Диссертация (Быстрые и точные алгоритмы расчета сигналов оптико-электронной системы дистанционного зондирования из космоса), страница 3

Такие измерения возможны12толькоспомощьюспутниковыхсистемоптическогодистанционногозондирования (ОДЗ).Оптические методы зондирования можно разделить на два больших типа:пассивные (регистрирующие отраженное солнечное излучение) и активные(использующие искусственную подсветку).Импульсноеотраженноеатмосферойлазерноеизлучениенесетинформацию о распределении концентрации аэрозоля по всей трассезондирования.Приэтомпространственноеразрешение,определяемоедлительностью зондирующего импульса, составляет единицы метров [Козинцеви др., 2002].Пассивныеспутниковыхоптическиенаблюденияхметодызанаходятгазовымширокоесоставомприменениеатмосферы.Хотяввбольшинстве случаев эти методы дают лишь суммарное содержание газовойкомпонентывдольтрассы,ониявляютсяединственновозможныминструментом для наблюдения глобальных антропогенных изменений составаатмосферы [Козинцев и др., 2002].На сегодняшний день существует большое количество спутниковыхсистем, имеющих на борту аппаратуру для съемки Земли производства США,Китая, Германии, Индии, России и др.

[Белов и др., 2014]. Мы же подробнееостановимся на нескольких, представляющихся нам в контексте настоящейработы наиболее интересными.Среди спутников, основной целью которых является мониторинг малыхгазовых компонентов атмосферы, необходимо отметить первую в миресистему, предназначенную для измерения концентраций углекислого газа иметана, двух главных парниковых газов из космоса – Greenhouse GasesObserving Satellite (GOSAT), расположенной на спутнике «IBUKI». ПрограммаGOSAT реализуется совместными усилиями Ministry of the Environment (MOE),the National Institute for Environmental Studies (NIES), и Japan AerospaceExploration Agency (JAXA). Спутник запущен 23 января 2009 года. Анализ13измерений GOSAT открывает возможность определения глобальной картиныраспределения CO2 и CH4, а также, каким образом их стоки и истокиизменяются с течением времени.

Эти новые данные должны повысить научноепонимание причин глобального потепления [gosat.nies.go.jp].GOSAT измеряет отраженное от земной поверхности и атмосферыизлучениевинфракрасномдиапазоне.Концентрациягазоввстолбевычисляется на основе этих измерений [gosat.nies.go.jp].Измерительная система GOSAT носит название Thermal And Near-infraredSensor for carbon Observation (TANSO) и состоит из двух компонентов: Фурьеспектрометра и картографа аэрозоля и облаков. Три из четырех каналовспектрометра чувствительны к поляризации. Информация с картографа облакови аэрозоля используется для определения наличия облаков, попавших в полезренияФурье-спектрометра.Когдаоблакапопадаютвполезренияспектрометра, производится измерение характеристик облаков и количествааэрозоля.

Полученная информация используется для корректировки визмерениях Фурье-спектрометра эффектов, вносимых облаками и аэрозолем[gosat.nies.go.jp].Важно отметить, что точность измерительной аппаратуры GOSAT оченьвысока – приблизительно ±1 ppm [Cogan et al., 2012]. В статье [Belikov et al.,2014] было промоделировано и проведено сравнение с данными GOSATраспределение субарктического углекислого газа. Отмечается, что результатымоделирования являются вполне приемлемыми (особенно, если учесть размерытерритории), однако, при этом они остаются довольно грубыми.Еще двумя системами, чувствительными к поляризации являютсясистемы французского космического агентства CNES POLDER-1 и POLDER-2(POLarization and Directionality of the Earths’s Reflectances), расположенные наспутниках ADEOS-1 и ADEOS-2 (ADvanced Earth Observation Satellite)соответственно.

Оба спутника прекратили работу меньше, чем через год послезапуска в результате повреждений солнечных батарей [smsc.cnes.fr/POLDER/].14Основное назначение POLDER – определение оптических и физическихсвойств аэрозоля с целью его классификации и изучения его изменений;улучшениеклиматологическогоописанияопределенныхфизических,оптических и радиационных свойств облаков; точное определение влиянияаэрозоля и облаков в радиационный баланс Земли smsc.cnes.fr/POLDER/].POLDER представляет собой широкопольный изображающий радиометр,с помощью которого впервые стало возможно систематически получатьглобальные данные о спектральных и поляризационных характеристикахотраженногосистемойЗемля-атмосферасолнечногоизлучения.Егооригинальные на тот момент возможности наблюдения открыли перспективы краспознаванию излучения, рассеянного в атмосфере, и излучения реальноотраженного от поверхности Земли.

Данная система производит измерения на15 спектральных линиях, расположенных от 443 до 910 нм. Две из нихявляются линиями поглощения газов: 763 нм (О2) и 910 нм (Н2О)[smsc.cnes.fr/POLDER/].Принципиально инструмент измерения состоит из камеры с двумернымПЗС-приемником и вращающимся барабаном, на котором расположеныспектральные и поляризационные фильтры. Меняя фильтры можно получатьинформацию об излучении во всем используемом спектральном диапазоне.Относительная точность измерений составляет 2-3% [smsc.cnes.fr/POLDER/].В рамках второй французской спутниковой программы PARASOL(Polarization and Directionality of the Earth's Reflectances) в 2004 году на орбитубыла выведена еще одна система POLDER.

Отличием является лишь меньшаяприблизительно на 100 км орбита и улучшенный канал связи (16.8 Мбит/спротив 883 Кбит/с). Цель миссии PARASOL – определение радиационных имикрофизических свойств облаков и аэрозолей путем измерения поляризацииотраженного солнечного света. Сама по себе система PARASOL являетсяпассивной, однако, ее совместная работа вместе с космическим лидаром15CALIPSO (Cloud Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations)позволяет использовать PARASOL как активную ОЭС [smsc.cnes.fr/PARASOL].Франко-Американская активная поляриметрическая система CALIPSOбыла выведена на орбиту в апреле 2006 года.

Цель миссии – проведениеглобальных измерений аэрозолей и облаков, для того чтобы добиться лучшегопонимания степени их влияния на климатическую систему, а также дляулучшения возможности предсказания долгосрочных и сезонных межгодовыхизменений климата [smsc.cnes.fr/CALIPSO]. CALIPSO работает в паре самериканской системой CLOUDSAT, представляющий собой направленный внадир радар (94 ГГц), который измеряет обратно рассеянную от облаковэнергию в виде функции расстояния [cloudsat.atmos.colostate.edu].ОсновнымизмерительныминструментомCALIPSOявляетсятрехканальный изображающий радиометр (8.65 мкм, 10.6 мкм и 12.05 мкм).Поскольку система является лидаром, с ее помощью можно восстанавливатьвертикальную структуру атмосферы. В отличие от солнечного света, «зеленыйлуч» (523 нм) CALIPSO является полностью поляризованным в одномнаправлении.

Атмосферное рассеяние изменяет падающую поляризацию, иизмерениестепениинформацииодеполяризацииприродепредоставляетчастиц,вогромноеособенностиихколичествогеометрии[smsc.cnes.fr/CALIPSO, www-calipso.larc.nasa.gov].Еще одна система, направленная на изучение глобальных изменений наземле, в океанах и в нижних слоях атмосферы – MODIS (Moderate ResolutionImaging Spectroradiometer) – находится на борту двух спутников Terra и Aqua,запущенных в 1999 и 2002 гг. соответственно в рамках программы NASA EarthObservingSystem.MODISявляетсянеединственным,ноосновныминструментом обоих спутников.

Он проводит измерения на 36 длинах волн вдиапазоне от 0.4 до 14.4 мкм. Оптическая система MODIS состоит издвухзеркального афокального телескопа, который направляет энергию начетыре преломляющих объектива (один которых для видимой области,16ближнего ИК, коротковолнового/средневолнового ИК и длинноволнового ИК)[modis.gsfc.nasa.gov].Среди систем, предназначенных для мониторинга малых газовыхкомпонентов атмосферы, необходимо назвать отечественную разработку –системуРУСАЛКА(РучнойСпектральныйАнаЛизаторКомпонентовАтмосферы), разработанный Институтом космических исследований РАН.Русалка пока не имеет собственного спутника, и заточена для ручной съемки сборта Международной космической Станции [planetary-department-iki.ru].РУСАЛКА представляет собой спектрометр высокого разрешенияближнего инфракрасного диапазона, который предназначен для отработкиметодики измерения содержания углекислого газа и метана в атмосфере.