Дистанционное оптическое зондирование атмосферы

Для всех экспериментов с использованием космических аппаратов серии «Океан-О» характерна комплексность изучения океана и атмосферы, которая достигается оснащением спутников аппаратурой ДЗЗ, работающей в различных областях спектра. При этом осуществляется формирование совмещенного кадра, включающего информацию об одном и том же участке поверхности Земли, полученную одновременно радиолокационной системой бокового обзора (РЛС БО), сканирующим СВЧ- радиометром (РМ-0.8)'и сканирующими устройствами видимого и инфракрасного диапазонов (МСУ-М и МСУ-С).

Радиолокационная система, устанавливаемая на спутниках серии «Океан-О», представляет собой некогерентную импульсную радиолокационную станцию с реальной апертурой антенны 11.3 м. При проектировании РЛС БО ИСЗ «Космос-1500» вследствие ограниченной пропускной способности капала передачи данных было принято решение отказаться от использования антенны с синтезированной апертурой. Радиолокационная система ИСЗ серии «Океан-О» осуществляет зондирование по левую строну от трассы ИСЗ и имеет следующие основные характеристики:

• рабочая длина волны: 3.1 см;

• длительность зондирующего импульса: 3 мкс;

• ширина диаграммы направленности антенны в азимутальной плоскости: 0.2°;

• пространственное разрешение: 1.5 км (по азимуту), 2 км (по дальности);

• поляризация антенны РЛС: вертикальная линейная;

• ширина полосы обзора: 450 км;

• максимальная продолжительность непрерывной работы: 15 мин.

Многоспектральное сканирующее устройство МСУ-М предназначено для получения изображений поверхности океана и ледовых полей в диапазонах 0.5--0.6, 0.6--0.7, 0.7--0.8 и 0.8--1.1 мкм. Съемка осуществляется в полосе обзора 1930 км с пространственным разрешением

1 х 1.7 км. Время непрерывной работы не превышает 30 мин. Предусмотрена установка сканера МСУ-М на поворотной платформе, позволяющей разворачивать плоскость сканирования в секторе углов ±25° с шагом 5°. Выбор величины угла поворота плоскости сканирования определяется высотой и азимутом Солнца.

Сканирующее устройство МСУ-С используется для решения тех же задач, что и МСУ-М, но имеет повышенное до 345 м пространственное разрешение в полосе обзора 1280 км. Съемка осуществляется в двух спектральных диапазонах 0.5--0.7 и 0.7--1.0 мкм.

Сканирующий радиометр РМ-0.8 обеспечивает прием собственного радиоизлучения поверхности Земли на частоте 0.8 см. Съемка ведется в полосе обзора 550 км. Пространственное разрешение при этом составляет 15 х 20 км, а температурное -- 0.3 К. Время непрерывной работы радиометра ограничивается 15 минутами.

Система «Кондор-2», предназначенная для сбора информации с платформ геофизического мониторинга, расположенных в полосе шириной 600 км вдоль трассы ИСЗ, осуществляет прием информации с платформ на частоте 1533.4 МГц со скоростью 500 бит/с, а затем передачу Слученных данных в наземный центр обработки на частоте 460.03 МГц

со скоростью 2 кбит/с.

Система «ОКЕАН» включает один-два космических аппарата типа «Океан-О», три оперативных центра приема и обработки данных (ОЦПОД) Росгидромета (Москва, Новосибирск и Хабаровск), а также упрощенные приемные комплексы, находящиеся непосредственно у потребителей, передача информации дистанционного зондирования в полном объеме осуществляется по радиолинии дециметрового диапазона (с ИСЗ «Космос-1500» на частоте 466.5 МГц) в ОЦПОД. В метровом диапазоне волн на частоте 137.4 МГц данные передаются массовым потребителям в стандартном режиме АРТ.

7. Космические системы исследования атмосферы земли

Задачи исследования атмосферы Земли условно могут быть разделены на два класса: изучение физических процессов, протекающих в земной атмосфере, и определение ее химического состава.

Определение вертикальных профилей температуры и влажности атмосферы осуществляется на основе измерения характеристик уходящею излучения в инфракрасном и микроволновом диапазонах. Устройств.I микроволнового и инфракрасного зондирования позволяют разделять излучения, соответствующие разным высотам, благодаря зависимости степени расширения линий излучения газовых компонентов от атмосферного давления и, как следствие, от высоты соответствующего газовою слоя. В качестве индикаторных газов при измерении вертикальных профилей температуры обычно используются кислород или углекислый 1а относительно равномерно распределенные в атмосфере. Для определения профилей влажности спектральные диапазоны устройств микровод нового и инфракрасного зондирования выбираются совпадающими со спектральными линиями водяного пара.

Определение концентрации в атмосфере различных газовых компонентов осуществляется путем измерения характеристик отраженных электромагнитных волн на частотах, соответствующих линиям поглощения, излучения и рассеяния этих газов. Измерения проводятся в широком участке спектра от ультрафиолетового до микроволнового диапазон; При этом относительно широкополосные радиометры могут быть использованы только для определения концентрации озона, в то время как характеристические линии других малых газовых компонентов являются весьма тонкими и могут быть выявлены лишь при помощи аппаратуры с высоким спектральным разрешением. По принципу леи ствия аппаратуру определения химического состава атмосферы разделяют на приборы с наблюдением в надир и приборы, работающие I режиме наблюдения лимба. В первом случае обеспечивается достаточно высокое пространственное разрешение по горизонтали и низкое по вертикали, а во втором -- высокое вертикальное (несколько км) и низ кое (около 100 км) горизонтальное разрешение.

7.1 Космический аппарат исследования верхних слоев атмосферы UARS

Общая характеристика ИСЗ Uars

Космический аппарат NASA, получивший наименование Uars (Upper Atmosphere Research Satellite), является первым спутником, запущенным по программе «Миссия к планете Земля» (Mission to Planet Earth), и крупнейшим ИСЗ исследования атмосферы. Спутник был выведен на орбиту высотой 600 км с наклонением 57° в сентябре 1991 г. в ходе полета многоразового транспортного космического корабля (МТКК) Shuttle по программе STS-48. Расчетный срок активного функционирования ИСЗ Uars составлял три-четыре года и в настоящее время спутник прекратил работу.

Программа UARS была предложена в 1976 г., прежде всего, в ответ на усилившиеся опасения относительно разрушительного антропогенного воздействия на озоновый слой Земли. Таким образом, основной целью орбитального эксперимента, начатого в 1991 г., являлось получение исчерпывающих данных, необходимых для изучения процессов истощения стратосферного озона. Четыре прибора (CLAES, ISAMS, MLS и HALOE), установленные на спутнике, обеспечивали измерение температурных профилей и концентрации озона, метана, водяного пара и основных малых газовых компонентов, таких, например, как хлорфтороуглеродов, оказывающих наиболее губительное воздействие на озоновый одой. Аппаратура HRDI и WINDII использовалась для картирования ветровых полей в верхних слоях атмосферы на основе доплеровских измерений. Еще три прибора ДЗЗ (SUSIM, SOLSTICE и РЕМ) были предназначены для контроля солнечного излучения и заряженных частиц, существенным образом влияющих на химический состав и динамику верхних атмосферных слоев.

Дополнительно в ходе эксперимента исследовались вопросы, связанные с энергетическим балансом в верхних слоях атмосферы, глобальными фотохимическими процессами, взаимодействием верхней и нижней атмосферы, а также взаимосвязью всех вышеперечисленных факторов.

Бортовая аппаратура ИСЗ Uars

Прибор ACRIM-2 (Active Cavity Radiometer Irradiance Monitor) обеспечивает получение информации о яркости Солнца и определение солнечной постоянной, а также анализ временных вариаций суммарной интенсивности солнечного излучения в диапазоне от 1 нм до 1 мм с точностью не хуже 0.1%. Скорость передачи информации составляет 1 кбит/с.

Спектрометр CLAES (Cryogenic Limb Array Etalon Spectrometer) предназначен для определения концентрации азота, производных хлора, озона, водяного пара, метана и углекислого газа. Анализ содержания С0₂ осуществляется с целью определения температуры атмосферы на различных высотах. Одновременно обеспечивается измерение на 20 высотах в диапазоне от 10 до 60 км. Спектрометр имеет следующие технические характеристики:

• рабочие длины волн: 3.5, 6, 8, 12.7 мкм;

• пространственное разрешение: 2.8 км (по вертикали), 480 км (по горизонтали);

• точность измерения: 20% или ЗК (в средней стратосфере);

• ширина полосы обзора: 50.7 км (перекрытие лимба по вертикали):

• скорость передачи информации: 3 кбит/с.

Экспериментальный прибор HALOE (Halogen Occultation Experiment) использовался для анализа вертикальных профилей концентрации плавиковой и соляной кислот, а также метана, водяного пара и производных азота. Кроме того, результаты измерения содержания углекислого газа, полученные при помощи прибора HALOE, использовались для анализа температуры атмосферы совместно с профилями давления.

Характеристики экспериментального прибора HALOE следующие:

• рабочие длины волн: 2.43 и 10.25 мкм;

• вертикальное разрешение по лимбу: около 4.5 км;

• горизонтальное разрешение по касательной к лимбу: около 300 км;

• точность измерений: 10--30%;

• ширина полосы обзора: 6-150 км (перекрытие лимба по вертикали);

• скорость передачи информации: 4 кбит/с.

Усовершенствованный зондировщик 1SAMS (Improved Stratospheric and Mesospheric Sounder) предназначен для определения концентрации азота, озона, водяного пара, метана, окиси углерода, а также содержания атмосферных аэрозолей. Также предусмотрена возможность определения температуры атмосферы в зависимости от высоты на основе анализа содержания углекислого газа.

Прибор имеет следующие технические характеристики:

• рабочий диапазон: 4.6--16.6 мкм;

• пространственное разрешение по лимбу: 2.6 км (вертикальное), 18 км (горизонтальное);

• ширина полосы обзора: 65 км (перекрытие лимба по вертикали):

• скорость передачи информации: 1.25 км.

Микроволновый зондировщик MLS (Microwave Limb Sounder) использовался для анализа излучений окиси хлора, водяного пара и озона с длиной волны 4.8, 1.64 и 1.46 мкм, а также для определения атмосферного давления и вертикального профиля температуры на основе анализа излучений молекулярного кислорода.

Прибор MLS имеет следующие характеристики:

• рабочие частоты: 63, 183 и 205 ГГц;

• пространственное разрешение по лимбу: 4 км (вертикальное), около 400 км (горизонтальное);

• точность измерений: 5--25%;

• ширина полосы обзора:

15--85 км с полным покрытием лимба по вертикали (нормальный режим),

18 км с возможностью вертикального сканирования по всему лимбу (дополнительный режим);

• скорость передачи информации: 1.25 кбит/с.

Монитор РЕМ (Particle Environment Monitor) предназначен для детального анализа ультрафиолетового излучения, а также типа, количества, энергии и распределения заряженных частиц, влетающих в термосферу, мезосферу и стратосферу Земли.

Экспериментальный прибор SOLSTICE (Solar/Stellar Irradiance Comparison Experiment) обеспечивал исследование временных вариаций спектра излучения солнечного диска в УФ-диапазоне частот. Калибровка прибора осуществлялась путем сравнения интенсивностей УФ-излучений Солнца и ярких стабильных звезд. Характеристики прибора SOLSTICE:

• рабочий диапазон длин волн: 115--430 нм;

• ширина полосы пропускания (спектральное разрешение):

0. 12 или 0.25 нм (при анализе излучения Солнца),

5 или 10 нм (при анализе излучения звезд);

• точность измерений: не хуже 5%;

• скорость передачи информации: 0.25 кбит/с.

Монитор SUSIM (Solar Ultraviolet Spectral Irradiance Monitor) предназначен для решения тех же задач, что и прибор SOLSTICE и имеем следующие технические характеристики:

• рабочий диапазон длин волн: 120--400 нм;

• ширина полосы пропускания: 0.15 нм;

• точность измерений: 1%;

• скорость передачи информации: 2 кбит/с.

Интерферометр WINDII (WIND Imaging Interferometer) и прибор HRDI (High Resolution Doppler Imager) устанавливались на ИСЗ Uars для проведения круглосуточных наблюдений ветра на высотах от 80 до 300 км путем измерения доплеровского сдвига линий излучения нейтрального и ионизированного атомарного кислорода, двух линий молекул гидроксила, а также молекулярного кислорода. Кроме того, интерферометр WINDII использовался для измерения температуры атмосферы и определения концентрации излучающих компонент атмосферы и имел следующие характеристики:

• диапазон длин волн: 0.55--0.78 мкм;

• пространственное разрешение:

• км (вертикальное),

25 км (горизонтальное);

• точность измерения скорости ветра: 10 м/с;

• ширина полосы обзора: 70--310 км;

• скорость передачи информации: 2 кбит/с.

7.2 Космические аппараты изучения озонового слоя земли серии TOMS-EP

Космические аппараты серии Toms-EP (Total Ozone Mapping Spectrometer -- Earth Probe) используются для продолжения серии экспериментов, начатых при помощи аппаратуры исследования озонового слоя Земли, установленной на ИСЗ Nimbus-7.

В соответствии с программой TOMS-ЕР был запланирован запуск двух спутников на солнечно-синхронные орбиты высотой 955 км с наклонением 99.3° и местным временем пересечения экватора в восходящем узле орбиты 11.00--12.00. Успешный запуск первого ИСЗ Toms-EP состоялся 9 августа`1995 г. с помощью ракеты-носителя Pegasus-XL с полигона NASA в Wallops WFF (Wallops Flight Facility). Спутник был выведен на орбиту высотой 670--690 км с периодом обращения 98 мин. Очередной космический аппарата этой серии, стоимость которого оценивается в 7.6 млн долл., выведен на орбиту 2 июля 1996 г.

Разработка ИСЗ серии Toms-EP (рис. 15) осуществляется фирмой TRW, для создания аппаратуры дистанционного зондирования привлекается фирма Perkin-Elmer. Корпус космического аппарата изготовлен на основе платформы Eagle фирмы TRW и имеет вид шестиугольной призмы с диаметром основания 99 см и высотой 168 см без специальной аппаратуры. Общая площадь двусторонних панелей солнечных батарей составляет 6.25 м², при этом обеспечивается мощность бортовой энергетической установки не ниже 223 Вт в конце срока существования. В области тени питание обеспечивается одной универсальной никель-кадмиевой батареей емкостью 9 Ач. Стабилизация ИСЗ трехосная с точностью ориентации не хуже 0.5°.

Рис. 15 Космические аппараты серии TOMS-EP

Основным прибором ДЗЗ, устанавливаемым на спутниках серии Toms- ЕР, является спектрометр картирования озонового слоя TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer), который представляет собой многочастотную систему, работающую в УФ-диапазоне и предназначенную для определения содержания в атмосфере озона и двуокиси серы. Многолетний эксперимент, проводимый с помощью приборов TOMS (аналогичные приборы устанавливаются на японских ИСЗ Adeos и российских метеоспутниках серии «Метеор-3»), направлен на изучение динамики распределения озона в атмосфере, контроль за состоянием «озоновой дыры» над Антарктикой, измерение характеристик озонового слоя в арктической зоне.

Прибор TOMS основан на монохрометре Фасти-Эберта диапазона 3086--3600 А и обеспечивает измерение ежегодного изменения концентрации озона в атмосфере с точностью до 0.1 %. Возможность поперечного сканирования позволяет реализовать достаточно высокое пространственное разрешение при картировании озонового слоя. Спектрометр имеет следующие основные характеристики:

• рабочие длины волн: 0.3086, 0.3125, 0.3175, 0.3223, 0.3312 и 0.36 мкм;

• мгновенное поле зрения: 3°;

• ширина полосы обзора: 2800-3100 км;

• разрешающая способность: 47 х 47 км (в надире), 62 х 62 км (среднее разрешение в полосе обзора);

• масса прибора: 20 кг;

• потребляемая мощность: 22 Вт.

В течение суток информация со спектрометра со скоростью около 736 бит/с регистрируется на твердотельное бортовое запоминающее устройство, а затем в S-диапазоне передатчиком мощностью 2 Вт сбрасывается на приемную станцию командно-измерительного комплекса DSN или полигона Wallops со скоростью 202.5 или 50.6 кбит/с. Совмещенный центр управления полезной нагрузкой и обработки поступающей информации находится в НИЦ им. Годдарда NASA.

Размещено на Allbest.ru