Глава 14. Аэрокосмические методы изучения земли.

В настоящее время благодаря спутникам и космическим кораблям, оснащённым приборами для астрономических наблюдений, специалисты получили возможность расширить геофизическую экспериментальную область науки и создать экспериментальную астрономию, предметом исследования которой стала вся Солнечная система.

Естественная система наблюдений "глаз-мозг" наилучшим образом приспособлена для оценки характерных особенностей окружающей среды. Однако она имеет ряд недостатков, которые преодолеваются искусственной системой наблюдений, позволяющей: 1) получать более широкий спектр физических характеристик, 2) вести более длительные наблюдения, 3) использовать более совершенную систему вызова образа из памяти, которая позволяет с большой точностью сравнивать образы, зафиксированные в разные моменты времени, 4) воспроизводить информацию на заданной скорости, 5) проводить объективный автоматизированный анализ, исключающий субъективизм наблюдателя, 6) применять средства усиления изображений, позволяющие обнаружить или подчеркнуть определённые явления.

В зависимости от регистрируемых геофизических полей, а также длин электромагнитных волн выделяются следующие виды дистанционных работ: космофотосъёмка (КФС) и аэрофотосъёмка (АФС); телевизионная (ТС), инфракрасная (ИК) и радиотепловая (РТ), радиолокационная (РЛ), многоспектральная (МС), ультрафиолетовая (УФ), лазерная (лидарная) (ЛС). К дистанционным относятся также аэромагнитные и аэрорадиометрические съёмки. Главная сложность дистанционного подхода заключается в трансформировании измерений в физические, химические, биологические и географические параметры (биомассы растений, загазованность атмосферы, снежный и ледовый покровы и т. д.). Электромагнитные свойства объекта, принимаемые дистанционным датчиком, преобразуются из двумерной проекции расцвеченного 3-мерного пространства в 5-мерное множество, которое содержит огромное количество информации.

В подавляющем числе случаев связь между наблюдаемыми характеристиками и исследуемыми параметрами окружающей среды бывает слишком сложной для математического переложения, поэтому только разумные упрощения, придуманные аналитиками, приводят к полезным и довольно точным решениям. Различают пассивные и активные методы дистанционных наблюдений, в качестве примеров первых можно привести радиометры, а вторых - радары.

Спутниковая альтиметрия принадлежит к активным методам дистанционного зондирования поверхности океана с орбиты. Расстояние от подстилающей поверхности до спутника рассчитывается по времени возврата зондирующего радиоимпульса. По данным отражённого сигнала получают информацию о высотах ветровых волн и скорости приводного ветра. Аномалии высоты морской поверхности, как отклонения от среднего уровня служат оценками синоптической изменчивости природных явлений над океаном, то есть отражают динамизм топографии поверхности раздела океана и атмосферы - главной энергоактивной зоны взаимодействия геосфер и глобального источника движения частиц в общем круговороте веществ на Земле.

Начиная с первой половины 70-х гг. ХХ в., данные альтиметра "SEASAT" использовались для расчёта скоростей поверхностных течений океана с точностью до 20-30 см/с. Точность определения расстояния до спутника теперь достигает величины 2 см. Для вычисления позиции самого спутника относительно отсчётного эллипсоида с центром, совпадающим с центром масс Земли, служит сеть из нескольких десятков наземных радиомаяков, передающих сигналы, улавливаемые спутником. Организация баз данных спутниковой альтиметрии основана на информации о высоте поверхности океана или аномалий уровня вдоль трека, либо в виде массивов полей этих параметров, интерполированных в узлы регулярной сетки. Инфракрасные радиометры измеряют величину потока излучения, попадающего на детектор и применяются для картирования температуры, начиная от глобальных масштабов и кончая небольшими участками возле электрических опор. Микроволновые радиометры измеряют излучение в диапазоне длин волн 1-100 мм. Использование волн в микроволновом диапазоне позволяет наблюдать поверхность суши и океана и предметы на ней сквозь облачный покров.

Специалисты выделяют три типа приборов для дистанционных наблюдений, которые устанавливаются на метеорологических спутниках: 1) аппаратура видимого диапазона (телевизионные камеры, вращающиеся сканирующие камеры и радиометры видимого диапазона), 2) инфракрасные радиометры для исследования атмосферы в горизонтальной протяжённости, 3) спектрометры - для зондирования атмосферы по вертикали.

Из неназемных установок для научных исследований природы Земли, которые разделяются на лабораторные и экспедиционные, существуют следующие носители аппаратуры для наблюдений: 1) аэростаты, воздушная фотосъёмка которых была использована ещё в 1862 г. во время гражданской войны в Америке, 2) самолёты, поднимающиеся на высоту порядка 15 км и снимающие территорию площадью от 1 до 4 сотен км², 3) радиоуправляемые летательные аппараты, первоначально предназначавшиеся для военной разведки, 4) баллистические научно-исследовательские ракеты, которые позволяют получить изображение площади в 500 тыс. км², 5) искусственные спутники Земли: автоматические спутники и пилотируемые космические корабли.

Частью глобальной системы мониторинга климата океана является проект ARGO - система спутникового слежения за 3 тысячами дрейфующих морских буйковых станций, передающих информацию о характеристиках температуры и солёности воды в верхнем 2000-метровом слое. Один раз в 10 дней каждый дрейфующий в толще воды буй всплывает на поверхность океана и, фиксируя точные координаты места всплытия, передаёт вертикальные профили океанологических характеристик по спутниковым каналам связи. После предварительной обработки эти данные поступают в Интернет.

Другой проект MERCATOR предназначен главным образом для наблюдения за состоянием Мирового океана с помощью всех доступных средств: научно-исследовательских судов, попутных наблюдений с борта транспортных и промысловых судов, буйковых станций, аэрокосмических съёмок и т. д. Судовая ГИС (геоинформационная система) считается основой информационного обеспечения научно-исследовательского флота. Большой объём получаемой океанологической информации и задачи её анализа со временем потребовали создания так называемых геоинформационных технологий, употребляемых непосредственно на борту исследовательского судна.

Архивы и базы океанографической информации содержатся в национальных и мировых центрах данных (НЦД и МЦД), поставляющих пользователям необходимые сведения через Интернет или на технических машинных носителях. Другим примером геоинформационных систем, связанных с водными объектами, служит ГИС "Озёра Мира" (WORLDLAKE), которая разрабатывается для решения широкого круга лимнологических задач, связанных с оценками запаса пресной воды, изучением закономерностей морфометрии озёр, глобальной изменчивости пресноводного баланса и др.