Спутниковые методы исследования

Спутниковые методы исследования атмосферы основываются на регистрации электромагнитного излучения, проходящего через атмосферу или испускаемого ею, с орбитальных платформ. Преимущество данных методов заключается в их глобальном охвате, высокой повторяемости наблюдений и возможности получения информации о труднодоступных районах (например, океанических или полярных).

Выделяют активные и пассивные спутниковые методы.

Активные методы включают излучение сигнала с борта спутника и регистрацию его отражения (например, радары и лидары).
Пассивные методы основываются на измерении собственного излучения атмосферы или отражённого солнечного света (радиометры, инфракрасные и ультрафиолетовые спектрометры и др.).

Основные параметры атмосферы, исследуемые со спутников

Температура

Температурный профиль атмосферы восстанавливается в основном с помощью пассивного инфракрасного зондирования. Инфракрасные радиометры (например, приборы типа AIRS, IASI) измеряют яркостную температуру в различных спектральных диапазонах, соответствующих полосам поглощения водяного пара, озона, углекислого газа и других газов. Используя инверсионные методы, из этих измерений получают вертикальный профиль температуры с разрешением в несколько километров.

Содержание водяного пара

Профили влажности воздуха восстанавливаются аналогично температурным, по излучению в полосах поглощения водяного пара. Однако водяной пар обладает высокой изменчивостью как по вертикали, так и по горизонтали, что усложняет интерпретацию. Существенную роль играет микроволновое зондирование, менее чувствительное к облачности.

Озон и другие газы

Спутниковая спектроскопия позволяет определять концентрации озона, диоксида азота, метана, угарного газа и других атмосферных газов. Используются приборы типа TOMS, OMI, GOME и SCIAMACHY, работающие в ультрафиолетовом, видимом и ближнем ИК-диапазонах. Применяются как методы дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии (DOAS), так и методы прямого спектрального анализа.

Облачность и альбедо

Облачность исследуется с помощью оптических и инфракрасных изображений. Спутниковая аппаратура (например, MODIS, VIIRS) регистрирует отражённое солнечное излучение и собственное инфракрасное излучение облаков. На основе полученных данных рассчитываются:

покров облачности;
оптическая толщина;
температура верхней границы облаков;
высота и вертикальная структура облачных слоёв.

Также важно альбедо — отражательная способность подстилающей поверхности и облаков. Изменения альбедо влияют на радиационный баланс и являются ключевыми для климатических моделей.

Аэрозоли

Аэрозольная нагрузка атмосферы (AOD) определяется с помощью спектральных измерений рассеянного и поглощённого света. MODIS, MISR и другие приборы позволяют оценивать пространственное распределение аэрозолей, их тип, оптические характеристики и влияние на климат. Используются данные как в прямом солнечном свете, так и в рассеянном.

Состав и структура верхней атмосферы

Для зондирования мезосферы, термосферы и ионосферы используются как активные (например, радиозондирование сигналов GNSS), так и пассивные (спектрометрические и фотометрические) методы. Анализируется:

концентрация атомарного кислорода и азота;
плотность ионосферы;
температура и ветровые поля в верхних слоях атмосферы.

Спутники типа TIMED, SABER, GOLD обеспечивают систематические измерения состава и температуры верхней атмосферы.

Методы радиопросвечивания атмосферы

Радиозатменное зондирование (Radio Occultation)

Метод основан на регистрации изменения характеристик радиосигнала навигационных спутников (например, GPS) при его прохождении через атмосферу. Радиозатмение позволяет получать вертикальные профили:

температуры;
давления;
плотности;
влажности;
электронной концентрации в ионосфере.

Главное преимущество метода — высокая вертикальная разрешающая способность и малая чувствительность к облачности. Аппаратура типа COSMIC, MetOp-GRAS активно используется в численном моделировании атмосферы.

Активные методы зондирования

Лидарное зондирование

Космические лидары (например, CALIOP на спутнике CALIPSO) позволяют исследовать тонкую структуру облаков, аэрозолей, границ слоёв атмосферы. Принцип основан на измерении отражённого лазерного импульса. Лидары дают уникальную информацию о высоте и плотности тонких облаков и слоёв пыли.

Радарное зондирование

Используются облачные и осадкоизмерительные радары (например, CloudSat). Позволяют получать вертикальные профили отражательной способности, определять характеристики облаков и осадков: размер капель, плотность, фазы (вода, лёд), скорость осадков.

Применение спутниковых данных

Спутниковые данные используются в метеорологии, климатологии, мониторинге окружающей среды, авиации, сельском хозяйстве и в исследованиях изменения климата. Они интегрируются в численные модели прогноза погоды и климатические системы.

Примеры применений:

Глобальный анализ климата: долгосрочные временные ряды температуры, альбедо, влажности.
Прогнозирование экстремальных явлений: тайфуны, засухи, пыльные бури.
Мониторинг загрязнения: картирование озона, аэрозолей, выбросов СО.
Изучение динамики атмосферы: анализ волновых процессов, циркуляции, гравитационных волн.

Точность и ограничения

Несмотря на высокую эффективность, спутниковые методы имеют ограничения:

ограниченное вертикальное разрешение по сравнению с зондами;
влияние облаков и аэрозолей на точность пассивных наблюдений;
необходимость инверсии сигналов (обратных математических методов), что вносит неопределённости.

Тем не менее, в сочетании с наземными измерениями и моделями атмосферы спутниковые данные являются незаменимым инструментом современного атмосферного мониторинга и прогностической деятельности.

Перспективы развития

Современные спутниковые системы становятся всё более комплексными и многофункциональными. Активно развивается:

комбинированное использование лидаров, радаров и пассивных радиометров на одном борту;
повышение пространственного и временного разрешения;
использование искусственного интеллекта для обработки спутниковых данных;
запуск малых спутников и наноспутниковых группировок.

Эти достижения открывают путь к более точному и непрерывному наблюдению атмосферы Земли с орбиты.