Погода – совокупность относительно кратковременных атмосферных явлений – трудно поддается прогнозу из-за большого количества факторов, влияющих на нее, и переменчивости их воздействия. Атмосфера Земли представляет собой сложную динамичную систему, поэтому для повышения точности прогнозирования необходимо учитывать ее состояние в разных регионах в каждый момент. Уже несколько десятилетий необходимым инструментом, предоставляющим возможность вести исследования атмосферы в глобальном масштабе, являются метеорологические спутники.
Начало космических наблюдений погоды
Спутником, показавшим принципиальную пригодность космических аппаратов для метеорологических наблюдений, стал американский «ТИРОС-1», запуск которого был осуществлен 1 апреля 1960 года.
Спутник передал первое телевизионное изображение нашей планеты из космоса. Впоследствии на базе аппаратов этого типа была создана одноименная глобальная метеорологическая спутниковая система.
Первый метеорологический спутник СССР – «Космос-122» – был запущен 25 июня 1966 года. Он имел на борту аппаратуру для съемки в оптическом и инфракрасном диапазоне, позволял исследовать распределение облачности, ледяных полей и снежного покрова, а также измерять температурные характеристики атмосферы на дневной и ночной стороне Земли. С 1967 года в СССР начала функционировать система «Метеор», которая легла в основу разрабатывавшихся впоследствии метеосистем различного назначения.
Спутниковые метеосистемы разных стран
Наследниками «Метеора» стали несколько серий спутников, такие как «Метеор-Природа», «Метеор-2» и «Метеор-3», а также аппараты серии «Ресурс». С начала 2000-х годов продолжается создание комплекса «Метеор-3М». Кроме того, в число метеорологических спутников России вошли два аппарата комплекса «Электро-Л». С первым их них, проработавшим на орбите 5 лет и 8 месяцев, связь была потеряна в 2016 году, второй продолжает работать. Планируется запуск третьего спутника этой серии.
В США, помимо системы TIROS, были разработаны и использовались космические аппараты серий Nimbus, ESSA, NOAA, GOES. Несколько аппаратов серий NOAA и GOES находятся в эксплуатации в настоящее время.
Европейские спутниковые метеосистемы представлены сериями Meteosat двух поколений, MetOp, а также прекратившие работу ERS и Envisat – один из крупнейших аппаратов, выведенных на околоземную орбиту Европейским космическим агентством.
Свои метеорологические спутники имеют Япония («Химавари»), Китай («Фэнъюнь»), Индия (INSAT-3DR) и некоторые другие страны.
Типы спутников
Космические аппараты, входящие в метеокомплексы, делятся на два типа по параметрам орбиты и, соответственно, по назначению:
- Геостационарные спутники. Запуск их производится в экваториальной плоскости, в направлении вращения Земли на высоту 36 786 км над уровнем моря. Угловая скорость их соответствует скорости вращения планеты. Имея такие орбитальные характеристики, спутники этого типа находятся всегда над одной точкой, если не учитывать колебания и «дрейф», вызванные погрешностями при выводе на орбиту и гравитационными аномалиями. Они постоянно наблюдают одну область, составляющую около 42 % земной поверхности – немного меньше, чем полушарие. Эти спутники не позволяют наблюдать области самых высоких широт и не дают детального изображения, зато предоставляют возможность непрерывного слежения за обстановкой в крупных регионах.
- Полярные спутники. Аппараты этого типа движутся по гораздо более низким орбитам – от 850 до 1000 км, вследствие чего не обеспечивают широкого охвата наблюдаемой территории. Однако орбиты их обязательно проходят над полюсами Земли, и один спутник такого типа способен за определенное количество витков «снять» всю поверхность планеты узкими (около 2500 км) полосами с хорошим разрешением. При одновременной работе двух спутников, находящихся на солнечно-синхронных полярных орбитах, обзор каждого района производится с интервалом 6 часов.
Общее описание и характеристики метеорологических спутников
Космический аппарат, предназначенный для метеонаблюдений, состоит из двух модулей: служебного (спутниковая платформа) и несущего полезную нагрузку (приборы). В служебном отсеке размещается энергетическое оборудование, обеспечивающее питание от солнечных батарей, укрепленных на нем вместе с радиатором и двигательной системой. К рабочему модулю подсоединен радиотехнический комплекс, оснащенный несколькими антеннами, и датчики мониторинга гелиофизической обстановки.
Стартовая масса таких аппаратов обычно достигает нескольких тонн, полезная нагрузка – от одной до двух тонн. Рекордсмен среди метеоспутников – европейский «Энвисат» – имел стартовую массу свыше 8 тонн, полезную – более 2 тонн при размерах 10 × 2,5 × 5 м. С развернутыми панелями ширина его достигала 26 метров. Габариты американского GOES-R – 6,1 × 5,6 × 3,9 м при почти 5200 кг стартовой и 2860 кг сухой массы. Российский «Метеор-М» № 2 имеет диаметр корпуса 2,5 м, длину – 5 м, ширину при развернутых солнечных панелях – 14 м. Полезная нагрузка спутника – около 1200 кг, стартовая масса составила немного менее 2800 кг. Ниже представлено фото метеорологического спутника «Метеор-М» № 2.
Научное оборудование спутников
Как правило, метеоспутники несут в составе своего аппаратурного комплекса два типа приборов:
- Обзорные. С их помощью получают телевизионные и фотоизображения поверхности суши и океанов, облачного, снежного и ледового покрова. В числе этих приборов – не менее двух устройств многозональной съемки в различных диапазонах спектра (видимом, микроволновом, инфракрасном). Они производят съемку с разным разрешением. Спутники также оснащаются установкой радарного сканирования поверхности.
- Измерительные. Посредством приборов этого типа спутник собирает количественные характеристики, отражающие состояние атмосферы, гидросферы и магнитосферы. К таким характеристикам относятся температура, влажность, радиационная обстановка, текущие параметры геомагнитного поля и т. д.
В состав полезной нагрузки метеорологического спутника входит также бортовая система сбора и передачи данных.
Прием и обработка данных на Земле
Спутник может работать как в режиме запоминания информации с последующей передачей пакета данных на наземный комплекс приема и обработки, так и вести непосредственную прямую передачу. Получаемые наземным комплексом спутниковые данные подвергаются дешифрированию, в ходе которого осуществляется привязка информации по времени и картографическим координатам. Затем данные с разных космических аппаратов объединяются и подвергаются дообработке с созданием наглядно воспринимаемых изображений.
Всемирной метеорологической организацией принята концепция «открытого неба», декларирующая свободный доступ к метеорологической информации – незашифрованным данным, поступающим в режиме реального времени со спутников. Для этого необходимо иметь соответствующее приемное оборудование и программное обеспечение.
Международная система метеорологических наблюдений
Поскольку геостационарная орбита только одна, ее использование требует координации между космическими агентствами и метеорологическими (а также прочими заинтересованными) службами разных стран. Да и при выборе низких полярных орбит в настоящее время не обойтись без согласования. Кроме того, спутниковый мониторинг опасных метеоявлений (например тайфунов) делает необходимым объединение усилий гидрометеослужб и обмен соответствующей информацией, поскольку погода не знает государственных границ.
Согласование международных вопросов, касающихся применения космических систем в прогнозировании погоды, находится в ведении координационной группы по метеорологическим спутникам в рамках ВМО. Совместное использование спутниковых метеосистем началось еще в 1970-х годах. Особенно же важна координация в этой области сейчас. Ведь в состав международной группировки метеорологических спутников, размещенных на геостационарной орбите, входят космические аппараты многих стран: США, европейских государств, России, Индии, Китая, Японии, Южной Кореи.
Перспективы космической техники в метеорологии
Современные спутники, ведущие наблюдения за погодой, являются частью глобальной системы дистанционного зондирования Земли и в этом качестве имеют серьезные перспективы развития.
Во-первых, предполагается расширение их участия в мониторинге природных угроз, стихийных бедствий, опасных явлений, в прогнозировании долговременных климатических изменений. Во-вторых, метеорологические спутники Земли, безусловно, должны находить все большее применение как инструменты получения знаний о процессах в атмосфере и гидросфере, а также о состоянии геомагнитного поля, как прикладного, так и фундаментального научного значения.
