Метеорологические спутники Советского Союза и других стран

В СССР один из спутников серии «Космос» является метеорологическим спутником с высотой орбиты 900 км, наклонением орбиты к экватору 81,3°. В последние десять лет эксплуатационным метеорологическим космическим аппаратом в СССР стал спутник «Метеор». Два или три спутника этой серии находятся на орбите одновременно. Спутники «Метеор» собирают информацию о состоянии атмосферы, тепловом излучении Земли, потоках заряженных частиц. Метеоданные с борта спутников могут непосредственно принимать более пятидесяти метеостанций на территории СССР. Полезный груз спутника в основном состоит из оптико-механического телевизионного оборудования, работающего в видимой области спектра. Кроме того, имеется сканирующая инфракрасная аппаратура для получения данных о содержании влаги в атмосфере и вертикальном профиле температур. Предупреждения о внезапных изменениях погоды по объединенным данным с метеорологических радиолокационных станций и спутников передаются по радио из Москвы, Ленинграда и других центров, а специальная служба сообщает эту информацию на суда и самолеты.

Советские метеорологические спутники «Метеор» начали функционировать в рамках программы экспериментов серии «Космос». Таковыми были спутники «Космос-44, -58, -100, -118, -122 и -144».

Спутник «Космос-122», запущенный в июне 1966 г., имеет две системы ориентации. Одна система обеспечивает ориентацию цилиндрического центрального тела с установленными на нем телевизионными камерами и инфракрасными датчиками по вертикали к Земле, другая постоянно ориентирует две большие панели солнечных батарей на Солнце, чтобы вырабатывать максимальную электроэнергию для питания бортовых систем. Конструктивно система ориентации спутника была выполнена как трехосная маховиковая система.

Запуск спутника «Космос-156» предварял развертывание национальной системы распределения метеоданных. «Метеор-1» был запущен 26 марта 1969 г. на орбиту с высотами перигея 644 км и апогея 713 км и наклонением орбиты к экватору 81,2°.

В настоящее время спутники «Метеор», разработанные на базе предшествующих моделей, постоянно наблюдают за Землей от полюса до полюса, ежечасно охватывая территорию площадью 30 000 кв. км. Находясь на теневой стороне Земли, спутники получают изображения с помощью инфракрасных датчиков, реагирующих на тепловое излучение поверхности Земли, океанов и облаков.

Типичным спутником этого семейства является «Метеор-2-04», запущенный 1 марта 1979 г. на орбиту с высотами 839 X 897 км и наклонением орбиты к экватору 81,22°. Обычно на орбите находятся три спутника на угловом расстоянии 90—180°, которые проходят над определенным районом с интервалами 6 и 12 ч. Спутники накапливают информацию и передают ее на наземные станции по команде.

Приемные центры Гидрометеорологической службы СССР обеспечивают максимально возможное распространение метеорологической информации. Основные центры расположены в Москве, Новосибирске и Хабаровске.

Спутниковая система «Метеор» пользуется большим спросом; она обеспечивает регулярное прогнозирование погоды, включая оповещение о быстро развивающихся тропических бурях. Такая служба информации имеет особо важное значение для предсказания схода снежных лавин с гор и для планирования систем ирригации в отдаленных районах. Она продемонстрировала большие преимущества при прокладке маршрутов судов вне районов бурь, штормовых морей, сильных ветров и скоплений льда, что дало экономический эффект, оцениваемый миллионами рублей.

Французский Национальный центр по исследованию космоса - СНЕС (франц. CNES — Centre National d'Etude Spatiales) и НАСА (США) осуществили международную программу «Эол».

Система «ИТОС»

Спутники системы «ИТОС» функционируют на солнечно-синхронной¹ круговой орбите высотой 1463 км. За период обращения спутника, равный 115 мин, Земля поворачивается на угол 28,5°. Углы обзора датчиков обеспечивают наблюдение смежных областей с соседних орбит, а также по трассам полета; в результате глобальное наблюдение осуществляется в течение 12,5 витка ежесуточно.

Система «ИТОС»/«НОАА» обеспечивает как непосредственную передачу информации в реальном масштабе времени на приемные станции типа АПТИ (англ. APT — Automatic Picture Transmission TV — Автоматизированная Передача Телевизионных Изображений) по всему миру, так и с записи на две станции КДА (англ. CDA — Command and Data Acquisition — получение информации по командам) в США для последующей передачи в Национальную спутниковую метеослужбу в г. Сьютленд, шт. Мэриленд, для обработки и распределения. Данные в реальном масштабе времени для местных потребителей включают: информацию в видимом и инфракрасном диапазонах, полученную с помощью сканирующего радиометра с разрешающей способностью 3,7 и 7,4 км соответственно; информацию в инфракрасном и видимом диапазонах, полученную с помощью радиометра с разрешающей способностью 0,9 км, и вертикальные профили температур атмосферы от поверхности Земли до высоты около 30 500 м, также полученные с помощью радиометра.

Записанные данные, предназначенные для передачи на станции КДА, включают информацию от радиометров, а также от датчика, регистрирующего протонную и электронную составляющие потока солнечного излучения на высоте орбиты. Данные радиометров записываются в глобальном масштабе. Накопление информации от радиометра с очень высокой разрешающей способностью ограничено временем видения выбранного района Земли с каждого витка, составляющем 9 мин.

Система управления ориентацией спутника «ИТОС» постоянно ориентирует его таким образом, что датчики направлены непосредственно на Землю и сканируют в плоскости, перпендикулярной плоскости ее орбиты. Точность ориентации по осям крена, рыскания и тангажа постоянно поддерживается в пределах менее ±0,5°.

Спутник имеет прямоугольную коробчатую конструкцию с приблизительными размерами 102 x 102 x 122 см. Масса аппарата серии «ИТОС-D» 340 кг.

Система «Тирос-N»

В октябре 1978 г. НАСА и НОАА ввели в эксплуатацию спутник «Тирос-N» — метеорологический эксплуатационный спутник третьего поколения, функционирующий на полярной орбите. Аппарат снабжен усовершенствованными датчиками и приборами, система сбора информации принимает данные от шаров-зондов и буев, расположенных по всему земному шару. Спутники «Тирос-N» и «НОАА-6» вместе с тремя спутниками «ГОЭС» составили вклад США в ФГГЕ (англ. FGGE — First Global GARP Experiment — первый глобальный эксперимент по программе ГАРП¹). Кроме того, эти спутники обеспечили НОАА глобальной метеорологической информацией, поддерживающей развитие эксплуатационного и экспериментального направлений всемирной программы наблюдения погоды.

Информация, собранная с помощью усовершенствованных приборов этих спутников, обрабатывается и хранится на борту для передачи через станции КДА в центральный пункт обработки в г. Сьютленд, шт. Мэриленд. Данные также передаются в реальном масштабе времени на удаленные станции, расположенные по всему миру.

Спутник «Тирос-N» функционирует на приполярной круговой солнечно-синхронной орбите с номинальной высотой в диапазоне 833—870 км. В эксплуатационном построении системы используются два спутника с номинальным угловым расстоянием в плоскости орбиты 90°.

Полезный груз спутника «Тирос-N» состоит из следующих приборов:

1. Усовершенствованного радиометра с очень высокой разрешающей способностью, который представляет собой четырехканальный прибор с поперечным сканированием, обеспечивающий получение изображений и радиометрической информации в видимой области спектра, а также в ближней и дальней инфракрасных областях спектра. (Прибор поставлен фирмой «Интернэшнл телефон энд телеграф».)

2. Подсистемы вертикального зондирования, состоящей из:

а) инфракрасного зонда с высокой разрешающей способностью, представляющего собой 20-канальный радиометр с шаговым сканированием, работающий в видимом и инфракрасном диапазонах и предназначенный для получения профилей температур и загрязнений тропосферы (прибор также поставлен фирмой «Интернэшнл телефон энд телеграф»);

б) стратосферного зонда, представляющего собой трехканальный импульсно-модулированный спектрометр с шаговым сканированием, работающий в дальней инфракрасной области и предназначенный для получения профилей температур стратосферы (прибор был поставлен Британской метеорологической службой);

в) микроволнового зонда, представляющего собой четырехканальный спектрометр с шаговым сканированием с чувствительностью в диапазоне частот излучения кислорода (60 ГГц) и предназначенного для получения профилей температур атмосферы при наличии облаков (прибор был поставлен Лабораторией реактивного движения).

3. Системы сбора информации, представляющей собой систему с произвольным порядком выборки, предназначенную для сбора метеорологической информации с подвижных и стационарных пунктов, таких, как буи, шары-зонды и метеостанции. (Система поставлена французским Национальным центром по исследованию космоса.)

4. Регистратора космической обстановки, представляющего собой мультидетектор, предназначенный для контроля энергии электронной и протонной составляющих потока солнечного излучения в окрестности спутника. (Прибор поставлен фирмой «Аэронутроник Форд».)

Кроме этих основных элементов компоновки при разработке требований к конструкции космического аппарата была учтена возможность установки ряда перспективных приборов. В результате по мере развития технологии конструкция спутника будет модифицирована. На перспективных аппаратах «Тирос-N» планировалось добавить пятый канал усовершенствованного радиометра. Спутник «НОАА-Е», шестой космический аппарат серии «Тирос-N», представляет собой усовершенствованный аппарат, предназначенный для решения задач поиска и спасения. Полезный груз «НОАА-Е» используется в соответствии с совместной программой США и Канады проведения экспериментальной операции, которая позволит получить информацию для опознавания и определения местоположения потерпевших аварию самолетов и терпящих бедствие судов. Спутник, находящийся над соответствующим районом, сможет принять сигналы тревоги и передать информацию спасательным службам. Бортовой процессор, поставленный Национальным центром по исследованию космоса, позволит установить местоположение терпящего аварию объекта. В программе принимает участие СССР.

В состав полезного груза спутника «НОАА» входят приборы, предназначенные для измерения обратного рассеивания ультрафиолетового излучения Солнца и альбедо Земли. Эти приборы используются для измерений содержания озона, падающего и отраженного излучений планеты.

Программа «ДМСП»

С середины 60-х годов министерство обороны США осуществляло программу «ДМСП» (англ. DMSP — Defense Meteorological Satellite Program — военная программа метеорологических спутников). В соответствии с этой программой система приполярных спутников находится под контролем организации ВВС США САМСО (англ. SAMSO — Space and Missile Systems Organization, Air Force Systems Command — Организация космических и ракетных систем, Управление систем ВВС).

Космический аппарат «ДМСП» был разработан отделением «Астроэлектроникс» фирмы «Рэдио корпорейшн оф Америка», а основной комплект чувствительных элементов поставлен фирмой «Вестингауз».

Задачей системы «ДМСП» является снабжение метеорологической службы ВВС глобальной метеорологической информацией в обеспечение военных операций в любом районе земного шара, совершенствование технологии космических метеонаблюдений с целью удовлетворения требований министерства обороны и тактической поддержки действий министерства обороны непосредственной передачей метеорологической обстановки в отдельных районах.

В состав системы «ДМСП» входят два спутника на солнечно-синхронных полярных орбитах высотой 833 км, каждый из которых оснащен метеорологическими датчиками. На каждом спутнике установлены приборы для получения изображений основного облачного покрова, способные осуществлять глобальный обзор Земли в видимом и инфракрасном областях спектра. Каждый спутник накапливает информацию путем непрерывного поперечного сканирования в пределах полосы шириной 2960 км. В конечной форме информация представляется либо в виде машинных распечаток по определенной форме, либо в виде фотоизображений, пригодных для непосредственного визуального анализа.

Выдача команд и управление спутниками осуществляются из пунктов, расположенных на авиабазах Лоринг, шт. Мэн, и Ферчайлд, шт. Вашингтон. Эти пункты также принимают информацию, записанную на магнитную ленту на борту космического аппарата, которая передается системой спутниковой связи в Центр глобальной метеорологии ВВС на авиабазе Оффут, шт. Небраска. Она также передается непосредственно со спутника «ДМСП» на аэродромы ВВС и ВМС и на авианосцы, дислоцированные по всему миру.

Когда сильные ураганы «Давид» и «Фредерик» обрушились на Карибское море и двигались на восток и к побережью Мексиканского залива в августе — сентябре 1979 г., сотни тысяч жизней были спасены благодаря тому, что на орбитах находились метеорологические спутники. Данные, полученные с этих спутников, позволили метеорологам определять направление движения ураганов с большой точностью и своевременно оповещать местное население об их приближении. В комплекс спутников, осуществлявших наблюдения в то время, входили геостационарные спутники, функционирующие в соответствии с программой глобальных атмосферных исследований (ГАРП) 1978—1979 гг., направленной на изучение глобальных процессов, приводящих к изменениям погоды и климата, и, таким образом, способствующей деятельности Всемирной службы погоды, которая ежесуточно проводит более 40 000 наблюдений. 147 стран — членов Всемирной метеорологической организации и Международного совета научных объединений принимали участие в этом самом крупном совместном эксперименте, который включал наблюдения и измерения с борта судов, самолетов, буев, шаров-зондов, метеорологических ракет и спутников для слежения за движением воздуха и влаги над каждым районом земной поверхности. Целью исследований было определение практических пределов предсказания погоды и, исходя из этого, технического облика соответствующей системы всемирного обзора. Спутники, работающие в видимом и инфракрасном диапазонах спектра, регулярно передавали дневные и ночные изображения облачного покрова Земли. Эти изображения позволили метеорологам опознавать, отслеживать и регистрировать сильные бури, состояние снежных покровов, температуры морской поверхности и атмосферы, ураганы и тайфуны. Пять геостационарных спутников международной системы (см. диаграмму внизу) включали три американских спутника «СМС»/«ГОЭС», один спутник «Метеосат», изготовленный в Европе, и один японский геостационарный метеорологический спутник «ГМС», изготовленный в США. На рисунке справа показано относительное расположение этих спутников и границы областей измерений при различных углах обзора: при 10°— области связи; при 20°— области информации об облачности; при 30°— измерения скорости ветра с точностью 5 м/с; при 40°— измерения скорости ветра с точностью 2,5 м/с.

Система «СМС»/«ГОЭС»

Возможности системы «CMC»/«ГОЭС» позволяют получать изображения Земли в дневное и ночное время, передавать изображения, собирать и транслировать информацию от наземных пунктов накопления данных и анализировать космическую обстановку. Однако наиболее важным свойством геостационарных спутников, по-видимому, является их способность показывать в реальном масштабе времени сильные возмущения погоды в различных масштабах их протяженности и перемещений.

На диаграмме (с. 74—75) показаны области обзора и линии связи двух спутников «СМС»/«ГОЭС», расположенных приблизительно на 75 и 135° з.д. С этих позиций в поле их зрения находятся вся Северная и Южная Америка и омывающие их океаны.

В состав космического аппарата «СМС»/«ГОЭС» входят: работающий в видимом и инфракрасном диапазонах спектра радиометр с вращательным сканированием для получения изображений с высоким разрешением в инфракрасном диапазоне каждые 30 мин; система связи для сбора и передачи информации и подсистема регистрации космической обстановки. Радиометр развертывает изображения с запада на восток в видимой области спектра по восьми идентичным каналам и в инфракрасной области спектра по двум дополнительным каналам. Разрешение в видимых лучах составляет 0,8 км, в инфракрасных лучах — 6,4 км.

Система сбора информации накапливает и распределяет метеоданные, полученные от отдаленных, обитаемых или автоматических, пунктов сбора на земле, в море или в атмосфере. К таким пунктам относятся оснащенные приборами буи, речные бакены, автоматические метеостанции, сейсмические станции, станции оповещения о цунами и суда. Стационарные наземные станции в отдаленных районах передают информацию о землетрясениях, направлении и скорости ветра, влажности и количестве осадков; речные бакены измеряют течения, уровни показателей погоды, температуры; морские буи (стационарные и подвижные) измеряют приливы и отливы, температуру воды и воздуха и предупреждают о возникновении цунами (огромных волн, вызванных подводными землетрясениями).

На основе изображений, полученных со спутников «СМС»/«ГОЭС», подготавливаются фотографические материалы и оформляются результаты машинной обработки. Уникальным свойством информации с геостационарных спутников является возможность получать с записи ряда изображений (в видимом и инфракрасном диапазонах) кинокадры полного диска Земли за некоторый промежуток времени. Используя ручную и машинную технологию, на изображениях прослеживают перемещения зон облачности с целью определения скорости и направления ветров.

«ГОЭС-D, -Е и -F»

Планируется запуск еще трех спутников «ГОЭС» более совершенной конструкции. На этих спутниках будет установлен действующий в видимом и инфракрасном диапазонах радиометр с вращательным сканированием для зондирования атмосферы, являющийся усовершенствованной моделью радиометра, используемого на спутниках системы «СМС»/«ГОЭС». Настоящий радиометр предназначен для получения изображений одновременно в видимом и инфракрасном диапазонах спектра с разрешающей способностью 0,9 км в видимых лучах и 6,9 км в инфракрасных лучах. Кроме того, прибор будет получать радиометрическую информацию в полосе поглощения паров воды и углекислого газа в атмосфере Земли, что позволит определить трехмерную структуру атмосферы, ее температуру и влажность.

Выгоды

За последние 20 лет существенно возросли количество, качество и надежность обзора с помощью спутников. Начиная с 1966 г. Землю регулярно фотографируют по крайней мере один раз в сутки. Фотоснимки используют в повседневной работе, а также помещают в архивы, из которых они могут быть извлечены для исследовательских целей. Метеорологическая информация, получаемая со спутников, неуклонно приобретает все более важное значение. В настоящее время она широко используется метеорологами и специалистами по окружающей среде всего мира в повседневной практике и считается почти обязательной для проведения анализов и краткосрочных прогнозов.

Метеорологическая информация со всех частей света поступает в Национальную службу контроля окружающей среды с помощью спутников, расположенную в Вашингтоне, перерабатывается в материалы широкой номенклатуры и распределяется по всему миру.

Спутниковая информация оказалась особенно полезной в двух сферах исследований. Во-первых, существуют обширные районы Земли, из которых метеорологическая информация, полученная обычными средствами, поступает очень редко. Это территории океанов Северного и Южного полушарий, пустынь и полярных областей. Спутниковая информация заполняет эти пробелы, выявляя крупномасштабные особенности из образований облаков. К таким особенностям относятся штормовые системы, фронты, наиболее значительные междуволновые впадины и гребни, струйные течения, густой туман, слоистые облака, ледовая обстановка, снежный покров и отчасти направление и скорость наиболее сильных ветров.

Во-вторых, спутниковая информация успешно используется для слежения за ураганами, тайфунами и тропическими штормами. Береговые и островные станции при отсутствии смежных источников метеорологической информации обычного типа могут в максимальной степени использовать информацию, поступающую от системы АПТИ, а также информацию, обработанную и записанную с помощью копировальных схем. Спутниковая информация включает данные о наличии и расположении атмосферных фронтов, бурь и общего облачного покрова.

Однако метеорологи руководствуются не только спутниковой информацией для заблаговременного оповещения о приближающихся бурях. Например, при обнаружении сильного урагана, движущегося в направлении США, ВВС и НОАА привлекают самолеты разведки погоды для подтверждения спутниковой информации и получения детальных данных о метеорологической обстановке в районе и в окрестностях бури. Если ураган движется вблизи США, береговые радиолокационные станции держат его эпицентр под постоянным наблюдением. Точная информация о направлении и силе шторма поступает в населенные пункты, расположенные вдоль предполагаемого пути его следования. Используются и дополнительные источники информации — суда, океанские буи и метеостанции, расположенные на островах и по побережью материка.

Начиная с 1966 г. с помощью спутников «Тирос» осуществляется ежесуточный обзор Земли, и за это время не упущен ни один тропический шторм. Обычно бури опознаются во время развития, часто на расстояниях, превышающих нормальный радиус действия разведывательных самолетов. В распоряжении большинства учреждений, прогнозирующих тропические бури, имеется информация прямого считывания, поступающая от системы АПТИ в инфракрасном диапазоне, и обработанная информация с записи в видимом и инфракрасном диапазонах. Все тропические районы мира полностью контролируются с помощью спутниковой информации, поступающей в Национальную службу контроля окружающей среды.

Инфракрасные изображения со спутников «ИТОС»/«НОАА» могут быть использованы для построения карт температуры морской поверхности большей площади и с большей частотой, чем это возможно с помощью других средств. Эта информация имеет практическое значение для мореплавания и рыболовства, а также необходима для прогнозов погоды.

Изображения, получаемые со спутников, позволяют установить масштабы и характер ледяных полей в Арктике и антарктических морях, на Великих озерах с недостижимой прежде частотой географического обзора.

Зондирование температуры атмосферы в мировом масштабе с помощью спутников позволяет проводить более полные и точные анализы, используемые при прогнозах погоды, поскольку таким зондированием охватываются океаны и отдаленные районы, не подвергаемые зондированию обычными приборами. Непрерывное зондирование помогает измерять температурные градиенты атмосферы с целью изучения атмосферных явлений. Отдельные операции зондирования облегчают истолкование изображений, полученных со спутников, обеспечивая корреляционные данные в отдельных географических точках.