258 Искусственные спутники Земли и прогноз погоды Сулакшина

Искусственные спутники Земли и прогноз погоды
Сулакшина Е.С.
Научный руководитель: Орлов М.Ю., учитель физики
МАОУ Гимназия № 6, г. Томск, ул. Герцена, 7
E-mail: [email protected]
Введение
Согласно Большой советской энциклопедии [1], «погода - это состояние атмосферы в
рассматриваемом месте в определенный момент или за ограниченный промежуток времени
(сутки, месяц, год). Многолетний режим погоды называют климатом. Погоду характеризуют
метеорологическими элементами: давлением, температурой, влажностью воздуха, силой и
направлением ветра, облачностью (продолжительностью солнечного сияния), атмосферными
осадками, дальностью видимости, наличием туманов, метелей, гроз и др. атмосферными
явлениями».
Погода и ее предсказание интересовали людей всегда. Об этом свидетельствуют
многочисленные народные приметы. Научно обоснованный прогноз погоды стал возможен
только в XVIII в. после изобретения измерительных приборов и открытия физических
законов, определяющих поведение газов. В 1888 г. Г. Гельмгольц сформулировал
фундаментальные законы движения воздуха, необходимые для описания атмосферных
процессов в виде системы гидродинамических и термодинамических уравнений. В 1922 г.
были опубликованы результаты трудов Л. Ричардсона, который впервые предпринял
попытку предвычислить погоду с помощью этих уравнений, но из своих результатов он
сделал вывод о бесперспективности предвычислений погоды из-за огромного объема
вычислений. Поэтому прогностическая метеорология в 20–30-е годы XX в. развивалась по
пути создания физических моделей, описывающих структуру и эволюцию погодных систем
и установления закономерностей в общей циркуляции атмосферы. В 1930 г. В России в
г. Павловске был произведен первый в мире запуск радиозонда, что добавило третье
измерение (высоту) в метеорологические модели и стимулировало развитие
гидродинамических моделей общей циркуляции атмосферы. Однако применение этих
моделей на практике стало возможным только после появления ЭВМ.
Современные гидродинамические модели многоуровневые, они отражают
многослойность реальной атмосферы, учитывают физические воздействия на циркуляцию в
атмосфере (трение, рельеф), а также эффекты, обусловленные процессами испарения,
конденсации водяного пара и теплообменом между океаном и атмосферой. Эти модели
позволяют с достаточной точностью прогнозировать значения давления, температуры, ветра
и облачности в точках регулярной географической сетки [2].
Существенное улучшение прогнозирования погоды и климата стало возможным
благодаря широкому использование данных, поступающих с искусственных спутников
Земли. Сразу же после запуска первых спутников метеорологи заинтересовались
возможностью наблюдать за атмосферой Земли из космоса. В США уже в апреле 1960 г. был
запущен аппарат «ТИРОС-1», передавший первое в мире изображение Земли из космоса, тем
самым доказавший пригодность спутников для наблюдения за погодой. Первая советская
спутниковая система начала функционировать в 1967 г. с запуска спутников «Космос-144» и
«Космос-156».
Методика прогноза погоды
Процесс прогнозирования погоды происходит следующим образом. Крупные
метеорологические центры (существуют в США, Австралии, Англии, Франции, России,
Японии, Китае и Германии), оснащенные мощной вычислительной техникой, ежедневно на
основе глобальных моделей общей циркуляции атмосферы производят расчет на 5–7 суток
полей давления, высот изобарических поверхностей, полей ветра и температуры и другой
продукции и автоматически в кодированном виде распространяют ее в оперативные
прогностические организации. Например, в России роль такого центра выполняет
258
Гидрометцентр России совместно с Главным радиометцентром и Главным вычислительным
центром Росгидромета. Расчеты производятся на каждые сутки, поэтому, переведя цифровую
информацию на карты, можно последовательно проследить прогностическое развитие и
перемещение циклонов и антициклонов, траектории воздушных масс, изменение
температуры воздуха у поверхности Земли и на различных уровнях в атмосферы и т.д.
Имея постоянный доступ к такой продукции, синоптики оперативных прогностических
организаций составляют локальные прогнозы погоды, т.е. определяют конкретные значения
метеовеличин и развитие явлений погоды для заданного пункта или территории на каждый
конкретный день или определенный период.
Входными данными для глобальных расчетов служат данные круглосуточных
метеорологических наблюдений и данные о вертикальном строении тропосферы и
стратосферы, причем данные наблюдений не только над территорией конкретной страны, но
и других стран. Процесс сбора данных и обмен ими происходит с использованием
современных средств телекоммуникации, а наблюдения проводятся по единым стандартам в
единые сроки. Координатором этих процессов выступает «Всемирная метеорологическая
организация» (ВМО) с помощью программы «Всемирная служба погоды». Эта программа
была принята в 1963 г. по поручению Генеральной Ассамблеи ООН и связана с мирным
использованием космического пространства. Для обеспечения программы используются:
1) глобальная система наблюдений (ГСН), состоящая из наземной и космической подсистем
(Рис. 1); (2) глобальная система обработки данных, и (3) глобальная система телесвязи [2].
Рисунок 1 - Глобальная система наблюдений ВМО
МСЗ и их использование для прогноза погоды
Наземные наблюдения дают подробные сведения лишь об 1/5 земной поверхности.
Оставшаяся территория – а это поверхность океанов, особенно на севере и юге планеты,
горы, внутренние моря, пустыни и т.д. – остается слабо изученными. Наблюдения за
облачностью с Земли охватывают лишь 10–20% всего покрова и позволяют зондировать
атмосферу до высот 20–25 км.
Метеорологические спутники показывают общее распределение отдельных
метеопараметров всего Земного шара. Широта обзора спутника до 1000 км. Снимки со
спутников позволяют узнать форму и распределение облачности, снежного покрова и
ледяных полей в океанах, температуру верхней границы облаков и открытых участков Земли
и океанов, зоны выпадения осадков, их интенсивность, распределение очагов грозовой
активности. Кроме того, спутники позволяют проследить развитие и оценить влияние ЭльНиньо, засух, циклов вегетации, озоновых дыр, явлений на солнце, лесных пожаров и
259
вырубку лесов, вулканическую активность, движения тектонических плит и т.д., что важно
для долгосрочных прогнозов погоды и изменений климата.
В настоящее время на геостационарной орбите работают спутники, принадлежащие
КНР (FY-2D, FY-2E), Европейской организации спутниковой метеорологии EUMETSAT
(Meteosat-9, Meteosat-7), Индии (Kalpana, INSAT-2), Республике Корея (COMS-1) и США
(COES-11, GOES-12, GOES-13); на полярной орбите работают спутники КНР (FY-3A, FY3B), EUMETSAT (METOP-A) и США (NOAA-18, NOAA-19). Российские спутники
МЕТЕОР-М1 (полярно-орбитальный) и Электро-Л №1 (геостационарный) находятся на
стадии полетных испытаний [3].
Метеорологический спутник Земли (МСЗ) состоит из четырех основных систем:
электропитания, ориентации спутника, управления спутником и бортового информационноизмерительного комплекса БИИК. Энергетический блок – это, чаще всего, солнечные
батареи с аккумулятором. Система ориентации состоит из нескольких датчиков: датчик
угловой скорости, датчик направления полета, датчик направления на Землю и датчик
магнитного поля. В настоящее время все спутники снабжаются системой активной
ориентации (получение информации и корректировка положения спутника) с помощью
блока управления ориентацией; для корректировки положения спутника в пространстве
используются двигательные установки. Блок управления снабжен антенной для приема и
передачи сигналов на Землю; управление спутником, как правило, осуществляется из ЦУПа
и включает в себе корректировку орбиты спутника, корректировку его положения в
пространстве и скорости полета. БИИК представляет основной интерес для метеоизмерений.
Основная информация, передаваемая МСЗ – изображения земной поверхности. Для этого
они
оснащены
телевизионными
датчиками,
инфракрасными
радиометрами,
актинометрическими датчиками, и др. датчики для выполнения различных измерений. Кроме
датчиков, БИИК включает запоминающим устройством (ЗУ), которое записывает всю
информацию, поступающую с датчиков, которая затем передается на Землю;
коммутирующее устройство, которое подключает датчики к ЗУ поочередно. Предусмотрена
возможность непосредственной передачи на Землю сигналов с датчиков, без записи в ЗУ.
Перед передачей на Землю или записью в ЗУ блок преобразования преобразуют сигналы с
датчиков к виду, удобному для записи [4].
Заключение
Прогноз погоды и предсказание опасных природных явлений – важная задача для
народного хозяйства любой страны. От точности и оперативности прогнозов погоды зависит
работа современных средств связи и транспорта, планирование сельскохозяйственных
мероприятий, работы энергетиков, а главное – здоровье и безопасность людей. В
современном процессе прогнозирования погоды и климата роль космической аппаратуры, а
именно МСЗ, невероятно велика. МСЗ позволяют получать уникальные данные, которые
невозможно получить с Земли; получать данные с территорий, недоступных другим
средствам метеорологических измерений; обеспечивают передачу данных с наземных
метеорологических станций.
Среди ближайших задач развития спутниковой метеорологии можно выделить
следующие:
– совершенствование системы ориентации спутников и блока управления ориентацией
для увеличения точности съемки;
– совершенствование других систем МСЗ для увеличения надежности и сроков работы
спутников;
– непрерывность и увеличение покрытия территории Земли спутниковыми данными;
– улучшение точности настройки измерительной аппаратуры и характеристик
приборов;
– развитие программных средств обработки спутниковых данных.
– для России – создание и надежная работа собственных метеорологических спутников.
260
Список литературы:
1. [Электронный ресурс] – URL: http://www.diclib.com, режим доступа – свободный.
2. А. А. Васильев, Р. М. Вильфанд. Прогноз погоды (М.: Росгидромет, 2007), 62 с.
3. XVI World Meteorological Congress, Geneva, 16 May–3 June 2011 (WMO, 2011).
4. [Электронный ресурс] – URL: http://vunivere.ru/work22056, режим доступа –
свободный.
Один из возможных способов возврата отработанных наноспутников на Землю
Турсанов А.С., Бигазина Д.А.
Научный руководитель: Аубакирова А.А.,учитель физики
Назарбаев Интеллектуальная школа Физико-математического направления г. Семей
071400, Казахстан, г. Семей, ул. Кабылбаева 32
E-mail: [email protected]
21 век – это совершенно новый этап развития космического приборостроения.
Особенностью данного этапа являются миниатюрные космические аппараты [1]. И если
раньше малыми космическими аппаратами считали спутники, вес которых не превышал
одной тонны, то сейчас речь идет о спутниках весом не более десяти килограмм. К таковым
относятся наноспутники.
Наноспутники (рис. 1) – это искусственные малые
спутники, имеющие массу в пределах от 1 кг до 10 кг.
Они запускаются на орбиту при помощи более простых
ракет (например, РН на базе МБР) или будучи
дополнительной нагрузкой к обычным спутникам [2].
Их применение достаточно широко. Наноспутники
используют для дистанционного зондирования Земли,
экологического мониторинга, прогноза землетрясений,
исследования
ионосферы,
отработки
новейших
технологий, исследования геофизических полей,
Рисунок 1- Наноспутник
астрономических наблюдений [3].
В дальнейшем, использование наноспутников расширится. Их планируют использовать
в новых космических системах телекоммуникации, навигации, оперативного мониторинга
природных явлений и чрезвычайных ситуаций.
В более далекой перспективе после 2020 года будет реализован проект «Рой»,
предусматривающий развертывание нескольких малых спутников для инновационных
дистанционных исследований структуры быстрых вариаций магнитного поля в солнечном
ветре и внешней магнитосфере одновременно на нескольких масштабах [4].
Новое направление применения наноспутников – использование их в качестве базовой
платформы для проведения экспериментов в области нанотехнологий, испытаний
нанокомпонентов и материалов.
Преимуществом наноспутников являются высокая технологичность, малые сроки
изготовления, низкая стоимость, простота выведения на орбиту и отсутствие большого
количества сложных деталей. Однако миниатюрность спутников не позволяет устанавливать
на них крупные приборы, а малый срок существования не дает спутникам пробыть в космосе
длительное время [5].
Именно последний недостаток стал объектом нашего исследования. У нас возникла
идея - возвращать наноспутники на Землю. И, конечно же, люди могут задаться вопросом:
«А почему их необходимо возвращать на Землю?». Для этого у нас нашлось несколько
причин.
261