Исследования Земли из космоса

Министерство образования  и науки Российской Федерации

федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Сибирский государственный  технологический университет»

 

Кафедра физики

 

 

Курсовая работа

 

 

Исследования  Земли из космоса

 

 

 

Выполнил:

Ст. гр. 81-1

С.С. Белокопытова

Проверил:

д.ф.-м.н. профессор, зав. Кафедрой

Ю.В. Захаров

 

 

 

 

 

Красноярск, 2012

Содержание 

Исторические сведения

Главная проблема

Основные принципы решения

Описание

Заключение

Библиографический список

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исторические сведения

Запуск на орбиту спутника было нелёгкой задачей для всего  человечества. Для движения по орбите вокруг Земли аппарат должен иметь  скорость, равную первой космической  скорости (примерно 7,9 км/с).

Полёту первого в мире спутника предшествовала длительная работа советских ракетных конструкторов во главе с Сергеем Королёвым. Множество неудачных или не совсем удачных попыток привели русских учёных к созданию первого в мире искусственного спутника Земли

Первый искусственный  спутник земли начал работать 4 октября 1957 года. Это было начало нового этапа в жизни всех людей. Он назывался Спутник-1, кодовое обозначение ПС-1 (Простейший Спутник- 1). Был запущен на орбиту СССР.

Спустя четыре года произошёл  первый полет человека в космос. Первым человеком осмелившимся полететь в космос был Юрий Алексеевич Гагарин. Советский лётчик- испытатель отправился в космос 12 апреля 1961 года. Теперь 12 апреля считается днём космонавтики. Он первый, в истории человек увидевший Землю со стороны.

Вторым человеком посетившим космос стал Герман Степанович Титов. Также советский космонавт. 6 и 7 августа он сделал несколько снимков нашей планеты из космоса обогнув Землю 17 раз.

В 60-е года было положено начало изучения земной поверхности. Черно- белые изображения, подобные карте  очертания рельефа земного шара, лежащего под облаками.

Со временем настраивалась  чувствительность оборудования и изображения  становились более ясными и чёткими.

Но на этом человечество не остановилось. Развивалась наука, образование, техника. С каждым годом в космос запускали все больше ИСЗ. Каждый новый ИСЗ был лучше предыдущего по технически характеристикам, и некоторые отличались по предназначению. В космос отправлялось оборудование для тепловой съёмки, многозональные фотокамеры, телевизионные камеры, инфракрасные сканирующие радиометры и различные радары для активного зондирования.

С помощь этого оборудования, учёные могут выявить ритмичность, нахождение и силу природных процессов глобального, зонального, регионального и локального характера.

 

Главная проблема

Первой проблемой изучения Земной поверхности из космоса является дороговизна оборудования и его компонентов.

Второй проблемой для исследования является выход оборудования  из строя прямо в космосе. Замена деталей в условиях космического пространства является большой проблемой.

Основные принципы решения

Решения первой проблемы:

Ежегодно многие страны выделяют из бюджета миллиарды на запуск и  развитие ИСЗ. Учёные пытаются заменить дорогие компоненты более дешёвыми аналогами. Но не редко это приводит к убыткам, большим чем затраты  на покупку этих компонентов.

Убытки появляются в результате падения спутников с альтернативными  деталями. Заменённые детали не могут  выдержать напряжения, через которые  проходят на пути к орбите. Лабораторные условия не могут в полной мере воспроизвести условия, при которых  спутники выходят на орбиту Земли.

Разрабатывается новое оборудование для испытаний, позволяющее максимально приблизится к условиям выхода из атмосферы. Учёные делают успехи в изучении свойств материалов пригодных для строения ИСЗ, ищут и находят более дешёвые материалы. Некоторые из них не только не уступают механическим свойствам начальных материалов, но и превосходят их. Главное продолжать поиски  и дальше синтезировать вещества для получения более крепких и устойчивых сплавов. Ведь от этого оборудования зависят не только научные успехи, но и жизни людей, которые находятся в космосе.

Решение второй проблемы:

Для замены вышедших из строя  деталей надо отправлять другие космические  аппараты с новыми деталями. Но это  является только первым этапом решения проблемы.

Второй частью, является правильная установка этих деталей. Космонавтам приходится работать в  тяжёлых условиях. Тяжёлый инструменты, невесомость, неудобное снаряжение, ограниченность во времени все это может плохо сказаться на качестве работы.

Третьей частью, является проверка на прочность. Запуск нового оборудования всегда риск, а в условиях изолированности  это может привести к тяжёлым последствиям для всех участников проекта, и для космонавтов и для людей находящихся на Земле.

Описание 

Учёные со спутников получают точные данные для исследований. Расположение тех или иных природных объектов, изменение рельефа вследствие природных катаклизмов.

С помощью тепловой съёмки поверхности земли учёные могут  предвидеть некоторые природные  явления. Например, извержение вулкана, приближение цунами к какому- либо материку. Эти данные помогают спасти множество людей. Ведь, если вовремя  оповестить жителей, можно эвакуировать их из зоны бедствия, что сократит число  жертв в сотни раз.

Но это удаётся не всегда. На получение и обработку данных        уходит достаточно времени, а, к примеру, цунами надвигается с огромной скоростью. Внезапно появляется и так же внезапно исчезает.

Не так давно карты создавались по топографической разведке местности. Сейчас же карты и атласы создаются, в основном при помощи снимков из космоса и данных локационных радаров. Что значительно облегчает создание точных карт.

С помощью ИСЗ можно  познать закономерности строения и развития Земли. Используется эта информация для поисков полезных ископаемых, изучения глобальных и региональных геологических структур, геологического картирования, изучения современных физико- геологических процессов и других целей.

Материалы инфра красных  съёмок из космоса используются при  составлении схем и карт термической  неоднородности Земли, при изучении интенсивности теплового потока и его изменении во времени. Используется для выявления термальных водных источников и водоносных горизонтов и картирование зон современного вулканизма.

Информация из космоса  даёт неоспоримое преимущество при  оценке объёма строевого леса на обширных территориях. Можно выбрать такие  районы для вырубки леса, которые  позволят максимально свести вред к  минимуму. Так же при помощи снимков  можно быстро оценить вред от лесных пожаров.

Так же информация со спутников  позволяет прогнозировать погоду в  труднодоступных участках Земли. Например, территории океанов северного и  южного полушарий, пустынь и полярных областей. Ну удается сделать прогноз только на ближайшие несколько дней. Спутниковая информация включает данные о наличии и расположении атмосферных фронтов, бурь и общего облачного покрова. В настоящее время спутник стал практически признанным инструментом метеорологов в большинстве стран мира.

Люди оценили роль спутников  для контроля над состоянием сельскохозяйственных угодий, лесов и других природных  ресурсов Земли лишь спустя несколько  лет после наступления космической  эры.

Методы радиолокальной (РЛ) интерферометрии развиваются в  мире на протяжении 20 последних лет. Этот метод дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) использует информацию о  разности фаз эхо- сигналов, зарегистрированных в съёмках одного и того же участка  местности одноантенной РЛ- системой  с повторяющихся орбит носителя. Полученный материал представляет детальную площадную картину радиальных перемещений отражающей поверхности в пределах РЛ- снимка. Измеряемые мелкомасштабные смещения имеют различную природу и могут быть следствием тектонической активности, оползневых процессов.

ИСЗ используются и для  всемирного телевизионного вещания. Как  известно радиус телевизионных центров  ограничен, так как передача телевизионных программ ведётся на ультракоротких волнах, которые распространяются в пределах прямой видимости. Для того чтобы телевизионные передачи принимались на большей территории, необходимо поднять передатчик телецентра как можно выше, или применять ретрансляцию по специальным кабелям или радиолинейным линиям связи. Всем понятно, что при помощи ИСЗ, в поле зрения которого находится очень большие площади Земли, можно значительно повысить радиус действия телевизионных центров и расстояния, на которые можно транслировать передачи.

Так как Земля вращается , один о тот же спутник, находящийся  в одном и том же месте, в  течении нескольких часов или суток, может сделать снимки разных участков земной поверхности. Это обуславливается суточным вращением земли и её вращением вокруг своей оси. Но снимки со спутников находящихся на северном и южном полюсах мало отличаются, так как вращение в этих точках минимально. Основное вращение земли приходится на экваториальную часть. Потому что полюса, как бы стоят на одном месте. Они вроде и вращаются, но центральные точки обоих полюсов всегда остаются на одном месте. Кроме случаев когда Земля меняет полюса.

Так же благодаря исследованиям  Земли из космического пространства было определено что если наблюдать за северным полушарием, то оно вращается против часовой стрелки. Если исследование проводить на южном полушарии, то Земля вращается по часовой стрелке.

Солнце вращается по часовой  стрелке, а Земля против. Отсюда возникает термин «циклическое вращение». Он означает вращение вместе с землёй. Следовательно вертикальная компонента вращения Земли, заставляет землю вращаться под нами циклонально. При горизонтальном компоненте, вращение Земли происходит относительно оси, расположенной горизонтально и направленной на север.

Давление у поверхности  земли в определённой местности  обычно, на несколько миллибар, меняется, за время изготовления последовательных карт для этой местности.

Физика атмосферы является основным разделом метеорологии. Метеорология – наука о земной атмосфере, её строении, свойствах и происходящих в ней процессах и явлениях. Метеорология изучает состав и строение атмосферы; теплооборот и тепловой режим в атмосфере и на земной поверхности; влагооборот и фазовые превращения воды в атмосфере, движение воздушных масс; электрические, оптические и акустические явления в атмосфере. В свою очередь, метеорология составляет часть более общей науки- геофизики. Геофизика изучает явления и процессы в атмосфере, на поверхности воды и в толще грунтов.

Изучая физические свойства атмосферы и происходящие в  ней  явления, метеорология рассматривает  их во взаимной связи со свойствами и влиянием поверхности моря и  суши. Она исследует изменения  погоды и её элементы (температура, влажность, давление, электрическое  состояние атмосферы, солнечное  сияние, облачность, осадки ветер и  др.). Одна из главных задач метеорологии- изучение закономерностей развития всех химических и физических процессов и явлений, происходящих в атмосфере, с целью прогнозирования наступления и развития атмосферных процессов и явлений на основе системы их мониторинга, а так же разработка методов управления процессами, происходящими в атмосфере.

Результаты метеорологической  информации широко используются в различных  отраслях народного хозяйства: авиации, морском, железнодорожном и автомобильном  транспорте, при проектировании и  строительстве различных ответственных  сооружений (линий электропередач, зданий, водохранилищ, газопроводов и  электростаний, золоотвалов, хранилищ промышленных и бытовых отходов и др.)

В прямой и непосредственной зависимости от метеорологической  информации находится сельскохозяйственное производство. Решение проблем по экологии и охране окружающей среды, так же связаны с метеорологическим наблюдением за процессами загрязнения атмосферы и водных объектов.

Перечисленные основные задачи метеорологии, базируются на решении  следующих задач или подзадач:

- изучение основных характеристик  атмосферы: состава, вертикального  расслоения, горизонтальной неоднородности, атмосферного давления и др.

- наблюдение за солнечной,  земной и атмосферной радиацией:  потоки солнечной энергии в  атмосфере, спектр солнечной радиации, приход и расход солнечной  энергии.

- фиксация тепловых режимов  земли и водоёмов: нагревание  и охлаждение воздуха, суточные  и годовые колебания температуры,  влияние растительного покрова,  географическое распределение температуры  приземного слоя атмосферы, изменение  температуры в зависимости от  высоты, адиабатические процессы  в атмосфере.

- изучение условий образования  водяного пара: испарение, влажность,  конденсация водяного пара, образование  различных видов и разновидностей  облаков.

-исследование процесса  образования атмосферных осадков:  разновидность осадков и их  характеристика, распределение осадков  по земной поверхности.

-наблюдение за воздушным  течением в атмосфере: изменение  скорости и направления ветра,  влияние препятствий на ветер,  изменение скорости и направления  ветра в зависимости от высоты

-изучение оптических явлений и электрических процессов в атмосфере: рассеяние и поглощение света, дальность видимости, преломление и отражение света в атмосфере, электрическое поле и электрическая проводимость атмосферы, грозовое электричество, исследование акустических явлений в атмосфере, скорость звука, преломление и отражение звука, ослабление звука в атмосфере

Отдельные направления метеорологии:

1 синоптическая метеорология - изучает закономерности развития атмосферных процессов, определяющая условия погоды, в рамках которого разрабатываются методы её прогноза

2 климатология - изучает условия и закономерности формирования климата, распределения его по земному шару и изменения климата во времени.

3 актинометрия - изучает солнечное, земное и атмосферное излучение, в условиях атмосферы

4 физика атмосферы - изучает физические закономерности процессов и явлений, происходящих в приземных, то есть в нижних слоях атмосферы, свободной атмосфере (аэрология) и верхних слоях атмосферы

5 динамическая метеорология - изучает динамику атмосферы (движение) и связанные с ней преобразования энергии на основе законов гидромеханики и термодинамики

6 прикладная метеорология - изучает влияние различных метеорологических  процессов на функционирование  различных отраслей народного  хозяйства.

7 макрометеорологические исследования-Прослеживание атмосферных процессов на синоптических картах вместе с анализом результатов аэрологических подъёмов.

8 лучистая энергия в атмосфере. Следующий важнейший вопрос Метеорологии — учение о лучистой энергии в атмосфере. Солнечная радиация является практически единственным источником энергии всех атмосферных процессов, прежде всего движения в атмосфере. Неодинаковый приток радиации под различными широтами — основной фактор распределения тепла на нашей планете.

9 Атмосфера как коллоид. В последнее время пытаются перенести на атмосферу результаты коллоидальной химии  (Шмаус, Виганд); в частности, выпадение осадков рассматривается как коагуляция атмосферного аэрозоля.

10 атмосферное электричество. Важнейшими этапами за три—четыре последних десятилетия являются здесь объяснение электрического заряда атмосферы ионизацией воздуха (Эльстер и Гейтель), успехи в теории полярных сияний (см.), связанные с именами Биркеланда и Штермера, и открытие в связи с распространением радиоволн высоких проводящих слоёв на высоте 90—130 км (слой Кеннели-Хеви- сайда) и 250—400(слой Эпльтона), т. н. ионосферы. Большое внимание привлекает сейчас исследование так наз. атмосферных помех при радиоприёме.

11 Биоклиматология - объединяется ряд вопросов о влиянии метеорологических факторов на жизнедеятельность растений, животных и человеческого организма, здорового и больного.

12 Микрометеорология - рассматривающая метеорологические явления малых и сверхмалых масштабов, как во времени, так и в пространстве. Временные рамки исчисляются от секунд до нескольких часов. Пространственные рамки лежат в пределах от нескольких метров до нескольких километров.

Организация системы наблюдения и контроля над состоянием природной  среды

Основным методам в  метеорологии является наблюдение (мониторинг). Полученные результаты наблюдений обрабатываются и обобщаются с помощью методов  статистики и теории вероятностей.

Государственная система  наблюдений и контроля за состоянием природной среды, состоит из четырёх  систем:

1 получение информации  ( система наблюдения, мониторинга)

2 сбор и распространение  информации в другие подсистемы (система связи)

3 обработка и обобщение  информации (составление прогноза, предупреждений для чрезвычайных  условий)

4 передача информации  потребителю 

Технические средства исследования:

1 Метеостанция

Совокупность различных приборов для метеорологических измерений (наблюдения за погодой).

2 Метеозонд

Или шар-зонд — беспилотный аэростат, предназначенный для изучения атмосферы. Состоит из резиновой или пластиковой оболочки, наполненной водородом или гелием, и подвешенного к ней контейнера с аппаратурой. Приборы позволяют измерять давление воздуха, влажность, температуру и другие параметры. Замеры перемещения шара позволяют определять скорость ветра на разных высотах.

3 Метеорологическая ракета

Беспилотная ракета, совершающая полёт по баллистической траектории в верхних слоях атмосферы с исследовательскими целями. Высота апогея может составлять от 40 до 100 км. Ракеты с высотой полёта более 100 км обычно называют геофизическими.

4 Дистанционное зондирование Земли

ДЗЗ — наблюдение поверхности Земли авиационными и космическими средствами, оснащёнными различными видами съемочной аппаратуры. Рабочий диапазон длин волн, принимаемых съёмочной аппаратурой, составляет от долей микрометра (видимое оптическое излучение) до метров (радиоволны). Методы зондирования могут быть пассивные, то есть использовать естественное отраженное или вторичное тепловое излучение объектов на поверхности Земли, обусловленное солнечной активностью, и активные — использующие вынужденное излучение объектов, инициированное искусственным источником направленного действия. Данные ДЗЗ, полученные с космического аппарата (КА), характеризуются большой степенью зависимости от прозрачности атмосферы. Поэтому на КА используется многоканальное оборудование пассивного и активного типов, регистрирующие электромагнитное излучение в различных диапазонах.

Принципы изучения погоды

Солнечная радиация, общая  циркуляция атмосферы, географическое распределение материков и океанов  и крупнейшие формы рельефа –  главные факторы, влияющие на климат суши. Солнечная радиация является важнейшим фактором климатообразования.

 Температура, атмосферное  давление, плотность и влажность  воздуха, скорость и направление  ветра – основные показатели  состояния атмосферы, а к дополнительным  параметрам относятся данные  о содержании таких газов, как озон, углекислый газ и т.п.

 Характеристикой внутренней  энергии физического тела является  температура, которая повышается  с увеличением внутренней энергии  среды (например, воздуха, облаков  и т.д.), если баланс энергии  положителен. Основными составляющими  энергетического баланса являются  нагревание при поглощении ультрафиолетового,  видимого и инфракрасного излучения;  остывание за счёт излучения инфракрасной радиации; теплообмен с земной поверхностью; приобретение или потеря энергии при конденсации или испарении воды, а также при сжатии или расширении воздуха. Температура может измеряться в градусах по шкалам Фаренгейта (F), Цельсия (С) или Кельвина (К). Минимальная возможная температура, 0° по шкале Кельвина, называется «абсолютным нулём».

Атмосферное давление в каждой точке обусловлено массой вышележащего столба воздуха. Оно изменяется, если меняется высота столба воздуха над  данной точкой. Давление воздуха на уровне моря составляет около 10,3 т/м². Это означает, что вес столба воздуха с горизонтальным основанием площадью 1 м² на уровне моря составляет 10,3 т.

Плотность воздуха – это  отношение массы воздуха к  занимаемому им объёму. Плотность  воздуха возрастает при его сжатии и уменьшается при расширении.

Температура, давление и  плотность воздуха связаны между  собой уравнением состояния. Воздух в значительной степени подобен  «идеальному газу», для которого, согласно уравнению состояния, температура (выраженная в шкале Кельвина), умноженная на плотность и разделённая на давление, есть величина постоянная.

Согласно второму закону Ньютона (закону движения), изменения  скорости и направления ветра  обусловлены действующими в атмосфере  силами. Это сила тяжести, которая  удерживает слой воздуха у земной поверхности, градиент давления (сила, направленная из области высокого давления в область низкого) и сила Кориолиса. Сила Кориолиса оказывает влияние на ураганы и другие крупномасштабные погодные явления. Чем меньше их масштабы, тем менее существенна для них эта сила. Например, от неё не зависит направление вращения смерча (торнадо).

Водяной пар и облака

Водяной пар – это вода в газообразном состоянии. Если воздух не способен удерживать большее количество водяного пара, он переходит в состояние насыщения, и тогда вода с открытой поверхности перестаёт испаряться. Содержание водяного пара в насыщенном воздухе находится в тесной зависимости от температуры и при её повышении на 10° С может увеличиться не более, чем вдвое.

Относительная влажность  – это отношение фактически содержащегося  в воздухе водяного пара к количеству водяного пара, соответствующему состоянию  насыщения. Относительная влажность  воздуха вблизи земной поверхности  часто велика утром, когда прохладно. С повышением температуры относительная  влажность обычно уменьшается, даже если количество водяного пара в воздухе  мало изменяется. Предположим, что утром  при температуре 10° С относительная влажность была близка к 100%. Если в течение дня температура понизится, начнётся конденсация воды и выпадет роса. Если же температура повысится, например до 20° С, роса испарится, но относительная влажность составит лишь около 50%.

Заключение

Космические исследования очень  важны для всего человечества.

С помощью тепловых исследований можно предопределить:

-извержение вулкана (Когда правительство и население в курсе предстоящей угрозы, то можно спасти множество жизней. Когда извержение уже началось, спастись почти невозможно. Эвакуация людей занимает достаточно большое количество времени, и если знать об опасности заранее, то можно спасти потенциальных жертв.)

-изменения погодных условий

-приближение тайфунов и ураганов

-определение климата  местности

Исследования местности:

-определение местонахождения  лесных массивов

-разведка местности

-составление карт, глобусов, атласов

-получение разведывательных  данных политического характера

Связь:

- распространение телевизионных  каналов в отдалённые участки  местности

-возможность определения  своего места расположения с  помощью GPS

-спутники сотовой связи,  труднодоступных регионов, где нет  возможности установить вышку  сотовой связи

Люди космической эры  уже не могут без условий, которые  они получили в результате научного прогресса. О с появлением автоматизированной техники, много людей потеряли работу. Огромное число людей , звериную долю своего времени проводят за персональными компьютерами, игровыми приставками, телевизором. Они перестали общаться в живую, зачем выходить на улицу, встречаться с людьми, когда можно пообщаться через социальные сети.

ИСЗ помогают сохранить множество  жизней. Подготовить людей к грядущим природным катаклизмам.  Предупреждён значит вооружён.

Очевидно большое практическое значение Метеорологии для сельского  хозяйства. Речь идёт не только о службе погоды, позволяющей планировать посевные и уборочные операции, но и об учёте климатических факторов, необходимых, например, при выведении новых культур, при продвижении сельско-хозяйственных культур на север и т. д. Много работают сейчас по выяснению влияния метеорологических факторов на течение болезней, на распространение эпидемических заболеваний и т. д. Использование таких энергетических ресурсов, как энергия ветра и солнечная радиация, необходимо предполагает их предварительное метеорологическое изучение. Наконец, заманчивые перспективы открываются в отношении искусственного воздействия на погоду, прежде всего в проблеме искусственного дождя и осаждения тумана.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Библиографический список

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D1%EF%F3%F2%ED%E8%EA-1

http://knowledge.allbest.ru/geology/3c0b65635b2bc78b5d43a89521316c27_0.html

http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_geolog/10630/%D0%98%D0%97%D0%A3%D0%A7%D0%95%D0%9D%D0%98%D0%95

http://midakov-andrei.21415s04.edusite.ru/p13aa1.html

http://do.gendocs.ru/docs/index-37480.html

исследование криогенных деформаций грунта в дельте реки Селенга  с помощью спутниковой РСА-  интерферометрии и наземного георадарного зондирования. 2011 г. Т.Н. Чимитдоржиев редакция 29,09,2010г

http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/petrov/isz58/01.html

http://www.krugosvet.ru/enc/Earth_sciences/geografiya/METEOROLOGIYA_I_KLIMATOLOGIYA.html

Кулагин А.В..Физика атмосферы и гидрофизика:[Учеб. пособие для вузов по специальностям «Инженер. Защита окружающей среды» и «охрана окружающей среды и рац. Использование природных рескрсов»].- 449 с. Красноярск. 2006 г.

http://ru.wikipedia.org/wiki/%CC%E5%F2%E5%EE%F0%EE%EB%EE%E3%E8%FF