Определение оптических характеристик геостационарных спутников и земной атмосферы по их наблюдениям  на границах земной тени.

Диденко А.В., Усольцева Л.А.

"Космические исследования в Казахстане", Алматы, КазГосИНТИ,  2002, с. 355-373

• Текст статьи

Резюме. По результатам синхронных наземных и космических наблюдений Солнца,  звезд  и геостационарных ИСЗ (ГСС) на границах земной тени и на основе математического  моделирования выделены основные параметры атмосферы, влияющие  на  блеск ГСС  на границах тени Земли. Рассмотрен вопрос определения интегральных характеристик атмосферы.

Введение. Визуальные наблюдения и инструментальные исследования атмосферно-оптических явлений из космоса обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими методами изучения этих явлений, например, с помощью наземных средств. Наиболее удобной платформой для проведения подобных исследований и экспериментов из космоса являлась орбитальная станция "Мир", позволявшая осуществлять исследования в течение длительного времени.

При наблюдениях из космоса большинство атмосферно-оптических явлений наиболее ярко проявляется при наблюдении в направлении горизонта Земли: хорошо видна слоистая структура атмосферы, что позволяет успешно проводить исследования стратосферных аэрозольных слоев, озона, радужных, перламутровых и серебристых облаков, разнообразных сумеречных явлений и т.д. Но при этом большое влияние на контрасты и образы исследуемых объектов и образований оказывает передаточная функция атмосферы.

Характеристики энергетических потоков радиации в атмосфере вдоль протяженных трасс определяются процессами ее рассеяния, поглощения и преломления. Учет каждой составляющей этих потерь имеет свою специфику.

Оптические свойства атмосферы, определяющие ее спектральную прозрачность в оптическом диапазоне, зависят от высоты в атмосфере, широты места и времени года. Основными поглощающими газами в этой области спектра являются озон, пары воды и кислорода. К основным рассеивающим компонентам относятся молекулы атмосферного воздуха и аэрозоль. Относительный вклад различных составляющих в общее ослабление радиации определяется спектральным диапазоном, областью высот и замутненностью атмосферы аэрозолями. Так, например, в нижних слоях атмосферы доминирующая роль в ослаблении в видимом диапазоне спектра принадлежит аэрозольному и молекулярному ослаблению, в ИК диапазоне (0.8 – 1.2 мкм) - парам воды. В области слоя Юнге на высоте 20 - 40 км значительный вклад в ослабление радиации вносит полоса поглощения озона, т.н. полоса Шапюи.

Состав сухого воздуха в отношении его основных компонентов остается постоянным до значительных высот. Его основными составляющими (более чем на 99.0%) являются молекулы азота и кислорода; кроме постоянно входящих в его состав молекул аргона и углекислого газа в количестве, немного меньшем 1%, на долю всех остальных газовых примесей приходится меньше 0,005% по объему.

В содержании азота, кислорода и аргона не отмечается никаких закономерностей и сколько-нибудь заметных изменений в зависимости от времени и географического положения мест. Некоторым изменениям подвержено содержание в атмосфере углекислого газа, в среднем принятое равным 0.033%. В дневное время его содержание меньше, чем в ночное; оно несколько различно в разное время года - больше зимой и меньше летом и осенью. Содержание СО2 в полярных странах меньше: в Антарктике, например, оно составляет около 0.02% . Оно меньше над океанами и больше над сушей.. С высотой, по крайней мере до 20 км, среднее содержание СО2 изменяется мало и лишь выше оно медленно убывает. Имеющиеся данные говорят о непрерывном увеличении среднего содержания СО2 в атмосфере

Исследования последних десятилетий показали, что температурное поле и динамика стратосферы и мезосферы тесно связаны с атмосферным озоном. Он располагается в атмосфере в виде сферического слоя, внутренняя поверхность которого совпадает с поверхностью Земли, а высота может достигать 80 км, озон в нем распределен неравномерно как в вертикальном, так и горизонтальном направлении.

Содержание озона в нижних слоях атмосферы до высоты 10 км мало, после 10 км начинается его увеличение, отчетливо выраженное выше 15 км. На высоте 20-25 км наблюдается максимум содержания озона, выше его количество постепенно убывает и становится ничтожным на 60-70 км.

Вертикальное распределение озона над разными пунктами неодинаково и подвержено изменениям во времени. Эти изменения особенно заметны в нижней части слоя озона на высоте 15-25 км. Здесь колебания в содержании озона примерно в три раза больше, чем изменения его общего количества. При большом содержании наблюдается появление вторичного максимума.

Общее количество озона, содержащегося в атмосфере, подвержено значительным изменениям во времени и различно на разных широтах; крайние из наблюденных значений заключаются в пределах 1.5 - 5.5 мм. При этом установлено, что количество озона в атмосфере над экватором наименьшее, изменение его содержания в течение года невелико. К высоким широтам оно растет, достигая наибольших значений в полярных областях, в то же время здесь наблюдаются и резко выраженные сезонные колебания с максимумом в весенние месяцы и минимумом осенью.

В реальном атмосферном воздухе всегда содержатся во взвешенном состоянии мельчайшие частицы различных веществ в твердом и жидком состоянии, имеющие как естественное, так и индустриальное происхождение. В связи с малым размером частиц (10-20 ) они длительное время остаются в атмосфере во взвешенном состоянии и переносятся вертикальными и горизонтальными течениями воздуха. Систему этих диспергированных частиц объединяют под общим термином аэрозоли.

Наблюдения показывают большие изменения в содержании пыли на различных высотах в течение суток. В ночные часы при ослаблении перемешивания частички сосредотачиваются в более низких слоях - происходит оседание, а в дневные часы, наоборот, они распространяются на большие высоты. Однако характер суточного хода является сложным, он зависит и от местных условий, определяющих поступление пыли в атмосферу. Кроме пыли земного происхождения в атмосфере присутствует космическая пыль. По косвенным оценкам ее поступление в земную атмосферу может достигать нескольких сотен тонн с вероятным максимумом на высоте 70 - 90 км.

Обычно глобальные характеристики атмосферы определяются на основе результатов измерений с космических аппаратов и метеорологических ракет, что, естественно, связано с большими материальными затратами.     

Весьма перспективной является идея использовать результаты электрофотометрических наблюдений ИСЗ для определения параметров земной атмосферы, т.к. это один из самых дешевых способов исследования, дающий оценку состояния атмосферы над большой территорией Земли [1]. Изучение вариаций блеска ИСЗ на границах земной тени дает информацию не только о типе космического аппарата (КА) и его ориентации, но и о состоянии атмосферы вдоль траекторий освещающих спутник лучей, т.к. входящий или выходящий из тени Земли КА освещается главным образом солнечными лучами, испытавшими искривление и ослабление из-за рефракции и экстинкции в земной атмосфере.

Проведение регулярных наблюдений заходов с борта космического корабля связано с большими затратами. В ряде случаев более целесообразно использовать наземные наблюдения ИСЗ при их заходе в тень с периодическими квазисинхронными наблюдениями с борта ОКС заходов Солнца или звезд на близких оптических трассах. Последние необходимы для калибровки и исключения вариаций блеска, связанных с формой и характеристиками покрытий наблюдаемых с Земли ИСЗ.