Запуск первого искусственного спутника Земли, а также другие выдающиеся достижения в области ракетно-космической техники позволили значительно расширить диапазон исследований и осуществить постановку совершенно новых задач для ряда наук и научных направлений. За довольно короткий срок — 20 лет — сформировался весь фронт научных исследований в космосе.
Все эти исследования с точки зрения их научного приложения можно разбить на три крупных раздела.
Первый из них связан с изучением самого космоса. Сюда входят исследования непосредственно окрестностей Земли. В свою очередь, здесь можно выделить несколько направлений: изучение верхней атмосферы Земли, радиационных поясов, земной магнитосферы, исследования межпланетной среды. Сейчас эту часть космических исследований принято называть исследованием ближнего космоса.
С тех пор как стало возможным изучение некоторых тел Солнечной системы непосредственно в их окрестностях, подобные исследования развиваются по самостоятельной программе. К полетам к Луне и планетам земной группы в последние годы добавляются экспедиции автоматических аппаратов к планетам-гигантам.
И, наконец, проводятся исследования «дальнего» космоса, но уже не прямыми методами, а с помощью астрономических инструментов, устанавливаемых на внеатмосферных космических платформах. Это — внеатмосферная астрономия.
Второй крупный раздел космических исследований включает в себя не изучение космоса как такового, не физических процессов, связанных с небесными телами, с межзвездной средой и т. д., а изучение каких-либо (например, технологических) процессов, перенесенных человеком в космос. Сюда относятся такие исследования, как сварка в космосе, выращивание кристаллов в условиях невесомости, изучение поведения материалов и работы механизмов. Эти исследования, безусловно, могут привести к важным открытиям прикладного значения. В настоящее время они находятся в начале своего пути. Кстати, один из первых таких экспериментов проводился во время совместного полета кораблей «Союз» и «Апполон».
Не менее важное значение имеют исследования по космической биологии и медицине.
И, наконец, третий большой раздел космических исследований, который быстро приобретает фундаментальное и прикладное значение,— это изучение Земли из космоса, включая метеорологические исследования и изучение земных ресурсов.
Здесь мы подробно остановимся на исследованиях первого и третьего разделов.
Ближний космос — это первое направление в космических исследованиях, история которого начинается с геофизических ракет для зондирования верхней атмосферы.
Но большинство современных представлений о структуре и вариации параметров нейтральной атмосферы на высотах приблизительно от 150 до 1500 км возникло из анализа данных об эволюции орбит искусственных спутников Земли. Подтвердились предположения о нестационарности профиля плотности на высотах приблизительно от 200 км и выше. Строение атмосферы выглядит следующим образом. На высотах 100—120 км начинается диффузионное разделение газов за счет того, что убывание с высотой доли различных составляющих атмосферы происходит по-разному. На высотах до 200—250 км основным компонентом атмосферы остается молекулярный азот, возрастает относительная концентрация атомарного кислорода, который образуется при диссоциации молекулярного кислорода солнечным ультрафиолетовым излучением. Начиная с 200—300 км основным компонентом атмосферы становится атомарный кислород. Новые уточненные данные о химическом составе атмосферы на таких высотах получены, в частности, по программе «Союз — Аполлон». Еще выше (начиная с высот 500—600 км — в годы минимума солнечной активности, а с высот 1000—1500 км в годы максимума) атмосфера становится гелиево-водородной.
Самые внешние слои земной атмосферы состоят из атомарного водорода. Его концентрация вплоть до расстояний в несколько земных радиусов при полете советских межпланетных станций была измерена по рассеянию атомарным водородом солнечного излучения в ?-линии серии Лаймана.
Появление искусственных спутников Земли позволило получить новые важные данные об ионосфере Земли, особенно о ее внешней части (выше максимума слоя I).
Эксперименты показали, что ионосфера Земли простирается, по крайней мере, до 4—5 радиусов Земли. Распределение заряженных частиц выше главного максимума ионизации существенно зависит от солнечной активности. В годы спокойного Солнца спад концентрации резко усиливается.
К числу фундаментальных результатов, полученных уже на начальных этапах исследований ближнего космоса первыми автоматическими станциями, следует отнести прямое обнаружение потоков солнечной плазмы в межпланетном пространстве — солнечного ветра.
Геомагнитное поле образует в потоке солнечного ветра полость — магнитосферу. Границы ее меняются в зависимости от интенсивности солнечного ветра. Граница земной магнитосферы — так называемая магнитопауза — проходит там, где поле еще достаточно сильно, чтобы сдерживать поток; набегающих на него частиц. Таким образом, ближайшее расстояние до границ магнитосферы в направлении к Солнцу составляет около 60 тыс. км, или десять земных радиусов.
Магнитосфера вытянута в ночную сторону — имеет «хвост», диаметр которого, измеренный на относительно небольших расстояниях от Земли, составляет около 40 ее радиусов. Протяженность геомагнитного «хвоста» пока неизвестна. Во всяком случае, он зарегистрирован на удалениях порядка сотен земных радиусов.
Поток солнечной плазмы несет с собой магнитное поле. Хотя это поле и слабо — около одной десятой от величины поля на поверхности Земли, оно играет большую роль в передаче взаимодействия как в самой межпланетной среде, так и между потоком плазмы и планетами Солнечной системы. Силовые линии магнитного поля в среднем имеют вид спиралей (следствие вращения Солнца). Такое состояние постоянно возмущается солнечными вспышками. Распространяющиеся после вспышки ударные волны нарушают стационарную картину течения солнечного ветра, генерируют быстро движущиеся неоднородности плазмы и магнитных полей и являются причиной глобальных магнитных бурь.
Исследования сверхзвуковой динамики чрезвычайно разреженной межпланетной плазмы сыграли важную роль в появлении и развитии фундаментальной концепции так называемых ударных волн в плазме без столкновений.
Искусственные спутники позволили также более детально исследовать собственное магнитное поле Земли. Уже на начальных этапах прямых экспериментальных исследований в околоземном космосе было сделано еще одно крупное открытие — обнаружены интенсивные потоки энергичных частиц, захваченных геомагнитным полем,— радиационные пояса Земли.
Перед нами — поставленный самой природой гигантский эксперимент по ускорению и удержанию частиц в магнитной ловушке, напоминающей лабораторные магнитные бутылки для термоядерных исследований.
В настоящее время накоплен значительный экспериментальный материал по измерению потоков заряженных частиц, их спектральному распределению, интенсивности потоков, характеру движения в геомагнитном поле, вариациям интенсивности. Аналогия между динамикой плазмы в лабораторных магнитных ловушках и радиационных поясах Земли позволила отождествить конкретные механизмы неустойчивости плазмы, управляющие поведением частиц радиационных поясов. Оказалось, что энергичные заряженные частицы (электроны и протоны); Движущиеся в геомагнитном поле Земли в радиационных поясах, «имитируют» гигантский классический мазер на низкочастотных колебаниях плазмы в магнитном поле. Сейчас становится реальным управление работой этого— механизма с помощью так называемых активных методов воздействия на магнитосферу. В специальных экспериментах уже удавалось вызывать неустойчивость ионосферной плазмы, искусственно инжектируя пучки электронов из бортового ускорителя.
Важнейшим направлением в проблеме солнечно-земных связей оказывается исследование коротковолнового излучения Солнца с помощью ракетно-космической техники. Одновременно эти исследования дают сведения и о хромосфере, и о короне Солнца. Коротковолновое излучение Солнца в то же время контролирует состояние земной термосферы и нагревает ее, а это, в свою очередь, влияет на тепловой баланс нижних слоев атмосферы; оно также ответственно за состояние земной ионосферы.
Важные результаты были получены по солнечным вспышкам. Когда начались исследования с помощью ракет и спутников, выяснилось, что оптические и радиовспышки сопровождаются рентгеновскими вспышками — огромным (в несколько тысяч раз) усилением рентгеновского излучения Солнца и появлением очень жесткого рентгеновского излучения. Во время вспышек возникают потоки ускоренных частиц — электронов и тяжелых ядер с энергиями от десятков килоэлектронвольт до релятивистских — и происходит, выброс сгустков плазмы.
Эксперименты, выполненные, в частности, на спутниках серии «Космос» и «Интеркосмос», позволили получить данные, относящиеся к размерам, структуре и локализации рентгеновских вспышек.
По всей вероятности, нагрев области вспышек до температур в несколько десятков миллионов градусов осуществляется быстрыми электронами. Электроны, ускоряясь в короне до энергий 105 эВ и двигаясь вдоль магнитных линий, вторгаются в низкие, более плотные, слои короны или хромосферу, отдавая путем соударений свою энергию более холодным электронам, которые затем нагревают ионы. На спутниках серии «Интеркосмос» получены экспериментальные сведения о существовании поляризации рентгеновского излучения в начальной стадии вспышек.
Большой вклад в исследование Солнца и его активности внесли солнечные телескопы орбитальных станций «Салют-4» и «Скайлэб».
Весьма обширна информация о солнечной активности и межпланетном магнитном поле, полученная с помощью исследований вариаций космических лучей, проведенных на спутниках и космических ракетах.
История исследования Солнечной системы уходит своими корнями в глубь тысячелетий. С появлением лунных и межпланетных космических аппаратов изучение Солнечной системы стало возможным и прямыми методами. Это может рассматриваться как известная компенсация за отсутствие в номенклатуре обнаруженных на сегодня астрономических объектов других планетных систем.
Имеется и другое важное отличие этой области исследований от астрономии. Сейчас почти никто не сомневается, что на столь близлежащую область Вселенной, как Солнечная система, можно распространить известные нам законы физики. Более того, одним из важнейших стимулов является воссоздание процесса образования и эволюции Солнечной системы как объекта, подчиняющегося этим (предположительно, хорошо известным) фундаментальным законам и находящегося в настоящее время в известном (в пределах точности имеющейся информации) состоянии. Это составляет предмет солнечно-планетной космогонии.
Следующим не менее важным стимулом в изучении планет является развитие общего планетологического подхода к процессам, протекающим в недрах и атмосферах отдельных планет. Это представляет громадный интерес с точки зрения всего комплекса наук о Земле. И, наконец, ракетно-космическая техника ставит на конкретную реальную основу попытки поиска внеземных цивилизаций и других биологических форм.
Современная солнечно-планетная космогония исходит из того, что Солнце принадлежит к категории типичных нормальных звезд, внутреннее строение которых считалось практически полностью объясненным к 50-м годам, когда астрофизики научились учитывать закономерности протекания термоядерных реакций. Знание основных внешних параметров Солнца и его массы позволило рассчитывать теоретические модели гигантского газового шара, находящегося в гравитационном и тепловом равновесии. Однако эксперименты по регистрации солнечных нейтрино показывают, что поток этих частиц, по крайней мере, почти на порядок меньше, чем это можно «выжать» из теоретических моделей Солнца, находящегося в стационарном состоянии. Хотя возникшая ситуация и является весьма острой, оснований для паники нет. Например, не исключены более сложные нестационарные модели.
В конце концов, интересы проблемы формирования планетной системы пока остаются совершенно не затронутыми возможными переменами в представлениях о внутренней структуре Солнца. Планеты и другие тела в окружении Солнца должны были возникнуть 4—5 млрд лет назад предположительно в результате распада сплющенной дискообразной допланетной туманности, вращавшейся вокруг центральной звезды.
Химический состав допланетной туманности должен был «по наследству» передаваться планетам. Различие в химическом составе между планетами земной группы и дальними планетами свидетельствует о дифференциации вещества еще на стадии допланетной туманности. Процесс образования планет с большой степенью вероятности носил характер почти «мгновенной» катастрофы, чем постепенной аккумуляции вещества (в масштабах геологического времени). Такой вывод можно сделать на основании цепочки умозрительных заключений, начинающихся от давно эмпирически обнаруженной «магической» закономерности в соотношениях периодов планет, а также их связей с периодами собственных вращений.
Небесная механика объяснила эти особенности, введя понятие «резонансов». Стоит упомянуть, что тонкий анализ таких «резонансов», стимулированный небесной механикой в приложении к движению планет Солнечной системы, привел впоследствии к выдающемуся прогрессу в математике, в так называемой теории малых знаменателей (связанной с почти периодическими системами). Безусловно, с теорией «резонансов» связано и объяснение закономерностей в распределении орбит (устойчивые и неустойчивые орбиты) астероидов, не говоря уже об орбитах спутников планет.
Ближайшее к нам небесное тело, естественный спутник Земли — Луна, еще задолго до наступления эры космических полетов считалось самым изученным объектом на небе. Когда же к Луне вслед за советской автоматической станцией «Луна-1» устремились десятки других космических аппаратов, возможности ее исследования необычайно возросли. Луна с ее кратерами и цирками, горными хребтами, «морями» и «заливами» превратилась, по существу, в гигантскую научную лабораторию, где, сменяя друг друга, неутомимо трудятся посланцы Земли, будь то автоматические станции или пилотируемые корабли.
Советская космонавтика дала мировой науке такие превосходные средства исследования Луны, как автоматическая станция, способная доставлять на Землю образцы лунного грунта, и автоматический самоходный аппарат, названный «Луноходом».
В итоге успешного осуществления лунной космической программы в минувшие годы был получен ряд фундаментальных научных результатов. К ним относятся, в частности, открытие структурной асимметрии видимого и обратного полушарий Луны, получение разнообразных данных о лунном грунте, Исследование состава пород в «морях» и на «материках», открытие масконов, открытие остаточной намагниченности пород Луны. Следует отметить, что наземные исследования Луны оптическими и другими методами в эти годы отнюдь не утратили своей ценности, позволяя интерпретировать результаты космических экспериментов, выполненных в отдельных точках лунной поверхности.
Полеты космических аппаратов создали новые представления о Венере и Марсе.
Советские космические аппараты серии «Венера» провели прямые измерения температуры, давления и других основных параметров атмосферы Венеры. Последняя изучалась также во время пролетов вблизи планеты американских аппаратов «Маринер-5 и -10». Спускаемые аппараты межпланетных станций «Венера-9 и -10» совершили мягкую посадку на поверхность этой планеты и впервые передали на Землю панорамные снимки районов посадки и много другой ценной информации.
Выяснилось, что основная составляющая атмосферы Венеры — углекислый газ. Согласно результатам измерений его объемное процентное содержание составляет 97%, Суммарный предел содержания; азота и инертных газов не превышает 2%, кислорода.— 0,1 %, водяного пара (на высоте 20—40 км) —0,01%.
Измерения давления и температуры в местах посадки станций «Венера-9 и -10» дали соответственно значения 85—90 атм и 460—470°С.
Освещенность на поверхности Венеры по данным широкополосного, фотометра станций «Венера-9 и -10», оказалась равной около 14 000 лк, что на Земле соответствует освещенности на средних широтах в полдень, когда небо закрыто сплошными облаками. Полученные данные позволили, в частности, определить положение нижней границы облачного слоя — около 35 км. Освещенность сверху и снизу мало отличается даже вблизи верхней границы облаков (68—70 км). Кроме того, отсутствует какое-либо резкое изменение освещенности при пересечении верхней границы: по мере углубления внутрь облачного слоя освещенность плавно уменьшается с высотой.
Данные о горизонтальном перемещении позволили получить представление о профиле горизонтальной скорости ветра на высотах от 0 до 60 км.
Помимо изучения параметров атмосферы спускаемые аппараты станций «Венера-9 и -10» исследовали характер венерианских пород в районе посадки. Полученные данные свидетельствуют, что аппараты произвели посадку в районе с относительно высоким содержанием в исследуемых породах естественных радиоактивных элементов по сравнению с их распространенностью в земной коре. По уровню содержания урана, тория и калия венерианская порода близка к магматическим базальтовым породам Земли.
Эти данные в совокупности с результатами определения плотности породы в районах посадки спускаемого аппарата «Венера-10», составляющей 2,7—2,9 г/см3, дают основание полагать, что на поверхности Венеры встречаются изверженные породы, подвергшиеся впоследствии длительному воздействию различных факторов окружающей среды.
Глыбы, которые видны на фотографиях близ места посадки спускаемого аппарата станции «Венера-9», не вызывают сомнений в том, что перед нами довольно молодой с географической точки зрения участок поверхности. Было обнаружено, что на Венере есть как относительно ровные равнинные районы, так и близкие по характеру к горным районам Луны.
Большая программа научных исследований планеты Марс была выполнена советскими автоматическими станциями серии «Марс» и американскими аппаратами «Маринер-9», «Викинг-1» и «Викинг-2». Спускаемые отсеки двух последних аппаратов совершили мягкую посадку на поверхность планеты и передали на Землю первые панорамные снимки.
Вывод на околомарсианские орбиты аппаратов, оснащенных взаимодополняющими комплексами научных приборов, их длительное функционирование и обмен информацией между советскими и американскими учеными создали благоприятные условия для значительного прогресса в изучении Марса.
Были получены сведения о температуре поверхности и грунте Марса, его рельефе, составе и строении атмосферы. У Марса оказались низкие ночные температуры. Из измерений тепловой инерции был сделан вывод о низкой теплопроводности грунта. Количественные оценки показывают, что это соответствует сухому песку или сухой пыли в разреженной атмосфере. Марсианские «моря» в среднем теплее «континентов» — различие температур достигает 10°С. В отдельных случаях более темные «морские» районы остывают медленнее после захода Солнца, и, следовательно, у них более теплопроводный грунт.
О большой тепловой инерции и малой теплопроводности марсианского грунта свидетельствует также практически полное отсутствие суточных колебаний температуры на глубине 30—50 см. Эти данные были получены по измерениям интенсивности и поляризации сантиметрового радиоизлучения.
Кроме температуры, определялась диэлектрическая постоянная грунта — величина, которая зависит главным образом от его плотности. Измерения показали, что изменения температуры грунта и диэлектрической постоянной находятся в прямой зависимости. Видимо, когда значения диэлектрической постоянной велики, материал грунта находится в раздробленном состоянии.
Давление на Марсе на среднем уровне составляет 5,5—6 мбар, что примерно в 200 раз меньше, чем на Земле. Распределение давления в атмосфере Марса впервые прямым методом было определено вдоль трассы спускаемого аппарата «Марс-7».
Содержание водяного пара сильно меняется вследствие его взаимодействия с поверхностью. Вблизи поверхности атмосфера Марса состоит в основном из углекислого газа (95%). Выше 300—600 км она становится в основном атомарно-водородной.
Ионосфера на Марсе «прижата» к поверхности, максимум электронной концентрации расположен на высоте 140 км (300 км для земной ионосферы). На высотах около 110 км наблюдался второй максимум, электронная концентрация в котором примерно в три раза ниже. Нельзя исключить, что на высотах 65—80 км может быть третий максимум с электронной концентрацией около 10 пар ионов в кубическом сантиметре.
По измерениям солнечного ветра и околопланетной плазмы, выполненным на станциях «Марс», обнаружено, что в межпланетной плазме около Марса образуется ударная волна.
Магнитометрами, установленными на станциях «Марс», было измерено в ближайшей окрестности Марса поле, напряженность которого вблизи перицентров орбит оказалась на порядок выше межпланетного магнитного поля. Интенсивность поля с приближением к планете возрастала по всем трем его компонентам. Возможно, что Марс обладает собственным слабым дипольным магнитным полем.
Интересные результаты получены во время трех облетов планеты Меркурий американской станцией «Маринер-10». Оказалось, что поверхность этой планеты покрыта многочисленными кратерами. Обнаружена очень разреженная атмосфера Меркурия.
Значительный интерес представляет изучение окраинных областей Солнечной системы и планет-гигантов— Юпитера и Сатурна. Уточнение их состава (соотношение между легколетучей, силикатной и железной составляющей) имеет принципиальное значение для понимания дифференциации протопланетного облака на разных расстояниях от Солнца и при различных условиях концентрации вещества планет. Повышенная яркость Юпитера в радиодиапазоне заставляет предполагать повышенное тепловыделение планет-гигантов, которые, может быть, являются своего рода «несостоявшимися звездами».
В ходе полетов станций «Пионер-10 и -11» уже получены важные научные результаты, относящиеся к уточнению характеристик гравитационного поля Юпитера, состояния его верхней атмосферы и магнитосферы.
Выход в космос неизмеримо расширил наблюдательный диапазон современной астрономии, сделав доступными также рентгеновскую, ультрафиолетовую, инфракрасную, субмиллиметровую и радиочастотную (с длиной волны больше 30 м) области спектра. Это позволило, в частности, получить за последнее время такие крупные результаты, как обнаружение около 200 рентгеновских источников, отождествляемых с активными ядрами галактик, нейтронными звездами и, весьма вероятно, с черными дырами.
Огромное расширение наблюдательных возможностей позволило обнаружить такие процессы, как мощные гамма-всплески. Это явление представляет собой «эхо» грандиозных катастроф, приносимое потоками гамма-квантов и квантов жесткого рентгеновского излучения.
Внеатмосферная астрономия вовсе не отрицает наземной, традиционной. Современные астрономические исследования развиваются по пути органического сочетания внеатмосферных, стратосферных и наземных наблюдений. Различные методы современной астрономии, дополняя друг друга, дают возможность изучать Вселенную во всем ее многообразии: исследовать грандиозные взрывные процессы в ядрах галактик и в звездах, свойства межгалактического газа, межзвездную среду, химический состав и распределение вещества в нашей Галактике, физические параметры и процессы образования звезд и галактик, изучать сложные формы вещества в различных космических объектах.
Что касается перспектив внеатмосферной астрономии, то, прежде всего, они связаны с выведением больших телескопов на орбиты спутников Земли. Конечно, создать астрономическую обсерваторию на орбите не просто. Одна из трудностей — ориентация и стабилизация платформы, несущей астрономические приборы. Платформа и телескоп должны обладать способностью обеспечивать точность порядка сотых долей секунды дуги. Создание таких систем ориентации и стабилизации, безусловно, потребует совершенно новых технических принципов и технологических решений.
Появление больших орбитальных обсерваторий приведет к дальнейшим успехам астрофизики, которая в последнее десятилетие переживает бурный расцвет, быть может, сравнимый по своей значимости с эпохой стремительного развития физики элементарных частиц после появления ускорителей. Астрономические наблюдения позволяют исследовать свойства вещества, находящегося в экстремальном, недостижимом в лабораторных условиях состоянии. В таких экстремальных условиях при грандиозных катаклизмах во Вселенной могут рождаться космические лучи столь высоких энергий, которые вряд ли когда-либо будут достижимы на ускорителях.
При всей грандиозности достижений современной техники все же масштабы созданных человеком установок очень малы по сравнению с масштабами космоса.
С помощью аппаратуры, способной регистрировать частицы сверхвысоких энергий непосредственно в космическом пространстве (как это было на спутниках «Протон»), можно получить результаты по физике космических лучей и взаимодействию частиц сверхвысоких энергий.
Среди различных методов изучения Земли из космоса огромное значение имеет дистанционное зондирование. Несмотря на то, что этот метод сравнительно молод, в его разработку уже вовлечены специалисты самых разных профилей: приборостроители и ученые, непосредственно занимающиеся обработкой и интерпретацией получаемой информации. Здесь представлены биологи и геологи, работники сельского и лесного хозяйств, водники и так далее, вплоть до юристов, поскольку фотографирование территорий других стран связано с решением правовых вопросов. Из наук о Земле первой воспользовалась дистанционными методами метеорология. Да и первоначальные исследования, по сути дела, представляли собой естественное перенесение методов аэрофотосъемки в космос с целью обеспечения глобальности охвата земной поверхности. Однако решающий шаг заключался в объединении «аэрофотосъемочного подхода» со спектральным анализом, который долгое время по необходимости был монополией астрономии.
Как и в астрономии, при наблюдениях Земли из космоса приходится учитывать степень прозрачности земной атмосферы для волн той или иной длины.
Первыми, практически уже спектральными наблюдениями земной поверхности стали цветные фотоснимки, полученные с борта космических аппаратов. Один из таких экспериментов был проведен в июне 1971 г. на орбитальной станции «Салют», пилотируемой летчиками-космонавтами Добровольским, Волковым и Пацаевым.
При цветной съемке мы как бы измеряем яркости наземных объектов в трех зонах видимого спектра — синей, зеленой и красной. Различия интенсивности этих объектов дают разные цвета.
Можно выполнить съемку не в трех, а в большем числе зон спектра. Причем не только в видимой области, но и далеко за ее пределами — в ультрафиолетовом, инфракрасном и радиодиапазонах. В результате получаются как бы многомерные цветные изображения. По своей информативности они значительно превосходят обычные цветные снимки. Соответственно расширяется круг научных и народнохозяйственных проблем, решаемых с помощью съемки из космоса.
Оказалось, что разные виды природных образований характеризуются самыми различными спектрами. Получая такие спектры из космоса, мы могли бы с большой точностью, так же, как это делается в астрофизике, определять, что именно находится в изучаемом районе земной поверхности.
Однако каждый такой спектральный образ должен быть привязан лишь к очень малому участку поверхности в пределах однородности рассматриваемой территории. Это означает, что попытка автоматического перенесения спектрального метода из астрономии в область изучения природных ресурсов сразу дала огромный объем полезной информации. Поэтому вместо того, чтобы чертить сложную спектральную зависимость с различными линиями поглощения и излучения, весь этот сложный спектр упрощенно представляется гистограммой, описывающей интенсивность излучения в нескольких узких зонах.
Интенсивность отраженного солнечного света и собственного теплового излучения, из которых складывается спектр земной поверхности, получается, таким образом, в виде среднего значения. Чем меньше мы возьмем зон, тем проще получить и обработать информацию обо всей Земле. Но при очень малом количестве зон можно «выплеснуть ребенка из ванны» — потерять возможность распознавания тех или иных видов природных образований.
С целью отработки методов и средств многозонального фотографирования рядом институтов Академии наук СССР и научных организаций других ведомств был выполнен большой объем исследований. Ставилась задача выработки основных принципов создания и применения многозональной аппаратуры, повышения ее информативности, установления эффективности при решении актуальных задач изучения природных ресурсов и контроля окружающей среды, улучшения основных технико-эксплуатационных характеристик и, в частности, задача определения того минимального количества зон — «столбиков» на окончательной гистограмме, с помощью которых можно было бы сохранить распознавательные особенности изучаемых объектов. Эти исследования проводились в несколько этапов с самолетных лабораторий, пилотируемых космических кораблей и орбитальных станций на природных полигонах, расположенных в различных географических регионах нашей страны.
Первые эксперименты по многозональному фотографированию Земли из космоса были осуществлены на космическом корабле «Союз-12». Экипаж «Союза-13» продолжил эту работу. В распоряжении космонавтов был девятиобъективный фотоаппарат, в котором одновременно использовались три фотопленки. Две из них были чувствительны в видимой области спектра, третья — в инфракрасной. На каждой пленке через три объектива одновременно получались три фотоснимка. Все девять объективов были снабжены разными светофильтрами, которые как бы вырезали определенные зоны спектра. Таким образом, аппарат одновременно делал девять фотоснимков одной и той же местности в девяти разных зонах спектра.
Разумеется, светофильтры и фотопленки выбирались не произвольно, а применительно к задачам, которые предполагалось решать с помощью многозонального фотографирования. На следующем этапе, с космического корабля «Союз-16», проводились съемки в одной из зон спектра, проектируемой для будущей системы, на пленку, опробованную ранее на станции «Салют».
В результате всех выполненных исследований была разработана методика многозональной космической фотосъемки, найдены пути повышения пространственной и спектральной информативности получаемых материалов, показана эффективность использования многозональных космических фотографий Земли в геологии, географии, сельском, водном, лесном хозяйствах, сформулированы основные технические требования к многозональной съемочной аппаратуре, а также к средствам обработки и интерпретации получаемых снимков.
В рамках программы «Интеркосмос» специалистами СССР и ГДР была разработана многозональная космическая фотосистема МКФ-6. Эта система, изготовленная на народном предприятии «Карл Цейс Йена», успешно прошла испытания во время полета космического корабля «Союз-22».
При создании аппаратуры МКФ-6 перед ее разработчиками стояла задача в максимальной степени использовать высокую информативность фотоматериала с сохранением фотометрических измерительных характеристик в любом масштабе фотосъемки. С этой целью разработчикам аппаратуры необходимо было создать объективы с высоким разрешением для съемки в выбранных спектральных зонах.
В системе МКФ-6 использовались различные типы фотоматериалов с максимальной чувствительность» в разных зонах спектра. Условия их оптимальной обработки отличаются, и поэтому плотность почернения на фотоизображениях должна быть эталонирована. С этой целью в каждый кадр в момент съемки должны впечатываться эталоны яркости, позволяющие производить фотометрическую привязку изображений.
Поскольку основной информацией при многозональном фотографировании являются различные яркости изучаемых объектов в разных зонах спектра, ошибка в экспозициях при фотографировании одновременно в нескольких зонах спектра должна быть минимальной. Это требование обусловило необходимость создания особой конструкции затворов фотоаппаратов с высокой синхронностью их работы.
Итоговые комплексные испытания МКФ-6 на космическом корабле «Союз-22» показали, что, в частности, при постоянно существующем противоречии между чувствительностью пленки и ее разрешающей способностью удается найти такие оптимальные методы и условия применения и обработки пленки, которые позволяют реализовать на получаемых изображениях высокое разрешение при сравнительно коротких выдержках.
При фотографировании съемочными системами с высоким разрешением на малочувствительную пленку влияние смазывания за счет движения космического корабля по орбите становится соизмеримым с параметрами разрешения. Применение коротких выдержек ограничивается эффективной чувствительностью фотоматериала со светофильтром. Следовательно, конструкция камеры должна обеспечивать компенсацию смазывания изображения.
В результате всех реализованных конструкторских мероприятий, а также разработки оптимальных принципов обработки пленки применительно к конкретным задачам исследования природных ресурсов и контроля окружающей среды удалось получить разрешение на снимках, полностью реализующее потенциальные возможности системы объектив — пленка.
В числе важнейших задач, которые предстояло решить при создании космической многозональной аппаратуры, были не только оптимизация числа спектральных зон, но также и определение ширины и рационального расположения по спектру каждой из них. С этой целью было исследовано около 200 земных образований, изучены их отражательные способности, выявлены особенности и условия различения.
В результате анализа и оценки всех полученных данных с привлечением специалистов из различных областей народного хозяйства были окончательно установлены основные эксплуатационные характеристики многозональной фотоаппаратуры, подлежащей изготовлению.
Что же представляет собой многозональная фотосистема МКФ-6? В нее входят:
— камерная часть с шестью объективами высокой разрешающей способности, с синхронизированными затворами и устройством компенсации сдвига изображения, обусловленного движением космического корабля;
Объективы системы расположены в два ряда, симметрично относительно главной оси камеры. Кассеты размещены на камерной части по три кассеты в каждом ряду и полностью взаимозаменяемы.
Система обладает широкими эксплуатационными возможностями. При компенсации сдвига изображения угловая скорость регулируется в пределах от 16,9 до 38 мрад/с, что обеспечивает возможность фотографирования в диапазоне высот полета от 200 до 400 км.
Народным предприятием «Карл Цейс Йена» был создан также специальный многозональный проектор типа МСП-4, предназначенный для обработки полученных в полете материалов и обеспечивающий высокоточное совмещение снимков и синтезирование цветных изображений.
Многозональной съемкой аппаратурой МКФ-6 во время полета «Союза-22» были охвачены не только среднеширотные, но и высокоширотные районы нашей страны, и, таким образом, были получены изображения широкого диапазона ландшафтных зон — от северных таежных районов, включая зону вечной мерзлоты, до южных пустынь, и от приморских равнин Прибалтики и заболоченных низменностей Западной Сибири до высокогорных районов Памира. На Землю было доставлено свыше 2000 высококачественных снимков, каждый из которых охватывает участок 165?115 км с разрешением у земной поверхности порядка 10—20 м.
Использование фотографий, полученных с помощью аппаратуры типа МКФ-6, дает существенный прирост, например, геологической информации, не говоря уже о резком повышении надежности картографирования различных геологических объектов и явлений. Разумеется, это вовсе не означает, что снимки из космоса приводят немедленно к открытию неизвестных ранее месторождений полезных ископаемых. Речь идет о получении очень важного набора сведений о различных геологических формациях, который уже сегодня позволит сделать фронт поисковых работ более направленным.
Так, выходы тех или иных минералов обычно соседствуют со своими «излюбленными» геологическими структурами, скажем, с тектоническими разломами. Аналогичные «наводящие» указания можно получить в отношении горючих ископаемых.
Следует подчеркнуть две особенности фотографий, полученных с помощью системы, подобной МКФ-6. Первая — возможность получения различных синтезированных (в условных цветах) изображений. На таком снимке цветопередача не соответствует реальным цветам объектов, а используется для увеличения контрастности между объектами различной яркости. Это существенно расширяет возможности традиционной обработки фотографических изображений, облегчает дешифрирование и выявление физических свойств и состояний исследуемых объектов на полученных фотографиях, повышает информационный выход материалов как для научных, так и для прикладных задач.
Вторая особенность — возможность получения широкого диапазона масштабов изображения, как минимум два масштабных ряда. Это позволяет вести изучение территории, от общего к частному, например, от установления общих закономерностей геологического строения до выявления локальных структурных форм, подлежащих оценке на перспективы обнаружения новых скоплений полезных ископаемых, а также давать прогноз сейсмической активности изучаемых регионов. За счет вращения Земли орбита космического корабля смещается с каждым витком. Таким образом, при съемке на соседних витках один и тот же участок земной поверхности фотографируется из двух точек пространства. Кроме того, каждый последующий кадр захватывает часть площади, запечатленной на предыдущей, со степенью перекрытия от 20 до 80%. Это дает возможность получать стереоскопические, т. е. объемные, изображения земной поверхности. Их информативность значительно выше обычных, «плоских», снимков. Стержневой проблемой в исследованиях природных ресурсов Земли из космоса в настоящее время стала обработка видеоинформации. Для того чтобы проиллюстрировать масштабы работ, которые необходимо провести на Земле после получения фотографий, можно привести такой пример. Если взять один снимок, приблизительно эквивалентный кадру, получаемому, например, с помощью системы МКФ-6, и охватывающий площадь 100?100 км с разрешением 10 м, то он будет содержать около 100 млн. бит информации. И это всего один снимок. В эксперименте на «Союзе-22» только в течение одной недели получено свыше 2000 фотографий. Естественно, возникает вопрос об автоматизации самого процесса дешифрирования и анализа космической видеоинформации.
Это очень важная проблема. Ведь сократить здесь сроки — значит увеличить полезную отдачу. Для этого нужно широко использовать современные средства автоматизации, в первую очередь вычислительную технику, Однако сопоставление параметров быстродействия я производительности современных вычислительных машин с объемом космической видеоинформации показывает невозможность построения на их основе систем обработки данных в реальном масштабе времени. Отсюда возникает необходимость специализации ЭВМ применительно к специфическим особенностям космической видеоинформации. Эта специализация затрагивает в основном внешние устройства. Их состав должен быть пополнен устройством ввода — вывода изображений и средствами оперативной связи «человек — машина» типа дисплей с полутоновым и цветным изображением.
Простейший вариант анализа космической видеоинформации на ЭВМ заключается в том, что мы «предъявляем» машине обычное черно-белое изображение. Она определяет яркости заснятых из космоса объектов и переводит их в соответствующие цифры. Число зависит от оптической плотности изображения объекта на снимке. Получив цифровой смысл фотографического снимка, ЭВМ затем может выполнять с ним самые различные операции — проводить изолинии, соответствующие одной и той же яркости, «оконтуривать» элементы одного и того же типа, подсчитывать их площади.
Более сложными являются программы автоматического распознавания образов по их спектрозональной яркости (упрощенному представлению спектра). В настоящее время ученые только «учат» ЭВМ решать такие задачи.
Как уже говорилось выше, из космоса выполняется многозональная съемка специально выбранных эталонных участков земной поверхности, на которых имеются объекты, типичные для тех или иных районов Земли. Одновременно выбранный район земной поверхности фотографируется с самолета со значительно меньшего расстояния. И, наконец, на самой поверхности Земли в данном районе проводятся разнообразные измерения параметров грунта, растительности и т. д., в том числе определение спектральных характеристик выбранных объектов.
В результате всех этих скоординированных между собой операций получают взаимосвязанные показатели, которые позволяют интерпретатору сделать выводы о характере и изменениях растительного покрова, геологических структурах, загрязнении воды, распределении водных ресурсов и многом другом, и, прежде всего, установить однозначное соответствие реального объекта и его «спектрального образа» на спектрозональном снимке по признаку яркости. Создание «библиотеки» таких спектральных образов различных объектов и явлений на поверхности Земли и в ее атмосфере обеспечивает автоматический анализ с помощью электронно-вычислительной техники переданных с космических кораблей фотографий районов, в которых прямые наземные и самолетные наблюдения не проводились. В соответствии с заложенной в нее программой ЭВМ сравнивает измеренные по снимку яркости различных зон с эталонными, хранящимися в ее памяти, и сообщает, каким земным объектам соответствуют эти яркости.
Считается, что в недалеком будущем усовершенствование дистанционного метода позволит проводить и более тонкий анализ. Допустим, на фотография имеется участок, засеянный какой-то сельскохозяйственной культурой. Каждый этап ее роста характеризуется определенным спектром. Если в память ЭВМ заложить данные об изменении этого спектра во времени, то будет возможно определить, в какой стадии созревания находятся посевы. Но и это еще не все. Даже одновременно посеянные хлеба дают разный спектр из-за неодинакового содержания влаги в почве, количества внесенных удобрений и других факторов, влияющих на интенсивность роста. А это значит, что по тем или иным спектральным отличиям в принципе станет возможным оценивать будущий урожай.
Фотографические системы позволяют использовать многозональный метод лишь в оптическом и самом ближнем инфракрасном диапазоне. Чтобы получить данные в других диапазонах спектра электромагнитного излучения, необходимы иные типы устройств. Нет нужды много говорить о важности их разработки. Так, измерения в области теплового инфракрасного излучения являются хорошим индикатором температурных изменений природных образований. В частности, с помощью инфракрасных приборов можно обнаруживать участки растительности, пораженные заболеваниями, а, следовательно, имеющие более высокую температуру; выявлять выходы геотермальных вод, глубинные разломы земной коры и многое другое. Важнейшее достоинство теплового инфракрасного диапазона — возможность «видения» как днем, так и ночью.
«Всепогодностью» обладают и измерения в радиодиапазоне. Основной измеряемый здесь параметр — так называемая радиояркостная температура отдельных участков поверхности Земли. Она сильно зависит от влажности, характера почвы, содержания в ней солей. Таким образом, исследуя радиоизображения поверхности Земли, мы можем получить всю эту информацию. Наконец, увеличение длины волны дает возможность просматривать не только самый верхний покров Земли, но и слой, толщина которого порядка нескольких длин электромагнитной волны. Так, иногда в метровом диапазоне радиоволн можно получить информацию о слое толщиной в несколько метров.
Очень большой интерес радиозондирование представляет для исследования океана. Радиояркостные измерения здесь можно дополнить радиоальтиметрией и тонкими измерениями сдвигов частот сигнала, отраженного от движущихся тел (эффект Доплера). Таким образом, помимо тепловой карты поверхности океана, можно получить данные о волнении, скорости ветров и течений.
Возможности радиодиапазона этим не исчерпываются. Радиолокационные изображения поверхности Земли могут использоваться для изучения природных образований с помощью так называемых радиолокационных образов (аналог спектральных образов).
В настоящее время намечается новый этап космических исследований Земли — внедрение их в практику народного хозяйства. Предполагается, что на этом этапе будут отрабатываться три вида технических средств и методов дистанционного зондирования Земли из космоса.
Первый — фотографические системы, которые обладают наибольшими информативностью и разрешением, но не могут дать «мгновенную» информацию для практического пользования.
Далее, метод передачи информации по телевизионным каналам, который позволяет получать оперативную информацию, но не обеспечивает высокого разрешения, нужного для решения многих задач.
Наконец, комбинация оптических и радиометрических измерений, которые найдут, по-видимому, наибольшее применение в изучении Мирового океана.
Большое внимание будет также уделяться отработке, средств сбора через спутники «природной» информации с морских буев и наземных, станций.