ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2010, № 2, с. 14-25
"КОСМОС-243" - ПЕРВЫЙ В МИРЕ ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА РАДИОФИЗИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
© 2010 г. А. С. Гурвич1, Б. Г. Кутуза2*
Учреждение Российской академии наук Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, Москва 2Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Москва E-mail: kutuza@mail.cplire.ru
23 сентября 1968 г. на орбиту был выведен спутник "Космос-243", на борту которого были установлены четыре радиотелескопа, направленных в надир. Они измеряли тепловое радиоизлучение поверхности Земли и ее атмосферы на длинах волн 0.8, 1.35, 3.4 и 8.5 см. ИК-радиометр, установленный на борту, измерял излучение в полосе 10—11 мкм в том же телесном угле, что и радиотелескопы. В статье впервые публикуется подробное описание спутника, перечисляются основные результаты, полученные в ходе эксперимента. Отмечается, что новое направление в дистанционном зондировании Земли (ДЗЗ) из космоса, начавшееся экспериментом на спутнике "Космос-243", интенсивно развивается в настоящее время.
Ключевые слова: ИСЗ "Космос-243", радиофизические методы, СВЧ-радиометр, ИК-радиометр, радиоизлучение Земли, атмосфера, подстилающая поверхность.
ВВЕДЕНИЕ
23 сентября 1968 г. в СССР был успешно осуществлен запуск спутника "Космос-243", на котором были установлены четыре надирных СВЧ-радиометра для измерения радиоизлучения Земли в миллиметровом и сантиметровом диапазонах длин волн (Обухов и др., 1968; Башаринов и др., 1969). Проведенный на этом спутнике эксперимент показал преимущества и эффективность радиофизических методов исследования природной среды. Это был первый опыт использования микроволнового излучения Земли для определения геофизических характеристик атмосферы, морской поверхности и земных покровов, который сыграл огромную роль в дальнейшем развитии спутниковой СВЧ-радиометрии. Эксперимент на ИСЗ "Космос-243" более чем на четыре года опередил аналогичные исследования, проведенные на американском спутнике "№тЪш-5" ^аеНп й а1., 1973).
Наблюдение за состоянием атмосферы, облачностью и земной поверхностью с ИСЗ дает обширную информацию для решения геофизических задач и исследования природной среды. Источником информации является отраженное и
Светлой памяти Анатолия Евгеньевича Башаринова и Сергея Тихоновича Егорова посвящается
собственное электромагнитное излучение Земли. Однако использование лишь оптического- и ИК-участков спектра ограничивает возможности исследования прежде всего из-за наличия облачности. Существенное расширение объема получаемой информации и повышение надежности спутниковых измерений геофизических параметров могло быть достигнуто за счет применения радиоастрономических методов, основанных на измерении радиотеплового излучения системы атмосфера—подстилающая поверхность. Для реализации таких исследований необходимо было теоретически изучить спектры уходящего радиоизлучения, создать самолетную и спутниковую радиометрическую аппаратуру СВЧ-диапазона длин волн и провести экспериментальные полеты самолетов и спутников.
Круг задач, для решения которых измерение радиотеплового излучения Земли может принести большую пользу, определяется, с одной стороны, наличием линий селективного излучения паров воды, кислорода и озона в миллиметровом диапазоне длин волн. С другой стороны, проникающая способность радиоволн через облака позволяет получить количественные данные о пара-
метрах атмосферы, акваторий и материковых покровов не только в ясную погоду, но и в сложных метеорологических условиях, когда использование радиодиапазона является единственно возможным способом дистанционных измерений с ИСЗ. Кроме того, способность радиоволн проникать на некоторую глубину в твердые покровы позволяет получить сведения об их внутренней структуре, состоянии и температуре.
ПОДГОТОВКА К ПРОВЕДЕНИЮ СПУТНИКОВОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
К моменту начала работ по созданию спутника "Космос-243" исследования радиотеплового излучения атмосферы проводились главным образом в связи с радиоастрономическими наблюдениями (Научно-исследовательский радиофизический институт (НИРФИ) — С.А. Жевакин, В.С. Троицкий; Физический институт АН СССР (ФИАН) — А.Е. Саломонович) и не был поставлен вопрос об использовании измерений радиотеплового излучения системы атмосфера—подстилающая поверхность для решения задач геофизики, метеорологии и изучения среды обитания.
В начале 1960-х годов в Институте радиотехники и электроники АН СССР (ИРЭ) под руководством А.Е. Башаринова и в Институте физики атмосферы АН СССР (ИФА) под руководством А.С. Гурвича широким фронтом были развернуты работы по изучению особенностей теплового излучения атмосферы, морской поверхности, льдов и других природных объектов. Эти исследования были активно поддержаны руководителями институтов академиками В.А. Котельниковым и А.М. Обуховым. Одновременно с теоретическими исследованиями создавалась экспериментальная база. За короткое время в Специальном конструкторском бюро Института радиотехники и электроники АН СССР (СКБ ИРЭ) была создана серия наземных СВЧ-радиометров миллиметровых и сантиметровых волн, которые имели рекордную для того времени чувствительность. В развитии пассивной радиолокации большое значение имело сотрудничество ИРЭ и ИФА с коллективом лаборатории С.Т. Егорова Московского научно-исследовательского института приборостроения (МНИИП).
В 1963 г. А.Е. Башаринов, С.Т Егоров, М.А. Колосов, Б.Г. Кутуза, получили авторское свидетельство на СВЧ-радиометрический способ определения геофизических параметров с летательных аппаратов (ЛА) (Башаринов и др., 1963). В этом авторском свидетельстве было показано, что многоканальные измерения радиоизлучения, проводимые с самолета или со спутника одновременно в нескольких участках спектра или на разных поляризациях, позволяют по спектральным и поляризационным характеристикам радиоизлу-
чения Земли раздельно определять параметры атмосферы и поверхности (Башаринов и др., 1963, Башаринов и др., 1968а, б). Основные результаты исследований, полученные в процессе подготовки спутникового эксперимента по ДЗЗ из космоса с использованием радиофизических методов, опубликованы в монографии (Башаринов др., 1968б), в тематическом выпуске Трудов Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова (ГГО) (Башаринов и др., 1968а; Башаринов, Кутуза, 1968; Кутуза, 1968; Тучков и др., 1968; Шутко, 1968) и в Трудах Гидрометцентра (ГМЦ) (Кутуза и др., 1969; Башаринов, Митник, 1970; Аквилонова и др., 1971).
В 1964 г. для проверки возможности и эффективности дистанционного измерения температуры поверхности моря и положения границы льдов была создана радиометрическая станция для самолета Ил-12, с помощью которой выполнены летные эксперименты на Каспийском море (Гурвич, Егоров, 1966) по обнаружению сквозь сплошную облачность границы льдов на поверхности моря. С помощью этой станции была построена карта температур поверхности моря также по измерениям сквозь сплошную облачность (Матвеев, 1968). Радиометр этой станции, настроенный на длину волны 8.5 см, был установлен в подвешенном под самолетом радиопрозрачном контейнере так, что неподвижный луч параболической антенны был направлен во время полета в надир. Для оценки возможности измерения содержания водяного пара по измерениям излучения на длине волны 1.35 см над водной поверхностью были выполнены расчеты вариаций яркост-ных температур (Гурвич, Тиме, 1966).
В процессе подготовки этого спутникового эксперимента создался сильный слаженный коллектив из трех организаций ИРЭ, ИФА и МНИИП во главе с А.Е. Башариновым, А.С. Гур-вичем и С.Т Егоровым. Ключевым результатом работ этого коллектива явился запуск на орбиту спутника "Космос-243" (Обухов и др., 1968; Башаринов и др., 1969).
Следует отметить, что в 60-х годах прошлого столетия исследование возможного использования спутниковых измерений радиотеплового излучения в целях зондирования атмосферы и поверхности Земли привлекали внимание ряда специалистов как в СССР, так и за рубежом. В ГГО под научным руководством К.С. Шифрина был организован крупный коллектив, занимавшийся этой проблемой (Шифрин и др., 1969). Основу этого коллектива составляли сотрудники научных учреждений Главного управления гидрометеорологической службы СССР (ГУГМС). В составе этого коллектива Ю.И. Рабинович и Г. Г. Щукин в ГГО проводили исследования локальных характеристик радиотеплового излучения участков поверх-
Основные параметры спутникового радиоспектрометра
Параметры Каналы
1 2 3 4
Длина волны, см 8.5 3.4 1.35 0.8
Постоянная времени, с 2.2 1.3 2.2 3.0
Флуктуационная чувствительность, К 0.7 0.6 1.3 1.9
Ширина диаграммы направленности антенны, град 8.6 4.. 3. 4..
Коэффициент рассеяния антенны, % 20 15 24 5
ности Земли и атмосферы с помощью радиометрической аппаратуры, установленной на самолете-лаборатории Ил-18 (Шифрин и др., 1968; Шифрин и др., 1969). А.Г. Горелик в Центральной аэрологической обсерватории (ЦАО) проводил радиометрические исследования атмосферы с наземных стационарных пунктов (Горелик и др., 1972). Исследованиями в Арктическом и Антарктическом научно-исследовательском институте (ААНИИ) руководил В.В. Богородский (Богородский и др., 1977), а в Военно-воздушной академии им. А.Ф. Можайского исследованиями руководил Л.Т. Тучков (Тучков и др., 1968).
Успешный запуск спутника "Космос-243" на орбиту и поступающая с его борта научная информация (Башаринов и др., 1969; Башаринов, Гурвич, 1970; Башаринов и др., 1971; Обухов и др., 1971) объединили усилия сложившихся научных коллективов по изучению новых возможностей дистанционного изучения Земли на основе регистрации спектра теплового радиоизлучения (Ку-туза и др., 1969).
НАУЧНАЯ АППАРАТУРА СПУТНИКА "КОСМОС-243"
Выполненные теоретические исследования, а также наземные и самолетные измерения радиоизлучения атмосферы, морской поверхности и земных покровов явились основой для постановки спутникового эксперимента. Практической подготовкой эксперимента занялись коллективы, руководимые А.С. Гурвичем (ИФА) и А.Е. Баша-риновым (ИРЭ).
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.