)

·  электронное визирующее устройство (ЭВУ)

·  бортовое вычислительное устройство (БВУ)

·  автоматически стабилизируемая платформа (АСП)

·  калибровочный источник спектрорадиометра (КИС)

·  контрольный источник ЭВУ

Технические характеристики:

"МОЗ-Обзор"

Аппаратура "МОЗ-Обзор" предназначена для регистрации отраженного от поверхности Земли и атмосферы излучения Солнца в видимой и ближней ИК областях спектра с последующей передачей этой информации в виде цифровых массивов в ТМ систему.

Аппаратура может работать в ручном и автоматическом режимах.

Аппаратура "МОЗ-Обзор" состоит из следующих приборов:

·  МОЗ - модульный оптико-электронный сканер, включающий в себя оптико-электронный блок, устанавливаемый на иллюминатор, зеркало, блок процессора и блок питания;

·  БВУ "Обзор" - бортовое вычислительное устройство, предназначенное для взаимодействия с СУБК;

·  ПУ "Обзор" - пульт ручного управления;

·  К-1…К-16 - межблочные кабели.

Технические характеристики:

МОМС-2П

Целью космического эксперимента МОМС-2П является решение следующих задач:

·  съемка поверхности Земли;

·  съемка облачного покрова;

·  съемка внутренних водоемов и поверхности океана в районе шельфа.

Виды съемок:

·  во всех спектральных диапазонах видимого спектра с обычным разрешением;

·  в видимом диапазоне спектра с повышенным разрешением;

·  стереосъемка в видимом диапазоне спектра с обычным разрешением.

Съемка полигонов обеспечивается за счет орбитального движения изделия и поперечного сканирования поверхности Земли ПЗС-приемников.

В состав аппаратуры МОМС-2П входят:

·  оптический модуль массой 181 кг (устанавливается снаружи модуля 77КСИ);

·  антенны МОМС НАВ (3 шт. системы GPS);

·  блок питания;

·  магнитофон DCRSi-107 с кассетами.

Тип прибора – модульный оптический многоспектральный стереосканер, позволяющий снимать поверхность Земли в 4 спектральных диапазонах (каналы: 1,2,3,4-спектральные, 6,7-стерео, 5А, 5В-высокого разрешения).

Характеристики каналов:

Технические характеристики:

МСУ-СК

Прибор предназначен для получения и передачи на Землю изображения подстилающей поверхности в однострочном режиме в видимом, ближнем и дальнем ИК диапазонах.

Технические характеристики:

МСУ-Э (многофункциональное сканирующее устройство с электронной разверткой)

Аппаратура состоит из двух приборов МСУ-Э. Прибор предназначен для получения изображения подстилающей поверхности Земли.

При проведении эксперимента ось +Z модуля 77КСИ должна быть направлена по местной вертикали с погрешностью +1 угл. град. Ось Х должна быть направлена по направлению полета, угол С-О-З должен быть больше 115 угл. град. Съемка проводится при минимальной облачности.

Приборы имеют негерметичные корпуса.

Технические характеристики:

"Озон - Мир"

Целью научного эксперимента является измерение с борта ОС спектральных характеристик прямого солнечного излучения, проходящего через атмосферу Земли, при заходах Солнца относительно станции с целью последующей обработки измеренных коэффициентов спектральной прозрачности атмосферы и восстановления вертикальных профилей концентрации кислорода, озона, паров воды и других малых газовых составляющих и аэрозолей.

Аппаратура работает в автоматическом режиме и выполнена в виде 3-х независимых блоков:

·  блока спектрометров;

·  блока электроники;

·  блока питания.

Аппаратура имеет 4 спектральных канала для измерения спектральной прозрачности атмосферы в диапазоне 257-1155 нм.

Технические характеристики:

Канопус

Канопус предназначен для исследования космического пространства как среды обитания биологических и технических объектов.

Дозиметр ДК-1 предназначен для измерения основных дозовых характеристик поля ионизирующих излучений. На модуле 77КСИ "Природа" установлены два блока детектирования (БД-03 и БД-06) и регистратор (БР).

Спектрометр СПЭ-1 предназначен для измерения спектральных и угловых характеристик электронов и протонов низких энергий.

Анализатор С-11 предназначен для измерения динамики энергетического распределения протонов и спектров линейных потерь космических лучей.

"Траверс-1П"

Система "Траверс-1П" - это двухчастотный радиолокатор бокового обзора с синтезированной апертурой. Он предназначен для получения радиолокационных изображений (карт) земной поверхности.

Использование научных данных "Траверс-1П" для исследования поверхности суши позволяет проводить оценку состояния и типа растительности и влажности почв, картографирования рельефа льда и волнения поверхности мирового океана.

Технические характеристики:

Картирующий спектрометр видимого и инфракрасного диапазона

спектрометрическая съемка поверхности и атмосферы марса

Основные научные задачи:

 картирование состава поверхности Марса - вулканических и осадочных пород, измороси и льдов;

 картирование основных газообразных и твердых атмосферных компонент.

Прибор имеет три канала:

 IR - 1 диапазон 2,7 - 5,2 мкм;

 IR - 2 диапазон 1,05 - 2,7 мкм;

 VNIR диапазон 0,35 - 1,05

Основные характеристики:

 спектральное разрешение 50 - 100

 угловое разрешение 4 угл.мин

пространственное разрешение 0,4 - 4 км

 многофункциональную стереоскопическую ТВ-камеру высокого разрешения HRSC, диапазон длин волн 0,4-1,0 мкм;

 ширина полосы обзора 8,8°

 масса 23,7 кг

Пассивное аэрокосмическое зондирование атмосферы и земной поверхности в геоинформационных технологиях исследования и мониторинга окружающей среды

При решении задач ресурсно-экологического мониторинга подстилающей поверхности Земли (ППЗ) с использованием аэрокосмической информации в условиях влияния аэрозольных компонент атмосферы возникает задача предварительной обработки изображений, заключающаяся в фильтрации (подавлении шума) и восстановлении, реставрации изображений (путем "обращения" влияния искажающих факторов). Корректное решение задачи предобработки позволяет повысить точность решения задач тематической обработки данных, в частности, решать задачи обнаружения аномалий ППЗ по серии снимков одного и того же участка поверхности Земли на фоне сезонных вариаций радиояркостей.

В связи с этим прелагается рассмотреть новые подходы к тематической обработки изображений подстилающей поверхности Земли, наблюдаемой со спутников в условиях искажающего влияния атмосферы. В качестве объекта исследования рассматривается поле аэрозольной компоненты атмосферы и тепловые аномалии на земной поверхности.

Для изучения региональных свойств атмосферного аэрозоля применяются различные средства дистанционного мониторинга и в том числе результаты спутниковых измерений. В работе дается оценка принципиальных возможностей использования системы AVHRR/NOAA для проведения в Томском регионе регулярного космомониторинга атмосферного аэрозоля и в том числе дымов от лесных пожаров. С этой целью выполнен сравнительный анализ данных AVHRR/NOAA и наземных измерений ряда характеристик атмосферного аэрозоля (аэрозольная оптическая толщина, коэффициент рассеяния λ=0.52 μm, массовое содержание сажи, счетная концентрация аэрозольных частиц), полученных для условий Томска в летние месяцы 1998-99 г.г.

Предварительная обработка спутниковой информации включает следующие основные этапы:

a.  калибровка, географическая привязка, визуализация и отбраковка облачных снимков;

b) статистический анализ пространственно-временной изменчивости данных в окрестности Томска с целью поиска "темных" участков подстилающей поверхности, характеризующихся малыми значениями альбедо и пространственной квазиоднородностью;

c) атмосферная (молекулярная) коррекция измерений спутниковых измерений с учетом реального состояния атмосферы на момент проведения космомониторинга.

В результате сравнительного анализа спутниковых данных и наземных измерений аэрозольных характеристик получен следующий предварительный вывод. Установлена статистически значимая положительная корреляционная связь между данными первого и второго каналов AVHRR и наземными измерениями. Этот факт говорит о перспективности использования спутниковой информации AVHRR/NOAA для мониторинга в атмосферного аэрозоля и дымов лесных пожаров с использованием адаптированных к условиям наблюдений спутниковых методов и локальных наземных измерений.

Не менее важной задачей космомониторинга является обнаружение очагов пожаров еще на ранней стадии их развития. Это требует эффективного решения задачи автоматического распознавания на спутниковых снимках высокотемпературных аномалий, размеры которых на один-два порядка меньше пространственного разрешения радиометра. Для достижения максимальной точности решения такой задачи очевидна необходимость проведения атмосферной коррекции спутниковых данных, основанной на оперативном учёте оптико-геометрических условий наблюдений. Анализ литературных данных говорит о том, что в силу сложности этой задачи в большинстве спутниковых алгоритмов обнаружения очагов пожаров атмосферная коррекция на практике как правило не осуществляется. Вместе с тем, даже в условиях прозрачной атмосферы коэффициент атмосферного ослабления восходящего теплового излучения очага составляет для углов сканирования радиометра AVHRR/NOAA ( =0-55 ) величину порядка 0,8-0,5. При наличии же аэрозоля этот коэффициент дополнительно уменьшается (до 1,5-2 раз) с ростом аэрозольной оптической толщины (АОТ).

Создание эффективных процедур раннего обнаружения малоразмерных очагов требует учета в 3-ем канале AVHRR (3,75 мкм) такого мешающего фактора, как отраженное поверхностью и рассеянное атмосферой солнечное излучение (солнечная дымка). Как правило, для этого выбирается фиксированное пороговое значение (не учитывающее даже геометрические параметры положения Солнца) или величина, связанная фактически только с зенитным углом Солнца.

Как показывают предварительные оценки в отраженном от атмосферы излучении формируется максимум (в диапазоне высот Солнца 5-15 ), амплитуда которого связана с оптическими характеристиками приземного аэрозоля и направлением вектора вдоль оптической оси прибора. При этом азимутальные различия вклада могут быть достаточно существенны.

Аэрокосмические средства для исследования концентраций озона в атмосфере

Предлагается проект зондов для измерения высотных профилей метеопараметров и концентраций озона в любом районе земного шара. Зонды доставляются в исследуемый регион аэрокосмическим планирующим аппаратом типа “Бор-2”, выводимым на суборбитальную траекторию с последующим планированием ракета-носителями типа “Штиль”. Возможен сброс зондов с высотных самолетов “М-50”, выполнявших замеры концентраций над Антарктидой, поэтому радиозонды выполняются в двух модификациях: для сброса с самолета и с аэрокосмического аппарата.

Информация передается по спутниковым телекоммуникационным каналам. Для входа в атмосферу с суборбитальной траектории зонды помещены в специальную отделяемую защитную спускаемую капсулу, доставляющую приборно-измерительно-передающий контейнер в слой атмосферы на высоте 30-35 км, с которой осуществляется с помощью парашютно-зонтичного устройства снижение до контакта с поверхностью Земли.

Рассмотрены компоновочные схемы двух различных вариантов спускаемой капсулы и для варианта с паразонтичным раскрываемым устройством разработана конструктивная схема разделяемой капсулы и паразонта.

Сделано технико-экономическое обоснование затрат и времени на создание зондов, средств их доставки, а также бортовых и наземных средств информационно-измерительного комплекса. [17]

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Материалы дистанционного зондирования получают в результате неконтактной съемки с летательных воздушных и космических аппаратов, судов и подводных лодок, наземных станций. Получаемые документы очень разнообразны по масштабу, разрешению, геометрическим, спектральным и иным свойствам. Все зависит от вида и высоты съемки, применяемой аппаратуры, а также от природных особенностей местности, атмосферных условий и т.п. Главные качества дистанционных изображений, особенно полезные для составления карт,

- это их высокая детальность, одновременный охват обширных пространств, возможность получения повторных снимков и изучения труднодоступных территорий. Благодаря этому данные дистанционного зондирования нашли в картографии разнообразное применение: их используют для составления и оперативного обновления топографических и тематических карт, картографирования малоизученных и труднодоступных районов (например, высокогорий). Наконец, аэро- и космические снимки служат источниками для создания общегеографических и тематических фотокарт. Съемки ведут в видимой, ближней инфракрасной, тепловой инфракрасной, радиоволновой и ультрафиолетовой зонах спектра. При этом снимки могут быть черно-белыми зональными и панхроматическими, цветными, цветными спектрозональными и даже

- для лучшей различимости некоторых объектов - ложноцветными, т.е. выполненными в условных цветах. Следует отметить особые достоинства съемки в радиодиапазоне. Радиоволны, почти не поглощаясь, свободно проходят через облачность и туман. Ночная темнота тоже не помеха для съемки, она ведется при любой погоде и в любое время суток.
Главные достоинства аэроснимков, космических снимков и цифровых данных, получаемых в ходе дистанционного зондирования, - их большая обзорность и одномоментностъ. Они покрывают обширные, в том числе труднодоступные, территории в один момент времени и в одинаковых физических условиях. Снимки дают интегрированное и вместе с тем генерализованное изображение всех элементов земной поверхности, что позволяет видеть их структуру и связи.

Очень важное достоинство - повторность съемок, т.е. фиксация состояния объектов в разные моменты времени и возможность прослеживания их динамики.

ЛИТЕРАТУРА:

1.  Аксенов С.И. и др. Марс как среда обитания.— Проблемы космической биологии, М., «Наука», 1976, т. 32, 232 с.

2.  Вдовин В.В. Расчет тепловой динамики поверхности Марса.— «Космич. исслед.», 1977, т. 15, вып. 2, с. 238-247.

3.  Изаков М.Н. Структура и динамика верхних атмосфер Венеры и Марса. — «Успехи физ. наук», 1976, т. 119, № 2, с. 295-342.

4.  Изаков М.Н., Морозов С. К. Структура и динамика экваториальной термосферы Марса. — «Космич. исслед.», 1976 т. 14, вып. 3, с. 476-478.

5.  Истомин В.Г. и др. Эксперимент по измерению состава атмосферы на спускаемом аппарате космической станции «Марс-6». — «Космич. исслед.», 1975, т. 13, № 1, с. 16-20.

6.  Козырев Н.А. Спектральные признаки существования снега и льда в атмосфере Марса.— «Изв. Гл. астрон. обе», 1964, т. 23, вып. 5, № 175, с. 72-74.

7.  Кондратьев К.Я., Бунакова А.М. Метеорология Марса.— Л. Гидрометеоиздат, 1973. 62 с.

8.  Кондратьев К.Я. Сравнительная метеорология планет.— Л. Гидрометеоиздат, 1975. 48 с.

9.  Кондратьев К.Я. Метеорология планет. Л., Изд. ЛГУ, 1977. 236 с.

10.  Кондратьев К.Я., Москаленко Н. И. Тепловое излучение планет. Л., Гидрометеоиздат. 1977. 263 с.

11.  Краснопольский В.А., Крысько А. А., Рогачев В. Н. Ультрафиолетовая фотометрия Марса на спутнике «Марс-5».— «Космич. исслед.», 1977, т. 15, вып. 2, с. 255-260.

12.  Сурков Ю.А., Федосеев Г.А. Аргон-40 в атмосфере Марса. — «Космич. исслед.», 1976, т. 14, вып. 4, с. 592-597.

13.  Кондратьев К.Я., Крапивин В.Ф., Пшенин Е.С. Концепция регионального геоинформационного мониторинга. //Исслед. Земли из космоса. 2000. №6. С. 3-10.

14.  Ю.А. Кравцов, Е.Б. Кудашев, М.Д. Раев, Д.А. Бондарев, В.В. Голомолзин. Использование космического мониторинга для оценки опасности жизнедеятельности в больших городах. //Физическая экология (физические проблемы экологии), № 4, С. 144-151. Изд. Физического факультета МГУ. Москва. 1999.

15.  В.П. Мясников, Н.А. Арманд, Ю.А. Кравцов, Е.Б. Кудашев, М.Д. Раев, В.П. Саворский, М.Т. Смирнов, О.В. Сюнтюренко, Ю.Г. Тищенко. Информационные технологии и информационные ресурсы космического экологического мониторинга. // Вестник РФФИ, 2000 г., С. 30-37, №2, (июнь).

16.  Кадлип В., Кравцов Ю.А., Кудашев Е.Б., Раев М.Д., Сюнтюренко О.В., Арманд Н.А., Саворский В.П., Смирнов М.Т., Тищенко Ю.Г, Мясников В.П. Российско-Британский спутниковый экологический мониторинг на основе Web- и Интернет-технологий. // Информационное Общество, 2000 г , №2, С. 59-64.