Первая попытка в этом направлении была предпринята Соединенными Штатами, создавшими семейство метеорологических спутников «Тирос» (англ. TIROS — Television and Infrared Observation Satellite — спутник для наблюдений с телевизионным и инфракрасным оборудованием). Система «Тирос» получила развитие в результате осуществления программы исследований и разработок, отмеченного успешным полетом спутника «Тирос-1» в апреле 1960 г., который продемонстрировал возможность использования спутников для наблюдений погоды. Вскоре система переросла в полуэксплуатационную программу, в соответствии с которой еще девять спутников «Тирос» были успешно запущены в период 1960—1965 гг. На каждом спутнике были установлены две малогабаритные телевизионные камеры и приблизительно на половине спутников — сканирующий инфракрасный радиометр для получения изображения облачного покрова Земли путем регистрации излучения в ИК-области спектра и датчик излучений, регистрирующий радиационные потоки на Землю и от Земли.
Управление по научной информации об окружающей среде ЭССА
Для обеспечения ежедневных глобальных наблюдений погоды с непрерывной информацией в феврале 1966 г. была развернута функциональная система «Тирос» — «ТОС» (англ. TOS - Tiros Operational System). В системе были использованы два спутника «ЭССА», каждый из которых был предназначен для решения определенного класса задач. Один спутник передавал глобальные метеоданные на станции министерства торговли США, расположенные на о-ве Уоллопс, шт. Виргиния, и в г. Фэрбенкс на Аляске, которые затем транслировались в Национальный метеорологический центр в г. Сьютленд, шт. Мэриленд, для обработки и отправки в основные центры метеопрогнозов США и других стран.
 Вверху. Метеорологический спутник «ЭССА-3». Первый спутник системы «ТОС», оснащенный двумя усовершенствованными телевизионными системами, каждая из которых позволяет ежесуточно получать полную метеорологическую картину Земли. |
Второй спутник непосредственно передавал в реальном масштабе времени телевизионные изображения с помощью системы автоматизированной передачи изображений «АПТ» (англ. Automatic Picture Transmission) на несложные станции, размещенные по всему миру.
Девять спутников «ЭССА» были успешно запущены за период 1966— 1969 гг. Один из них, «ЭССА-8», функционировал до марта 1976 г. На спутниках серии «ЭССА» были поставлены большие телевизионные камеры (размер видиконов 2,54 см), разработанные для программы спутников «Нимбус», что позволило существенно улучшить качество изображений облачного покрова по сравнению с изображениями, полученными камерами спутников «Тирос» (размер видиконов 1,27 см).
«ИТОС»
Второе десятилетие метеорологических спутников было отмечено успешным запуском 23 января 1970 г. спутника «ИТОС-1»1 — первого эксплуатационного метеорологического спутника второго поколения. Этот спутник по своим возможностям намного превосходил своих предшественников серии «ЭССА», что позволило существенно продвинуться вперед к достижению цели создания Национальной эксплуатационной метеорологической системы США, о которой речь пойдет ниже.
1 Этот космический аппарат первоначально назывался «Тирос-М». После его запуска на орбиту он был переименован в «ИТОС-1» (англ. ITOS-1 — Improved Tiros Operational Satellite-1 — улучшенный эксплуатационный спутник «Тирос-1»). Следующие аппараты этой серии назывались «НОАА-1» и т. д. (англ. NOAA — National Oceanic and Atmospheric Administration — Национальное управление по исследованию океанов и атмосферы, преемник ЭССА).
В одном спутнике «ИТОС-1» были объединены функции двух спутников «ЭССА» — непосредственная автоматическая передача изображений и хранение глобальных изображений для последующей передачи и обработки. Кроме того, «ИТОС-1» впервые выдавал дневные и ночные радиометрические данные как в реальном масштабе времени, так и с записи. Один спутник «ИТОС» осуществлял глобальный обзор облачного покрова Земли каждые 12 ч, в то время как два спутника «ЭССА» осуществляли ту же операцию каждые 24 ч. Второй спутник «ИТОС» («НОАА-1», или «ИТОС-А») был запущен 11 декабря 1970 г.
Система «ИТОС» получила дальнейшее развитие в системе «ИТОС-D», которая была оснащена более совершенным комплексом приборов для изучения окружающей среды. Эти новые приборы включали радиометры с очень высокой разрешающей способностью и сканирующие радиометры с умеренной разрешающей способностью, которые позволяли получать дневные и ночные изображения. Кроме того, имелись радиометры для измерения вертикального профиля температуры атмосферы и прибор для регистрации протонной и электронной составляющих потока солнечного излучения. В серии «ИТОС-D» планировалось шесть спутников («ИТОС-D, -Е-2, -F, -G, -Н и -I»). Спутник «НОАА-2» («ИТОС-D»), первый из этой серии, был успешно запущен 15 октября 1972 г. Следующие три спутника этого типа «НОАА-3, -4, -5» были запущены в 1973, 1974 и 1976 гг. соответственно. Запуски спутников Е-2 и - I были отменены из-за долговечности функционирования на орбите их предшественников. По мере совершенствования система «ИТОС» еще более приблизила реализацию национальной эксплуатационной метеорологической системы.
 Справа. Фотоснимок Аравийского п-ва, полученный со спутника «Нимбус-3». Снимок сделан в инфракрасных лучах с высоким разрешением. Желтые области указывают на высокую отражательную способность светлого песка пустыни. Почти белые области пустыни соответствуют песчаным образованиям типа дюн. Области оливкового цвета — влажные районы. Красные — плодородные земли с растительностью. |
Спутниковая система «ИТОС» была создана на базе отлаженной технологии спутников «Тирос» и «ЭССА». Многие устройства и технические решения, воплощенные на этих аппаратах, были улучшены и использованы. Такое последовательное усовершенствование позволило перейти от аппарата, стабилизируемого вращением, к платформе с трехосной стабилизацией, обеспечивающей ориентацию относительно Земли.
«Тирос-N»
В 1978 г. была закончена разработка и начата эксплуатация системы метеорологических спутников третьего поколения «Тирос-N», функционирующих на полярной орбите. Предполагалось, что восемь аппаратов обеспечат выполнение задач глобального обзора в период 1978—1985 гг. Второй спутник «НОАА-6» был запущен на орбиту в июне 1979 г.
На спутниках этой серии был установлен новый комплект приборов для сбора информации. Один из таких приборов, усовершенствованный радиометр с очень высокой разрешающей способностью, был сконструирован с целью увеличения объема радиометрической информации для более точного составления температурной карты морской поверхности и для идентификации снега и льда в дополнение к дневным и ночным изображениям в видимом и инфракрасном диапазонах. Кроме того, комплект приборов включал зонды: инфракрасный с высокой разрешающей способностью, стратосферный и микроволновый для улучшения вертикального зондирования атмосферы. Система сбора данных получает информацию от фиксированных и движущихся платформ типа буя или воздушного шара и запоминает ее для последующей передачи на наземные станции. Установлен также солнечный датчик для измерения плотностей протонов, электронов и α-частиц с целью прогнозирования возмущений на Солнце.
Серия космических аппаратов «Тирос»/«ЭССА»/«ИТОС»/«НОАА» была разработана и создана отделением «Астроэлектроникс» фирмы «Рэдио корпорейшн оф Америка» под техническим руководством Центра космических полетов им. Годдарда (НАСА), а эксплуатировалась Национальным управлением по исследованию океанов и атмосферы.
Технологический спутник «Нимбус»
Разработка программы «Нимбус» была начата НАСА в начале 60-х годов с целью создания обзорной системы, удовлетворяющей нужды ученых в их исследованиях и разработках. Программа предусматривала решение следующих задач: 1) разработку усовершенствованных пассивных радиометрических и спектрометрических датчиков для постоянного глобального наблюдения атмосферы Земли, обеспечивающего необходимую информацию для долгосрочных прогнозов погоды; 2) разработку и испытание новых активных и пассивных датчиков для зондирования атмосферы Земли и картографирования ее поверхности; 3) разработку прогрессивной космической технологии и наземных средств для космических аппаратов, предназначенных для метеорологических и других обзорных исследований; 4) разработку новых методов и накопление знаний, полезных для исследования атмосфер других планет; 5) участие в программах глобального наблюдения (Всемирная служба погоды) за счет расширения возможностей постоянного глобального наблюдения погоды; 6) создание дополнительного источника метеорологической информации.
Система «Нимбус» была задумана как средство испытания усовершенствованных приборов для будущих эксплуатационных спутников «Тирос» на полярной орбите и как исследовательская система для дистанционного зондирования и сбора информации. Система была разработана под руководством Центра космических полетов им. Годдарда; ответственной за создание космического аппарата в целом была фирма «Дженерал электрик». Фирмы «Рэдио корпорейшн оф Америка», «Хьюз эйркрафт», «Интернэшнл телефон энд телеграф», «Тексес инструментс» и ряд других фирм и университетов поставляли датчики и оборудование для обработки и хранения информации.
Семь аппаратов «Нимбус» были успешно выведены на орбиты за период 1964—1978 гг. Последний образец «Нимбус-7» был запущен в октябре 1978 г. Он был оборудован приборами для исследования загрязнений атмосферы.
Технологический спутник «АТС»
Возросшие энергетические возможности ракет-носителей середины 60-х годов позволили запускать спутники на геостационарную орбиту высотой 35 880 км над экватором. На этой высоте спутник движется по орбите с угловой скоростью, равной угловой скорости вращения Земли вокруг своей оси. Таким образом, спутник сохраняет стационарное положение относительно Земли и способен вести постоянное наблюдение одной и той же области.
Внизу. Первая полная картина погоды, полученная со спутника «Тирос-9» в феврале 1965 г. |
Эти спутники предоставили ученым, занимающимся исследованием атмосферы, качественно новую возможность наблюдений, а именно, постоянное наблюдение почти одной трети земной поверхности. Программа исследований НАСА, включающая геостационарные спутники, осуществлялась с использованием спутников серии «АТС» (см. ст. 5). Созданные главным образом для демонстрации техники спутниковой связи некоторые спутники «АТС» были оснащены фото- и телевизионными камерами с высокой разрешающей способностью для атмоферных наблюдений.
Спутник «АТС-1» был выведен на геостационарную орбиту 7 декабря 1966 г. Одной из задач этого технологического спутника была демонстрация возможности получения изображения Западного полушария каждые 20 мин с помощью камеры с вращательным сканированием. Ценные данные были получены в полосе приблизительно 55° с.ш. — 55° ю.ш. Возможность последовательного фотографирования одного и того же района позволила облегчить обнаружение сильных бурь и шквалов, а также наблюдать в реальном масштабе времени за ранней стадией перемещения облаков и фронтов.
Второй технологический спутник «АТС-3» был запущен в ноябре 1967 г. Этот спутник, оснащенный многоспектральной сканирующей камерой, передал первые цветные изображения полного диска Земли. Такие изображения были использованы для многих целей помимо метеорологии. Спутники «АТС-1» и «АТС-3» были разработаны Центром им. Годдарда, головным разработчиком являлась фирма «Хьюз эйркрафт».
Спутники серии «СМС»/«ГОЭС»
Успешное осуществление экспериментальной программы атмосферных наблюдений с геостационарной орбиты позволило НАСА перейти к разработке эксплуатационного спутника, специально предназначенного для этой цели. Прототип серии спутников «CMC»/«ГОЭС» (англ. SMS/GOES — Synchronous Meteorological Satellite/Geostationary Operational Environmental Satellite - синхронный метеорологический спутник/геостационарный эксплуатационный метеорологический спутник) имел индекс «СМС-1» и был создан фирмой «Аэронутроник Форд» под руководством НАСА. «СМС-1» был успешно запущен в мае 1974 г. Расположенный над экватором на 45° з.д., спутник обеспечивал постоянное наблюдение полушария. Основным прибором спутников «CMC» был телескоп с апертурой 40,6 см для обзора в видимом и инфракрасном диапазонах длин волн. Созданный фирмой «Хьюз эйркрафт» этот радиометр с вращательным сканированием для наблюдений в видимом и инфракрасном диапазонах позволял производить постоянные наблюдения облачного покрова, определять температуры, высоту облаков и параметры ветров.
«CMC» также транслирует данные из отдаленных источников сбора информации, таких, как речные бакены, океанские буи, корабли, воздушные шары, самолеты. Установленный на спутнике регистратор космической обстановки (состоящий из датчика рентгеновских лучей, датчика элементарных частиц и магнитометра) регистрирует изменения солнечной активности, такие, как вспышки, измеряет поток энергии электронов и протонов и изменения геомагнитного поля. Таким образом, можно на практической основе осуществлять наблюдение и прогноз атмосферных явлений, относящихся не только к метеорологии.
| Семейство спутников «Тирос»/«ЭССА»/«ИТОС»/«НОАА»
По этой программе была создана целая серия телевизионных и фотокамер, а также датчиков для штатной эксплуатации с целью круглосуточного наблюдения облачного покрова, определения температуры, высоты облаков, параметров ветров и других характеристик. Эксплуатационная система «Тирос-N» была создана на основе опыта разработки НАСА серии из десяти исследовательских спутников «Тирос», которые прошли несколько этапов доработки | и усовершенствования, прежде чем спутник стал эксплуатационным, и тогда НОАА начало финансировать собственную серию спутников. В 1966 г. был запущен первый такой спутник «ЭССА», затем еще восемь. Спутники серии «ИТОС», финансируемой НАСА, были запущены в 1970—1971 гг.; затем последовали запуски аналогичных спутников, финансируемых НОАА. На спутниках «Тирос-N» в основном используется аппаратура, созданная по программе НАСА для метеоспутников «Нимбус». | Примечание. На диаграмме используются следующие аббревиатуры: АПТИ — автоматизированная передача телевизионныл изображений, УСТК — усовершенствованная система телевизионных камер. Полутона означают периоды ограниченного использования. |
После «СМС-1» были запущены еще четыре спутника по программе «CMC»/«ГОЭС»: «СМС-2» — 6 февраля 1975 г.; первый эксплуатационный образец «ГОЭС-1» - 16 октября 1975 г.; «ГОЭС-2» - 16 июня 1977 г. и «ГОЭС-3» — в июне 1978 г. Эти эксплуатационные спутники контролирует Национальное управление по исследованию океанов и атмосферы.
 Вверху. Синхронный метеорологический спутник «СМС-2» был размещен на геостационарной орбите в точке 135° з. д, к югу от г. Ситка, шт. Аляска, для наблюдения западной части США. |
Спутники серии «СМС»/«ГОЭС» перемещались в различные точки геостационарной орбиты с целью достижения наибольшей информативности и выполнения специальных задач. Так, например, диспозиция спутников на август 1980 г. была следующей: «СМС-1» находился на 130° з.д. в качестве резервного по отношению к спутнику «ГОЭС-3», находящемуся на 135° з.д. Спутник «СМС-2» располагался на 75° з.д., т. е. на меридиане, проходящем у восточной границы США; спутник «ГОЭС-2», расположенный на меридиане, проходящем через центральную часть США (105° з.д.), использовался для передачи метеоданных развивающимся странам этого полушария. Спутник «ГОЭС-1» был выведен в точку над Индийским океаном (60° в.д.) в рамках программы «ГАРП» (англ. GARP — Global Atmospheric Research Programme — программа глобальных исследований атмосферы), в соответствии с которой прием и обработку информации со спутника осуществляла наземная станция Европейского космического агентства, расположенная в Испании. Функции управления были возложены на станцию в Дармштадте (ФРГ).
Эксплуатационная система
Национальная эксплуатационная метеорологическая система США начала функционировать в полном составе во втором десятилетии космических полетов. Помимо спутников «Тирос» на полярных орбитах система включала геостационарные спутники для непрерывного наблюдения облачного покрова Земли, передачи данных для составления карт погоды (для потребителей), сбора информации от источников метеоданных. Создание этих современных систем наблюдения стало возможным благодаря опыту исследований и разработок спутников «Тирос», «Нимбус» и «АТС».
Метеорологические спутники Советского Союза и других стран
В СССР один из спутников серии «Космос» является метеорологическим спутником с высотой орбиты 900 км, наклонением орбиты к экватору 81,3°. В последние десять лет эксплуатационным метеорологическим космическим аппаратом в СССР стал спутник «Метеор». Два или три спутника этой серии находятся на орбите одновременно. Спутники «Метеор» собирают информацию о состоянии атмосферы, тепловом излучении Земли, потоках заряженных частиц. Метеоданные с борта спутников могут непосредственно принимать более пятидесяти метеостанций на территории СССР. Полезный груз спутника в основном состоит из оптико-механического телевизионного оборудования, работающего в видимой области спектра. Кроме того, имеется сканирующая инфракрасная аппаратура для получения данных о содержании влаги в атмосфере и вертикальном профиле температур. Предупреждения о внезапных изменениях погоды по объединенным данным с метеорологических радиолокационных станций и спутников передаются по радио из Москвы, Ленинграда и других центров, а специальная служба сообщает эту информацию на суда и самолеты.
Внизу. Выставочная модель советского метеорологического спутника «Метеор» с трехосной стабилизацией и питанием от солнечных батарей. Основные приборы для наблюдения поверхности Земли - телевизионная система получении изображений и инфракрасный радиометр.  Система «Метеор» 1 Центр управления. 2 Командная радиолиния. 3 Автоматическая обработка данных о техническом состоянии спутника. 4 Антенна командной радиолинии. 5 Данные о техническом состоянии спутника. 6 Метеорологическая информация. 7 Станция приема метеорологической информации. 8 Обработка телевизионой информации. 9 Обработка данных о солнечном нагреве. 10 Обработка информации, полученной в инфракрасных лучах. 11 В Гидрометеоцентр СССР. 12 Информация для самолетов. 13 Информация для сельского хозяйства. 14 Информация для судов. 15 Заблаговременное предупреждение об опасных погодных условиях. 16 Оценка снежного и ледяного покровов. |
Советские метеорологические спутники «Метеор» начали функционировать в рамках программы экспериментов серии «Космос». Таковыми были спутники «Космос-44, -58, -100, -118, -122 и -144».
Спутник «Космос-122», запущенный в июне 1966 г., имеет две системы ориентации. Одна система обеспечивает ориентацию цилиндрического центрального тела с установленными на нем телевизионными камерами и инфракрасными датчиками по вертикали к Земле, другая постоянно ориентирует две большие панели солнечных батарей на Солнце, чтобы вырабатывать максимальную электроэнергию для питания бортовых систем. Конструктивно система ориентации спутника была выполнена как трехосная маховиковая система.
Запуск спутника «Космос-156» предварял развертывание национальной системы распределения метеоданных. «Метеор-1» был запущен 26 марта 1969 г. на орбиту с высотами перигея 644 км и апогея 713 км и наклонением орбиты к экватору 81,2°.
В настоящее время спутники «Метеор», разработанные на базе предшествующих моделей, постоянно наблюдают за Землей от полюса до полюса, ежечасно охватывая территорию площадью 30 000 кв. км. Находясь на теневой стороне Земли, спутники получают изображения с помощью инфракрасных датчиков, реагирующих на тепловое излучение поверхности Земли, океанов и облаков.
Типичным спутником этого семейства является «Метеор-2-04», запущенный 1 марта 1979 г. на орбиту с высотами 839 X 897 км и наклонением орбиты к экватору 81,22°. Обычно на орбите находятся три спутника на угловом расстоянии 90—180°, которые проходят над определенным районом с интервалами 6 и 12 ч. Спутники накапливают информацию и передают ее на наземные станции по команде.
Приемные центры Гидрометеорологической службы СССР обеспечивают максимально возможное распространение метеорологической информации. Основные центры расположены в Москве, Новосибирске и Хабаровске.
Спутниковая система «Метеор» пользуется большим спросом; она обеспечивает регулярное прогнозирование погоды, включая оповещение о быстро развивающихся тропических бурях. Такая служба информации имеет особо важное значение для предсказания схода снежных лавин с гор и для планирования систем ирригации в отдаленных районах. Она продемонстрировала большие преимущества при прокладке маршрутов судов вне районов бурь, штормовых морей, сильных ветров и скоплений льда, что дало экономический эффект, оцениваемый миллионами рублей.
Французский Национальный центр по исследованию космоса - СНЕС (франц. CNES — Centre National d'Etude Spatiales) и НАСА (США) осуществили международную программу «Эол».
 | ||
| Вверху. Французский спутник «Эол» массой 84 кг, запущенный в августе 1971 г. В его задачи входила передача информации с 500 метеорологических шаров-зондов о характеристиках верхних слоев атмосферы. | Вверху. На этих двух изображениях, полученных со спутника «Нимбус-5», видны изменения полярной шапки во время антарктического лета (декабрь-январь 1973 г.). Белый и светло-серый цвета означают открытую воду. Голубой, переходящий в серый,— открытая вода, смешанная со льдом, причем более темный оттенок имеют толстые глетчеры. Желто-зеленые области, по-видимому, являются толстыми глетчерами или ледяным покровом, а красные тона соответствуют морскому льду образования текущего года. Черные точки — погрешности информации. | |
Система «ИТОС»
Спутники системы «ИТОС» функционируют на солнечно-синхронной1 круговой орбите высотой 1463 км. За период обращения спутника, равный 115 мин, Земля поворачивается на угол 28,5°. Углы обзора датчиков обеспечивают наблюдение смежных областей с соседних орбит, а также по трассам полета; в результате глобальное наблюдение осуществляется в течение 12,5 витка ежесуточно.
1Приполярная орбита, плоскость которой направлена на Солнце. На такой орбите спутник имеет идеальные условия для наблюдения Земли.
Система «ИТОС»/«НОАА» обеспечивает как непосредственную передачу информации в реальном масштабе времени на приемные станции типа АПТИ (англ. APT — Automatic Picture Transmission TV — Автоматизированная Передача Телевизионных Изображений) по всему миру, так и с записи на две станции КДА (англ. CDA — Command and Data Acquisition — получение информации по командам) в США для последующей передачи в Национальную спутниковую метеослужбу в г. Сьютленд, шт. Мэриленд, для обработки и распределения. Данные в реальном масштабе времени для местных потребителей включают: информацию в видимом и инфракрасном диапазонах, полученную с помощью сканирующего радиометра с разрешающей способностью 3,7 и 7,4 км соответственно; информацию в инфракрасном и видимом диапазонах, полученную с помощью радиометра с разрешающей способностью 0,9 км, и вертикальные профили температур атмосферы от поверхности Земли до высоты около 30 500 м, также полученные с помощью радиометра.
Записанные данные, предназначенные для передачи на станции КДА, включают информацию от радиометров, а также от датчика, регистрирующего протонную и электронную составляющие потока солнечного излучения на высоте орбиты. Данные радиометров записываются в глобальном масштабе. Накопление информации от радиометра с очень высокой разрешающей способностью ограничено временем видения выбранного района Земли с каждого витка, составляющем 9 мин.
Система управления ориентацией спутника «ИТОС» постоянно ориентирует его таким образом, что датчики направлены непосредственно на Землю и сканируют в плоскости, перпендикулярной плоскости ее орбиты. Точность ориентации по осям крена, рыскания и тангажа постоянно поддерживается в пределах менее ±0,5°.
Спутник имеет прямоугольную коробчатую конструкцию с приблизительными размерами 102 x 102 x 122 см. Масса аппарата серии «ИТОС-D» 340 кг.
Система «Тирос-N»
В октябре 1978 г. НАСА и НОАА ввели в эксплуатацию спутник «Тирос-N» — метеорологический эксплуатационный спутник третьего поколения, функционирующий на полярной орбите. Аппарат снабжен усовершенствованными датчиками и приборами, система сбора информации принимает данные от шаров-зондов и буев, расположенных по всему земному шару. Спутники «Тирос-N» и «НОАА-6» вместе с тремя спутниками «ГОЭС» составили вклад США в ФГГЕ (англ. FGGE — First Global GARP Experiment — первый глобальный эксперимент по программе ГАРП1). Кроме того, эти спутники обеспечили НОАА глобальной метеорологической информацией, поддерживающей развитие эксплуатационного и экспериментального направлений всемирной программы наблюдения погоды.
1 ГАРП (англ. GARP — Global Atmospheric Research Program) — программа глобального исследования атмосферы.
 Вверху. Метеорологический спутник «Тирос-N» проходит испытания в космическом центре фирмы «Рэдио корпорейшн оф Америка» в Принстоне (шт. Нью-Джерси). Спутники этого типа эксплуатируются НОАА. |
Информация, собранная с помощью усовершенствованных приборов этих спутников, обрабатывается и хранится на борту для передачи через станции КДА в центральный пункт обработки в г. Сьютленд, шт. Мэриленд. Данные также передаются в реальном масштабе времени на удаленные станции, расположенные по всему миру.
Спутник «Тирос-N» функционирует на приполярной круговой солнечно-синхронной орбите с номинальной высотой в диапазоне 833—870 км. В эксплуатационном построении системы используются два спутника с номинальным угловым расстоянием в плоскости орбиты 90°.
Полезный груз спутника «Тирос-N» состоит из следующих приборов:
1. Усовершенствованного радиометра с очень высокой разрешающей способностью, который представляет собой четырехканальный прибор с поперечным сканированием, обеспечивающий получение изображений и радиометрической информации в видимой области спектра, а также в ближней и дальней инфракрасных областях спектра. (Прибор поставлен фирмой «Интернэшнл телефон энд телеграф».)
2. Подсистемы вертикального зондирования, состоящей из:
а) инфракрасного зонда с высокой разрешающей способностью, представляющего собой 20-канальный радиометр с шаговым сканированием, работающий в видимом и инфракрасном диапазонах и предназначенный для получения профилей температур и загрязнений тропосферы (прибор также поставлен фирмой «Интернэшнл телефон энд телеграф»);
б) стратосферного зонда, представляющего собой трехканальный импульсно-модулированный спектрометр с шаговым сканированием, работающий в дальней инфракрасной области и предназначенный для получения профилей температур стратосферы (прибор был поставлен Британской метеорологической службой);
в) микроволнового зонда, представляющего собой четырехканальный спектрометр с шаговым сканированием с чувствительностью в диапазоне частот излучения кислорода (60 ГГц) и предназначенного для получения профилей температур атмосферы при наличии облаков (прибор был поставлен Лабораторией реактивного движения).
3. Системы сбора информации, представляющей собой систему с произвольным порядком выборки, предназначенную для сбора метеорологической информации с подвижных и стационарных пунктов, таких, как буи, шары-зонды и метеостанции. (Система поставлена французским Национальным центром по исследованию космоса.)
4. Регистратора космической обстановки, представляющего собой мультидетектор, предназначенный для контроля энергии электронной и протонной составляющих потока солнечного излучения в окрестности спутника. (Прибор поставлен фирмой «Аэронутроник Форд».)
Кроме этих основных элементов компоновки при разработке требований к конструкции космического аппарата была учтена возможность установки ряда перспективных приборов. В результате по мере развития технологии конструкция спутника будет модифицирована. На перспективных аппаратах «Тирос-N» планировалось добавить пятый канал усовершенствованного радиометра. Спутник «НОАА-Е», шестой космический аппарат серии «Тирос-N», представляет собой усовершенствованный аппарат, предназначенный для решения задач поиска и спасения. Полезный груз «НОАА-Е» используется в соответствии с совместной программой США и Канады проведения экспериментальной операции, которая позволит получить информацию для опознавания и определения местоположения потерпевших аварию самолетов и терпящих бедствие судов. Спутник, находящийся над соответствующим районом, сможет принять сигналы тревоги и передать информацию спасательным службам. Бортовой процессор, поставленный Национальным центром по исследованию космоса, позволит установить местоположение терпящего аварию объекта. В программе принимает участие СССР.
В состав полезного груза спутника «НОАА» входят приборы, предназначенные для измерения обратного рассеивания ультрафиолетового излучения Солнца и альбедо Земли. Эти приборы используются для измерений содержания озона, падающего и отраженного излучений планеты.
Программа «ДМСП»
С середины 60-х годов министерство обороны США осуществляло программу «ДМСП» (англ. DMSP — Defense Meteorological Satellite Program — военная программа метеорологических спутников). В соответствии с этой программой система приполярных спутников находится под контролем организации ВВС США САМСО (англ. SAMSO — Space and Missile Systems Organization, Air Force Systems Command — Организация космических и ракетных систем, Управление систем ВВС).
Космический аппарат «ДМСП» был разработан отделением «Астроэлектроникс» фирмы «Рэдио корпорейшн оф Америка», а основной комплект чувствительных элементов поставлен фирмой « Вестингауз».
Задачей системы «ДМСП» является снабжение метеорологической службы ВВС глобальной метеорологической информацией в обеспечение военных операций в любом районе земного шара, совершенствование технологии космических метеонаблюдений с целью удовлетворения требований министерства обороны и тактической поддержки действий министерства обороны непосредственной передачей метеорологической обстановки в отдельных районах.
В состав системы «ДМСП» входят два спутника на солнечно-синхронных полярных орбитах высотой 833 км, каждый из которых оснащен метеорологическими датчиками. На каждом спутнике установлены приборы для получения изображений основного облачного покрова, способные осуществлять глобальный обзор Земли в видимом и инфракрасном областях спектра. Каждый спутник накапливает информацию путем непрерывного поперечного сканирования в пределах полосы шириной 2960 км. В конечной форме информация представляется либо в виде машинных распечаток по определенной форме, либо в виде фотоизображений, пригодных для непосредственного визуального анализа.
Выдача команд и управление спутниками осуществляются из пунктов, расположенных на авиабазах Лоринг, шт. Мэн, и Ферчайлд, шт. Вашингтон. Эти пункты также принимают информацию, записанную на магнитную ленту на борту космического аппарата, которая передается системой спутниковой связи в Центр глобальной метеорологии ВВС на авиабазе Оффут, шт. Небраска. Она также передается непосредственно со спутника «ДМСП» на аэродромы ВВС и ВМС и на авианосцы, дислоцированные по всему миру.
Когда сильные ураганы «Давид» и «Фредерик» обрушились на Карибское море и двигались на восток и к побережью Мексиканского залива в августе — сентябре 1979 г., сотни тысяч жизней были спасены благодаря тому, что на орбитах находились метеорологические спутники. Данные, полученные с этих спутников, позволили метеорологам определять направление движения ураганов с большой точностью и своевременно оповещать местное население об их приближении. В комплекс спутников, осуществлявших наблюдения в то время, входили геостационарные спутники, функционирующие в соответствии с программой глобальных атмосферных исследований (ГАРП) 1978—1979 гг., направленной на изучение глобальных процессов, приводящих к изменениям погоды и климата, и, таким образом, способствующей деятельности Всемирной службы погоды, которая ежесуточно проводит более 40 000 наблюдений. 147 стран — членов Всемирной метеорологической организации и Международного совета научных объединений принимали участие в этом самом крупном совместном эксперименте, который включал наблюдения и измерения с борта судов, самолетов, буев, шаров-зондов, метеорологических ракет и спутников для слежения за движением воздуха и влаги над каждым районом земной поверхности. Целью исследований было определение практических пределов предсказания погоды и, исходя из этого, технического облика соответствующей системы всемирного обзора. Спутники, работающие в видимом и инфракрасном диапазонах спектра, регулярно передавали дневные и ночные изображения облачного покрова Земли. Эти изображения позволили метеорологам опознавать, отслеживать и регистрировать сильные бури, состояние снежных покровов, температуры морской поверхности и атмосферы, ураганы и тайфуны. Пять геостационарных спутников международной системы (см. диаграмму внизу) включали три американских спутника «СМС»/«ГОЭС», один спутник «Метеосат», изготовленный в Европе, и один японский геостационарный метеорологический спутник «ГМС», изготовленный в США. На рисунке справа показано относительное расположение этих спутников и границы областей измерений при различных углах обзора: при 10°— области связи; при 20°— области информации об облачности; при 30°— измерения скорости ветра с точностью 5 м/с; при 40°— измерения скорости ветра с точностью 2,5 м/с.
 Космическая часть программы ГАРПВ экспериментах по программе ГАРП, проводимых с 1 декабря 1978 г. по 30 ноября 1979 г., кроме спутников на полярных орбитах функционировали пять спутников на геостационарной орбите. «Метеосат-1», принадлежащий Европейскому космическому агентству, производил наблюдения из точки над Гвинейским заливом на долготе 0°. Два спутника «СМС»/«ГОЭС» были расположены приблизительно на 75 и 135° з. д. для наблюдений Северной и Южной Америки и омывающих их океанов. Спутник «ГОЭС-1» находился над Индийским океаном на 60° в. д., японский геостационарный метеорологический спутник «Химавари-1» — на 140° в. д. |
 Система «Метеосат»1 Спутник «Метеосат». 2 Центральная станция. 3 Наземные станции потребителей. 4 Океанский лайнер. 5 Гидрологическая станция. 6 Судно (в системе информации). 7 Передающий буй. 8 Спутник на низкой орбите. Картины погоды передаются (красные стрелки) на Европейскую центральную наземную станцию 2. Скорректированные и обработанные изображения вместе с информацией от систем АПТИ (автоматизированная передача изображений) и УЭФАКС (картина погоды) распределяются (синие стрелки) через тот же спутник потребителям 3. Информация с мест также собирается и распространяется спутником (зеленые стрелки). |
 | «Тирос-1» Этот первый метеорологический спутник, запущенный 1 апреля 1960 г., передал метеорологам первые изображения Земли. Поверхность спутника была покрыта солнечными элементами. «Тирос-1» массой 128 кг имел форму колеса толщиной 0,56 м и диаметром 1,07 м и вращался на орбите подобно колесу. Две телевизионные камеры с диаметром видикона 1,27 см, большим углом обзора (104°) и малым углом обзора (12°) разнесены на 180° и смонтированы на ободе. Спутник успешно функционировал почти три месяца. |
 «ИТОС-1»Эксплуатационный метеорологический спутник второго поколения «ИТОС-1» был выведен на орбиту 23 января 1970 г., а 11 декабря 1970 г. был запущен спутник «НОАА-1» («ИТОС-А»). Спутники «ИТОС»/«НОАА» функционировали на солнечно-синхронной орбите; их система ориентации обеспечивала направленность датчиков на Землю, которые осуществляли полный метеорологический обзор суши и океанов. «ИТОС-1» массой 313 кг имел форму параллелепипеда с размерами 1,24 X 1,02 Х 1,02 м. Размах антенны 4,3 м. На спутнике установлены две автоматические телевизионные камеры для передачи изображений и две усовершенствованные телевизионные системы с диаметром видикона 2,54 см. |  «Нимбус-1»Спутник «Нимбус-1», первый из семи аппаратов этого типа, запущенных в период 1964—1978 гг., был выведен на орбиту 28 августа 1964 г. Большой автоматический космический аппарат имел систему стабилизации по трем осям, так что его датчики, включая инфракрасный радиометр с высокой разрешающей способностью, всегда были направлены на Землю. Его «крылья» размахом 3,35 м были покрыты солнечными элементами. Высота спутника 3,05 м, диаметр 1,52м. Интересно сравнить его со спутником «Лэндсат» (ст. 7). |
 «Тирос-N» Первый из планируемых восьми спутников третьего поколения, функционирующих на полярных орбитах, был запущен 13 октября 1978 г. Его длина 3,66 м, масса 1418 кг. Комплекс усовершенствованных датчиков и приборов включает радиометр с очень высокой разрешающей способностью, инфракрасный зонд с высокой разрешающей способностью, датчик протонов и α-частиц высокой энергии и датчик протонов и электронов средней энергии. |
 Перспективный «Тирос-N»Эти спутники длиной около 4,3 м и массой около 1724 кг еще более повысят уровень метеорологических исследований. Среди приборов первого образца этого спутника будут антенны поиска и спасения, которые позволят опознать терпящие аварию суда и самолеты в отдаленных районах, определить их координаты и вызвать средства спасения. |
Система «СМС»/«ГОЭС»
Возможности системы «CMC»/«ГОЭС» позволяют получать изображения Земли в дневное и ночное время, передавать изображения, собирать и транслировать информацию от наземных пунктов накопления данных и анализировать космическую обстановку. Однако наиболее важным свойством геостационарных спутников, по-видимому, является их способность показывать в реальном масштабе времени сильные возмущения погоды в различных масштабах их протяженности и перемещений.
На диаграмме (с. 74—75) показаны области обзора и линии связи двух спутников «СМС»/«ГОЭС», расположенных приблизительно на 75 и 135° з.д. С этих позиций в поле их зрения находятся вся Северная и Южная Америка и омывающие их океаны.
В состав космического аппарата «СМС»/«ГОЭС» входят: работающий в видимом и инфракрасном диапазонах спектра радиометр с вращательным сканированием для получения изображений с высоким разрешением в инфракрасном диапазоне каждые 30 мин; система связи для сбора и передачи информации и подсистема регистрации космической обстановки. Радиометр развертывает изображения с запада на восток в видимой области спектра по восьми идентичным каналам и в инфракрасной области спектра по двум дополнительным каналам. Разрешение в видимых лучах составляет 0,8 км, в инфракрасных лучах — 6,4 км.
Система сбора информации накапливает и распределяет метеоданные, полученные от отдаленных, обитаемых или автоматических, пунктов сбора на земле, в море или в атмосфере. К таким пунктам относятся оснащенные приборами буи, речные бакены, автоматические метеостанции, сейсмические станции, станции оповещения о цунами и суда. Стационарные наземные станции в отдаленных районах передают информацию о землетрясениях, направлении и скорости ветра, влажности и количестве осадков; речные бакены измеряют течения, уровни показателей погоды, температуры; морские буи (стационарные и подвижные) измеряют приливы и отливы, температуру воды и воздуха и предупреждают о возникновении цунами (огромных волн, вызванных подводными землетрясениями).
 | |
| Вверху. Инженер фирмы «Хьюз эйркрафт» в Калифорнии проверяет сканирующее зеркало радиометра японского геостационарного метеорологического спутника. Этот радиометр, изготовленный фирмой «Хьюз эйркрафт», позволяет метеорологам получать изображения каждые 30 мин круглосуточно. | Вверху. На этом впечатляющем фотоснимке, полученном со спутника «СМС-2», видны ураганы «Давид» и «Фредерик», обрушившиеся на Карибское море и восточное побережье Северной Америки в сентябре 1979 г. Спутники позволили сделать заблаговременное оповещение. |
На основе изображений, полученных со спутников «СМС»/«ГОЭС», подготавливаются фотографические материалы и оформляются результаты машинной обработки. Уникальным свойством информации с геостационарных спутников является возможность получать с записи ряда изображений (в видимом и инфракрасном диапазонах) кинокадры полного диска Земли за некоторый промежуток времени. Используя ручную и машинную технологию, на изображениях прослеживают перемещения зон облачности с целью определения скорости и направления ветров.
«ГОЭС-D, -Е и -F»
Планируется запуск еще трех спутников «ГОЭС» более совершенной конструкции. На этих спутниках будет установлен действующий в видимом и инфракрасном диапазонах радиометр с вращательным сканированием для зондирования атмосферы, являющийся усовершенствованной моделью радиометра, используемого на спутниках системы «СМС»/«ГОЭС». Настоящий радиометр предназначен для получения изображений одновременно в видимом и инфракрасном диапазонах спектра с разрешающей способностью 0,9 км в видимых лучах и 6,9 км в инфракрасных лучах. Кроме того, прибор будет получать радиометрическую информацию в полосе поглощения паров воды и углекислого газа в атмосфере Земли, что позволит определить трехмерную структуру атмосферы, ее температуру и влажность.
Выгоды
За последние 20 лет существенно возросли количество, качество и надежность обзора с помощью спутников. Начиная с 1966 г. Землю регулярно фотографируют по крайней мере один раз в сутки. Фотоснимки используют в повседневной работе, а также помещают в архивы, из которых они могут быть извлечены для исследовательских целей. Метеорологическая информация, получаемая со спутников, неуклонно приобретает все более важное значение. В настоящее время она широко используется метеорологами и специалистами по окружающей среде всего мира в повседневной практике и считается почти обязательной для проведения анализов и краткосрочных прогнозов.
Метеорологическая информация со всех частей света поступает в Национальную службу контроля окружающей среды с помощью спутников, расположенную в Вашингтоне, перерабатывается в материалы широкой номенклатуры и распределяется по всему миру.
Спутниковая информация оказалась особенно полезной в двух сферах исследований. Во-первых, существуют обширные районы Земли, из которых метеорологическая информация, полученная обычными средствами, поступает очень редко. Это территории океанов Северного и Южного полушарий, пустынь и полярных областей. Спутниковая информация заполняет эти пробелы, выявляя крупномасштабные особенности из образований облаков. К таким особенностям относятся штормовые системы, фронты, наиболее значительные междуволновые впадины и гребни, струйные течения, густой туман, слоистые облака, ледовая обстановка, снежный покров и отчасти направление и скорость наиболее сильных ветров.
 Вверху. Операция контрольной проверки спутника «Метеосат-1» с носовым обтекателем ракеты «Дельта-2914». Под спутником расположен ракетный блок, который переведет спутник с низкой орбиты на геостационарную. |
Во-вторых, спутниковая информация успешно используется для слежения за ураганами, тайфунами и тропическими штормами. Береговые и островные станции при отсутствии смежных источников метеорологической информации обычного типа могут в максимальной степени использовать информацию, поступающую от системы АПТИ, а также информацию, обработанную и записанную с помощью копировальных схем. Спутниковая информация включает данные о наличии и расположении атмосферных фронтов, бурь и общего облачного покрова.
Однако метеорологи руководствуются не только спутниковой информацией для заблаговременного оповещения о приближающихся бурях. Например, при обнаружении сильного урагана, движущегося в направлении США, ВВС и НОАА привлекают самолеты разведки погоды для подтверждения спутниковой информации и получения детальных данных о метеорологической обстановке в районе и в окрестностях бури. Если ураган движется вблизи США, береговые радиолокационные станции держат его эпицентр под постоянным наблюдением. Точная информация о направлении и силе шторма поступает в населенные пункты, расположенные вдоль предполагаемого пути его следования. Используются и дополнительные источники информации — суда, океанские буи и метеостанции, расположенные на островах и по побережью материка.
Начиная с 1966 г. с помощью спутников «Тирос» осуществляется ежесуточный обзор Земли, и за это время не упущен ни один тропический шторм. Обычно бури опознаются во время развития, часто на расстояниях, превышающих нормальный радиус действия разведывательных самолетов. В распоряжении большинства учреждений, прогнозирующих тропические бури, имеется информация прямого считывания, поступающая от системы АПТИ в инфракрасном диапазоне, и обработанная информация с записи в видимом и инфракрасном диапазонах. Все тропические районы мира полностью контролируются с помощью спутниковой информации, поступающей в Национальную службу контроля окружающей среды.
Инфракрасные изображения со спутников «ИТОС»/«НОАА» могут быть использованы для построения карт температуры морской поверхности большей площади и с большей частотой, чем это возможно с помощью других средств. Эта информация имеет практическое значение для мореплавания и рыболовства, а также необходима для прогнозов погоды.
Изображения, получаемые со спутников, позволяют установить масштабы и характер ледяных полей в Арктике и антарктических морях, на Великих озерах с недостижимой прежде частотой географического обзора.
Зондирование температуры атмосферы в мировом масштабе с помощью спутников позволяет проводить более полные и точные анализы, используемые при прогнозах погоды, поскольку таким зондированием охватываются океаны и отдаленные районы, не подвергаемые зондированию обычными приборами. Непрерывное зондирование помогает измерять температурные градиенты атмосферы с целью изучения атмосферных явлений. Отдельные операции зондирования облегчают истолкование изображений, полученных со спутников, обеспечивая корреляционные данные в отдельных географических точках.
 Вверху. «Диск Земли, сфотографированный со спутника «Метеосат-1», расположенного на геостационарной орбите над Гвинейским заливом. Картина облачного покрова видна на огромной площади. |
Ожидаемые перспективы
Метеорологические спутники «Тирос»/«ЭССА»/«ИТОС»/«НОАА» на полярных орбитах составили основное звено программы метеоспутников США. В настоящее время в эксплуатации находятся спутники серии «Тирос-N» и «НОАА-6», которые являются ядром системы глобального сбора метеорологических данных со спутников. Они удовлетворяют потребности США, став надежной орбитальной системой, своевременно и регулярно передающей обзорную информацию. Развитие этой системы было подчинено достижению целей программы с наибольшей экономической эффективностью, в результате чего постепенно и эффективно улучшалось обслуживание с использованием существующих приемных станций всего мира. Эксплуатационная система третьего поколения «Тирос-N» обеспечит дальнейшее совершенствование обзора, а также обработки и распространения информации, получаемой с полярных орбит, в соответствии с долгосрочными целями Национальной эксплуатационной системы. Перспективный спутник «Тирос-N» улучшит систему за счет сбора дополнительных метеоданных; кроме того, он сможет выполнять задачи операций поиска и спасения.
Геостационарные метеорологические спутники станут более совершенными благодаря оснащению последних моделей спутников «ГОЭС» приборами для зондирования атмосферы. Ожидается, что информация о температурах и тепловых градиентах в реальном масштабе времени, полученная благодаря такому зондированию, повысит вероятность предсказания ожидаемых районов гроз и шквалов.
В рамках международного сотрудничества под эгидой Всемирной метеорологической организации Япония, Европейское космическое агентство и СССР запускают спутники, функционирующие в соответствии с глобальным экспериментом ФГГЕ. Японский геостационарный спутник «Химавари-1» был запущен 14 июля 1977 г. и размещен над восточной частью Тихого океана. Геостационарный спутник Европейского космического агентства («Метеосат») был запущен 23 ноября 1977 г. и размещен над восточной частью Атлантического океана. Оба спутника были выведены ракетами-носителями «Дельта», принадлежащими НАСА, с мыса Канаверал.
Эти геостационарные спутники дополняются функционирующими на полярных орбитах спутниками серии «Тирос-N» и «НОАА-6», обеспечивающими глобальную информацию, в которой наибольший вес имеют данные для полярных областей.
В итоге в настоящее время спутник стал практически признанным инструментом метеорологов в большинстве стран мира. Карты погоды, которые вечером появляются на наших телевизионных экранах, со всей очевидностью свидетельствуют о ценности наблюдений со спутников в обеспечение метеорологических систем.
В настоящее время разрабатывается новая аппаратура для спутников, предназначенная для зондирования атмосферы Земли днем и ночью, в любую погоду, и это заслуга не только США и СССР; большая и важная работа в этом направлении ведется в странах Европы.
Развивающиеся страны также пользуются плодами этих исследований, которые сделали возможным заблаговременные предупреждения об ураганах, шквалах, муссонах и ливнях, приводящих к наводнениям. Такие страны, как Япония, Индия и Китай, в настоящее время разрабатывают собственные специальные приборы для «наблюдения погоды». Большинство этих исследований все более расширяет границы обзора Земли.