Содержание
Краткие сведения о системе наблюдений с метеорологических искусственных спутников Земли
Разместил: Михаил СмирновОпубликовано: 16 мая 2007Категория: Наука4207
В последние два десятилетия большой объем спутниковой информации стал доступным широкому кругу пользователей благодаря глобальной компьютеризации. На экранах ПК мы можем обозревать многие видимые и невидимые компоненты воздушной оболочки Земли, их состояние и эволюцию.
Рис. 1. Сеть космических наблюдений за атмосферой и Земной поверхностью.
Из рис. 1 видно, что наблюдения в глобальном масштабе ведутся с полярно-орбитальных и геостационарных метеорологических искусственных спутников Земли (МИСЗ). В оперативном режиме международный обмен осуществляется с МИСЗ серии NOAA (на орбите функционирует уже NOAA-17) и с МИСЗ Метеосат-7. В настоящее время в обмен включаются данные 5 геостационарных МИСЗ – МЕТЕОСАТ-5,7, GMS-5 (заменен на GOES-9), GOES-EAST, GOES-WEST).
Уникальность метеорологических ИСЗ заключается в том, что, производя обзор с больших высот, они дают возможность:
- проводить наблюдения одновременно в глобальном масштабе в непрерывном режиме;
- наблюдать крупно- и мезо- масштабные системы погоды с одной и той же точки обзора;
- проводить мониторинг и своевременное оповещение о зарождении и приближении коротко живущих опасных циклонов макро- и мезомасштаба, создающих штормовые условия;
- практически мгновенно проводить измерения, сканирование, частичную обработку больших объемов информации.
Новейшие системы коммуникаций (связи), интегрированные в новые серии спутников, позволяют автоматически передавать данные измерений как с МИСЗ, так и через МИСЗ непосредственно потребителям в оперативном режиме.
Регулярные наблюдения с помощью приборов, установленных на МИСЗ, объединяются в Глобальную систему наблюдений (GOS – Global Ob erving Sy tem), которая является частью Глобальной Системы слежения за погодой (World Weather Watch).
Основная цель оперативной сети МИСЗ — оценка кинематики и динамики атмосферной циркуляции в реальном режиме времени на регулярной основе. В оперативном режиме информацию МИСЗ принимают в 125 странах мира на более чем 1000 приемных станций.
Спутники серии NOAA
Полярно-орбитальные МИСЗ серии NОАА (National Oceanic and Atmo pheric Admini tration Polar Operational Environmental Satellite , США) уже более 25 лет являются основным космическим звеном метеорологических служб всего мира. Каждые 2-3 года запускается очередной спутник таким образом, что на орбитах одновременно находится не менее 2 (а иногда и более) действующих аппаратов. Расписание запусков ИСЗ этой серии известно до 2007 года.
Орбита спутников — солнечно-синхронная, т.е. каждые сутки спутник проходит над любой территорией примерно в одно и тоже местное время. Высота орбиты — около 800 км. Орбиты проходят вблизи полюсов Земли, и с учетом широкой полосы обзора это гарантирует съемку любого участка подстилающей поверхности с нормальным пространственным разрешением не менее 2-4 раз в сутки с каждого спутника.
Спутники выводятся на орбиты таким образом, чтобы съемка с разных спутников относительно равномерно распределялась по времени.
Геостационарные спутники
Геостационарные МИСЗ располагаются в экваториальной полосе и обеспечивают непрерывный обзор погоды от 70 град. ю.ш. до 70 град. с.ш. Меридианы 0-65 град. з.д. закреплены за европейским космическим агентством (EUMETSAT), 74 град. в.д. — за Индией (информация не транслируется через МЕТЕОСАТ-7), 140 град.в.д. — за Японией, 105 и 135 град. — за США (2 МИСЗ). Российская Федерация планирует запуск геостационарного МИСЗ на долготе 76 град. в.д.в 2006 году, характеристики аппаратуры будут аналогичны характеристикам аппаратуры МИСЗ METEOSAT-8.
Все 5 доступных для синоптического анализа геостационарных МИСЗ собирают данные в трех диапазонах (за исключением запущенного в 2002 г. МSG-1 или МЕТЕОСАТ-8, пока недоступного метеорологам для территории РФ — где измерения ведутся в 12 каналах).
Практическое применение данных дистанционного зондирования (ДЗЗ) зависит в первую очередь от типа измерений, т.
е. спектрального диапазона ДЗЗ.
В видимом диапазоне (аналог телевизионного сигнала — ТВ) электромагнитного спектра (ЭМГС) аппаратура МИСЗ фиксирует солнечную радиацию, отраженную от земной поверхности или от верхней границы облаков (ВГО). В этом «окне прозрачности» солнечная радиация незначительно поглощается газовыми составляющими тропосферы. Поэтому измерения практически соответствуют характеристикам отражения радиации от подстилающей поверхности и ВГО. Они позволяют составлять карты облачности и альбедо в дневное время суток (Рис. 2).
Рис.2
- Яркие белые тона характерны для высоких значений альбедо, соответствующих отражающей способности мощных и высоких облаков, либо покрытой снегом и льдом подстилающей поверхности;
- Серые оттенки — это низкие значения альбедо, характерные тонким просвечивающим облакам;
- Темно-серые и черные оттенки соответствуют практически отсутствию отражения, что характерно для водной поверхности (озера, реки, моря) и растительности (леса).
В инфракрасном диапазоне (ИК) приборы фиксируют радиацию, излучаемую земной поверхностью (ЗП) и облаками или другими словами тепловую составляющую ЭМГС излучения ВГО (температуру) в дневное и ночное время суток. Используются изображения для карт облачности в круглосуточном представлении и оценки приземной температуры (Рис.3).
Рис. 3
Оттенки серого цвета на черно-белых изображениях представляют собой различную температуру излучаемых поверхностей ВГО или ЗП. (В синоптической практике для единообразной интерпретации изображений в ТВ и ИК диапазонах обычно рассматривают негативные изображения).
Для ярких белых тонов характерны низкие температуры, которые соответствуют высоким значениям верхней границы перистой облачности.
Для серых оттенков (средние значения отрицательных температур) характерны значения ВГО среднего яруса.
Темно-серые до черного цвета оттенки (высокие температуры) характерны теплой подстилающей поверхности (например, акватории тропических морей или территории пустынь).
Спектральный канал в диапазоне излучения водяного пара (ВП). Водяной пар в столбе атмосферы не является прозрачным для представляемого диапазона волн. Излучение радиации в слое ниже 600 гПа полностью поглощается слоем водяного пара, расположенным выше. ВП становится излучающим слоем и излучает радиацию в соответствии с законом Кирхгоффа. Различные оттенки изображений серого цвета представляют собой различные величины содержания водяного пара в слое 600 – 300 гПа, что в свою очередь соответствует и трассерам вертикальных атмосферных движений (Рис.4).
Яркие белые тона соответствуют жидко-капельной фазе, характерной для основных типов облачности и восходящим вертикальным движениям.
Серые полутона соответствуют различному насыщению столба воздуха водяным паром в верхней тропосфере.
Темные тона соответствуют низким значениям содержания ВП, т.е. сухой тропосфере и нисходящим вертикальным движениям.
Рис. 4
Предыдущая статья: Влияние температуры на развитие растений
Следующая статья: Основоположники науки о погоде
Вычисление параметров геостационарной орбиты Радиус орбиты и высота орбиты
На геостационарной
орбите спутник не приближается к Земле
и не удаляется от неё, и кроме того,
вращаясь вместе с Землёй, постоянно
находится над какой-либо точкой на
экваторе.
Следовательно, действующие
на спутник силы гравитации и центробежная
сила должны уравновешивать друг друга.
Для вычисления высоты геостационарной
орбиты можно воспользоваться методами
классической механики и, перейдя в
систему отсчета спутника, исходить из
следующего уравнения:
где
– сила инерции, а в данном случае,
центробежная сила;– гравитационная сила. Величину
гравитационной силы, действующую на
спутник, можно определить по закону
всемирного тяготения Ньютона:
где
– масса спутника,– масса Земли в килограммах,– гравитационная постоянная, а– радиус орбиты (расстояние в метрах
от спутника до центра Земли).
Величина центробежной
силы равна:
где
– центростремительное ускорение,
возникающее при круговом движении по
орбите.
Как можно видеть,
масса спутника присутствует в выражениях
и для центробежной силы, и для гравитационной
силы. То есть, высота орбиты не зависит
от массы спутника, что справедливо для
любых орбит и является следствием
равенства гравитационной и инертной
массы.
Следовательно, геостационарная
орбита определяется лишь высотой, при
которой центробежная сила будет равна
по модулю и противоположна по направлению
гравитационной силе, создаваемой
притяжением Земли на данной высоте.
Центростремительное
ускорение равно:
где
– угловая скорость вращения спутника,
в радианах в секунду.
Исходя из равенства
гравитационной и центробежной сил,
получаем:
Отсюда
.
Угловая скорость
ωвычисляется делением угла,
пройденного за один оборот на период
обращения (время, за которое совершается
один полный оборот по орбите: один
сидерический день, или 86 164 секунды).
Получаем:рад/с
Расчетный радиус
орбиты составляет 42 164 км. Вычитая
экваториальный радиус Земли, 6 378 км,
получаем высоту ГСО 35 786 км.
Орбитальная скорость
Скорость движения
по геостационарной орбите вычисляется
умножением угловой скорости на радиус
орбиты:
км/с
Это примерно в 2.
5
раза меньше, чем первая космическая
скорость равная 8 км/с для околоземной
орбиты (с радиусом 6400 км). Так как квадрат
скорости для круговой орбиты обратно
пропорционален её радиусу, то уменьшение
скорости по отношению к первой космической
достигается увеличением радиуса орбиты
более чем в 6 раз.
Длина орбиты
Длина геостационарной
орбиты:
.
При радиусе орбиты 42 164 км получаем
длину орбиты 264 924 км. Длина орбиты
крайне важна для вычисления «точек
стояния» спутников.
Удержание спутника
в орбитальной позиции на геостационарной
орбите. Спутник, обращающийся на
геостационарной орбите, находится под
воздействием ряда сил (возмущений),
изменяющих параметры этой орбиты. В
частности, к таким возмущениям относятся
гравитационные лунно-солнечные
возмущения, влияние неоднородности
гравитационного поля Земли, эллиптичность
экватора и т.д. Деградация орбиты
выражается в двух основных явлениях:
1) Спутник смещается
вдоль орбиты от своей первоначальной
орбитальной позиции в сторону одной из
четырёх точек стабильного равновесия,
так называемых «потенциальных ям
геостационарной орбиты» (их долготы
75,3°E, 104,7°W, 165,3°E, и 14,7°W) над экватором
Земли;
2) Наклонение орбиты
к экватору увеличивается (от первоначального
=0) со скоростью порядка 0,85 градусов в
год и достигает максимального значения
15 градусов за 26,5 лет.
Для компенсации
этих возмущений и удержания спутника
в назначенной точке стояния спутник
оснащается двигательной установкой
(химической или электроракетной).
Периодическими включениями двигателей
малой тяги (коррекция «север-юг» для
компенсации роста наклонения орбиты и
«запад-восток» для компенсации дрейфа
вдоль орбиты) спутник удерживается в
назначенной точке стояния. Такие
включения производятся по нескольку
раз в несколько (10—15) суток. Существенно,
что для коррекции «север-юг» требуется
значительно большее приращение
характеристической скорости (около
45—50 м/с в год), чем для долготной коррекции
(около 2 м/с в год). Для обеспечения
коррекции орбиты спутника на протяжении
всего срока его эксплуатации (12—15 лет
для современных телевизионных спутников)
требуется значительный запас топлива
на борту (сотни килограммов, в случае
применения химического двигателя).
Химический ракетный двигатель спутника
имеет вытеснительную систему подачи
топлива (газ наддува – гелий), работает
на долгохранимых высококипящих
компонентах (обычно несимметричный
диметилгидразин и азотный тетраксид).
На ряде спутников устанавливаются
плазменные двигатели. Их тяга существенно
меньше, чем у химических, однако большая
эффективность позволяет (за счет
продолжительной работы, измеряемой
десятками минут для единичного маневра)
радикально снизить потребную массу
топлива на борту. Выбор типа двигательной
установки определяется конкретными
техническими особенностями аппарата.
Эта же двигательная
установка используется, при необходимости,
для маневра перевода спутника в другую
орбитальную позицию. В некоторых случаях
– как правило, в конце срока эксплуатации
спутника, для сокращения расхода топлива
коррекция орбиты «север-юг» прекращается,
а остаток топлива используется только
для коррекции «запад-восток». Запас
топлива является основным лимитирующим
фактором срока службы спутника на
геостационарной орбите.
орбитальных жизней
орбитальных жизней
ОРБИТАЛЬНЫЙ СРОК СЛУЖБЫ СПУТНИКОВ
ВВЕДЕНИЕ
Все спутники на околоземной орбите подвержены различным возмущающим воздействиям, которые могут изменить их орбиту.
Спутники на низкой околоземной орбите с высотой перигея менее 2000 км в основном подвержены атмосферному сопротивлению. Эта сила очень медленно имеет тенденцию к циркуляризации и уменьшению высоты орбиты. Скорость «затухания» орбиты становится очень быстрой на высотах менее 200 км, и к тому времени, когда спутник упадет до 180 км, ему останется жить всего несколько часов, прежде чем он совершит огненный повторный вход в атмосферу. Земля. Температура, достигаемая во время этого входа в атмосферу, обычно достаточно высока, чтобы испарить большую часть спутника, но если он особенно велик или при определенных условиях, его составные части могут достичь земли.
Скорость, с которой снижается низкая орбита спутника, зависит от плотности атмосферы в каждой точке орбиты вместе с эффективной площадью поперечного сечения спутника A, массой m и коэффициентом сопротивления C D . Во многих случаях эти последние три параметра невозможно определить независимо, и вместо них используется баллистический коэффициент [B = C D А/м].
Это имеет единицы квадратные метры на килограмм.
Среднее значение m/A для орбитального объекта составляет около 100 кг·м 9 .0016 -2 с большинством предметов весом от 50 до 200 кг m -2 . Это соответствует значениям А/м от 0,005 до 0,02 со средним значением 0,01 м 2 кг -1 .
Плотность воздуха изменяется вдоль орбиты, являясь функцией широты и долготы, времени суток, времени года и времени года. Однако в фиксированной точке пространства, если мы усредним краткосрочные вариации, мы обнаружим, что плотность может быть выражена через два параметра пространственной среды. Это солнечный 10-сантиметровый радиопоток (F 10 ) и геомагнитный индекс A p . При каждом из этих увеличений мы находим соответствующее увеличение плотности атмосферы на высотах выше примерно 120 км.
Геомагнитный индекс A p на больших временных интервалах имеет довольно низкое среднее значение и не имеет значения для прогнозов времени жизни.
Только в течение дня или двух высокая геомагнитная активность может вызвать значительное увеличение сопротивления спутника, и то только на высотах ниже примерно 400 км.
График ниже иллюстрирует типичное изменение потока солнечного радиоизлучения (F 10 ) на длине волны около 10 см. Он имеет сильную 11-летнюю составляющую и меньшую периодичность около 27 дней, которая выражена только во время минимума 11-летнего цикла.
Неопределенность в прогнозировании космической среды в сочетании с нерешенными изменениями плотности атмосферы не позволяют нам точно указать, когда спутник снова войдет в атмосферу. Даже достаточно сложные программы могут претендовать на точность предсказания не выше 10%. Это означает, что за день до конкретного повторного входа неопределенность во времени падения будет составлять не менее 2 часов. За это время спутник совершит оборот вокруг земного шара.
ПРИБЛИЗИТЕЛЬНОЕ РУКОВОДСТВО
Следующая таблица дает очень приблизительное представление о времени жизни объекта на круговой или почти круговой орбите на разных высотах.
| Высота спутника | Lifetime | |
| 200 km | 1 day | |
| 300 km | 1 month | |
| 400 km | 1 year | |
| 500 км | 10 лет | |
| 700 км | 100 лет | |
| 900 км | 1000 лет | |
| 900 км На следующих графиках представлены более подробные оценки времени жизни космических объектов на орбите в различных условиях. ОЧЕНЬ НИЗКИЕ КРУГОВЫЕ ОРБИТЫ График ниже дает очень приблизительное представление о сроке службы спутника с отношением эффективной массы к поперечному сечению 100 кг/м 2 на круговой орбите ниже 300 км. Рассмотрены два случая постоянной солнечной активности, один из которых представляет собой условия солнечного минимума, а другой — максимума солнечной активности. В эти периоды геомагнитное поле считается спокойным. Этот график может быть линейно масштабирован для других значений (м/А). Например, на графике показано время жизни 20 дней для начальной орбиты на высоте 260 км в условиях минимума солнечного потока (F 10 = 70). Если бы космический корабль имел значение m/A = 200, срок службы составил бы 40 дней, а значение m/A = 50 дало бы срок службы 10 дней. Обратите внимание, что график для условий максимального солнечного потока немного вводит в заблуждение, поскольку поток такого значения обычно наблюдается только в течение очень нескольких дней. НИЗКИЕ КРУГОВЫЕ ОРБИТЫ На следующем графике показано время жизни на орбите для 3 значений потока солнечного радиоизлучения и 3 значений m/A. ВСЕ ОРБИТЫ
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА Десмонд Кинг-Хеле, Спутниковые орбиты в атмосфере — теория и приложения , Блэки [Глазго, 1987] Наблюдение за спутниками Земли Наблюдение за спутниками Земли Факторы, влияющие на видимость Простейшая орбита для рассмотрения — круговая. Высота/яркость Для спутника данного размера, чем выше высота орбиты, тем, очевидно, Яркость осложняется как минимум тремя дополнительными факторами:
Местное возвышение над горизонтом также влияет на яркость; перевал недалеко от Обычно спутник постепенно исчезает из поля зрения во время прохода (более Наклон/Видимость Наклонение орбиты определяет, над какими областями Земли спутник
На данный момент мы можем видеть, что для того, чтобы спутник был хорошо виден наблюдателю Какие еще факторы влияют на видимость? Ранее я упоминал о проблеме тени Земли — когда Глядя на упрощенную ситуацию, представленную на этом рисунке (щелкните Однако есть два исключения из этих ограничений видимости, хотя оба Второе исключение касается огненной смерти вращающегося тела; вы можете найти Просмотр окон. Конечно, это не просто вопрос наблюдения за данным спутником на Таким образом, спутник прибывает позже (или раньше) в последующие ночи. С каждым Возьмем, к примеру, Международную космическую станцию. Это будет видно для двоих Так когда наблюдать? Простая идея круговых/эллиптических орбит, представленная здесь, противоречит К счастью, передовые орбитальные модели, такие как SGP4 и SDP4, учитывают …и почему, что ли? Обнаружив и наблюдая за своим спутником, интересно узнать, что Если вы хотите найти конкретный спутник или начать с «легкого» Конечно, любитель также может внести свой вклад своими наблюдениями.
|
Его можно охарактеризовать, заявив
Если это соответствует
Основываясь на наклонении, мы можем разместить орбиты в одной
Типичные примеры здесь включают большое количество погодных
В долгосрочной перспективе (дни
Много спутников в низком
Естественно, программное обеспечение нуждается в точных и свежих данных;