14.3. Изучение Земли из космоса и исследования околоземного пространства

С самого начала космической эры началось изучение Земли с помощью космических аппаратов. Период с июля 1957-го по декабрь 1958 г. был объявлен Международным геофизическим годом, в это время проводился ряд скоординированных программ по изучению нашей планеты: в частности, с использованием ракет и спутников. В октябре 1957 г. был запущен первый искусственный спутник, а уже в 1958 г. с помощью спутников Explorer 1 и Explorer 3 было достоверно подтверждено существование радиационных поясов в магнитосфере Земли (так называемого пояса Ван Аллена). В мае 1958 г. в СССР был запущен тяжелый «Спутник-3» с большим количеством научной аппаратуры на борту, с помощью которой изучалась атмосфера Земли, ее магнитное поле, а также космические лучи.

Изучение Земли из космоса объединяет в себе фундаментальную науку и чисто прикладные задачи.

С течением времени появились специализированные спутники для изучения Земли из космоса. Эта тематика считается крайне важной, поэтому на нее затрачиваются значительные ресурсы. Так, в NASA в 2015–2016 гг. исследования Земли из космоса имели более высокий бюджет (почти $2 млрд в год), чем каждый из трех других научных разделов (астрофизика, планетные исследования, гелиофизика). Очень интенсивно эта область исследований развивается в Европе, которая сейчас лидирует в этом направлении. И даже небольшие страны, не имеющие крупных космических программ, стремятся создавать собственные спутники, предназначенные для решения каких-то локальных прикладных задач, связанных с наблюдениями из космоса, или сотрудничать с большими агентствами.

Исследования Земли из космоса объединяют как ряд фундаментальных научных, так и множество прикладных проблем. Сейчас выделяют такие приоритетные направления, как изучение загрязнения окружающей среды, различные аспекты здравоохранения (например, исследования, связанные с распространением малярии в заболоченных местностях, или роль разрушения озонового слоя в росте заболеваемости раком кожи), исследования экосистем и биоразнообразия, изучение земной коры (сюда входит и прогнозирование землетрясений, и поиск полезных ископаемых, и изучение вулканов), наблюдение за изменениями климата, мониторинг и прогнозирование погоды, изучение водных ресурсов (включая изучение ледяного покрова).

Проблема глобального изменения климата требует постоянного космического мониторинга.

Среди конкретных актуальных вопросов выделяются прогноз ближайших серьезных климатических изменений (например, связанных с таянием льдов), поведение океанических экосистем (исчерпание рыбных ресурсов), динамика количества разрушительных тропических циклонов, распространение болезней.

Кроме пассивных наблюдений используется активное зондирование поверхности и атмосферы с помощью радаров и лазеров.

Для изучения параметров оболочек Земли и их динамики используется обширное разнообразие инструментов. Кроме получения изображений в разных спектральных диапазонах используются и активные методы зондирования, в основном с помощью радаров и лидаров (лазерных радаров, принимающих отраженное или рассеянное лазерное излучение). Это позволяет изучать состав земной атмосферы на разных высотах, а также решать множество других задач, например строить точные карты высот рельефа, что, в частности, дает возможность предсказывать крупные оползни. Также дистанционные измерения позволяют с высокой точностью измерять уровень водных пространств – как морей и океанов, так и озер, что имеет огромное прикладное значение из-за угрозы затопления прибрежных районов при повышении уровня Мирового океана, угрозы наводнений или засухи.

Важной задачей, имеющей отношение к климату и погоде, является измерение солнечной постоянной – количества энергии, приходящей от Солнца. Для этого также необходимы спутниковые измерения. Хотя формально это относится к физике Солнца, тем не менее из-за важности этого параметра для моделирования земного климата подобные измерения традиционно включаются и в программы геофизических исследований.

Только глобальные спутниковые наблюдения позволяют с высокой точностью изучать гравитационное поле Земли и его вариации: эта задача решалась в рамках проектов GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment, Эксперимент по изучению гравитационного поля и климата, запущен в 2002 г.) и GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer, Аппарат для изучения гравитационного поля и постоянных океанических течений, 2009 г.). Измерения гравитационного поля важны для изучения целого ряда вопросов, таких как построение карт океанских течений, исследование таяния ледников, а также изучение последствий землетрясений.

Прогноз погоды базируется на спутниковых данных.

Особенностью геофизических исследований является необходимость длительного мониторинга, поскольку многие корреляции (например, изменение числа ураганов в зависимости от средней температуры) значимо проявляются только на больших масштабах времени. Поэтому требуются постоянные наблюдения, для чего необходимо поддерживать орбитальные группировки спутников, оснащенных соответствующими приборами. Сейчас на орбите постоянно работает несколько десятков спутников для изучения Земли, созданных разными странами. Лидерами в этой области являются Европейское космическое агентство и NASA.

В настоящее время для исследования Земли из космоса постоянно работают несколько десятков спутников.

Говоря о современных исследованиях Земли из космоса в России, можно выделить серию геостационарных спутников «Электро-Л», предназначенных для комплексных исследований в области климатологии, экологии, мониторинга погоды, изучения магнитного поля и решения некоторых других смежных задач.

Во многих случаях для получения необходимой научной информации нужны не только космические наблюдения, но и работа метеостанций на поверхности, а также исследования с помощью геофизических ракет, самолетов и баллонов (аэростатов) в атмосфере (часть нагрузки космических аппаратов со временем должны взять на себя более дешевые беспилотные летательные аппараты). Это необходимо и для калибровки измерений, и для получения дополняющих данных и требует координации исследовательских программ, осуществляемых зачастую разными ведомствами в разных странах. Кроме того, часто космические данные нужны для использования в компьютерных моделях (прогноз погоды, изменение климата, поведение экосистем и др.). Поэтому необходимо согласовывать требования аналитиков с подходами разработчиков спутников и программ наблюдения, а данные мониторинга после первичной обработки должны попадать в открытый доступ.

Мониторинг природных катастроф – одна из задач спутниковых наблюдений.

Стоит особо подчеркнуть, что исследования Земли из космоса связаны со многими глобальными проблемами, имеющими отношение к большой политике. В первую очередь это вопросы глобального изменения климата, для регулирования которых нужны международные соглашения. Для их достижения необходимы надежные модели и прогнозы, которые можно составить только при наличии регулярного всестороннего мониторинга Земли из космоса.