Цели и задачи космической биотехнологии

3. Создание технических  средств для тушения пожаров внутри строений, самих строений или транспортных средств различного назначения, а также экипировка пожарных для безопасной работы в непосредственной близости к очагу пожара. В рамках этого направления заимствовано значительное количество космических достижений. Среди них – индикаторы сигнализации возгораний в помещениях, мощные пенообразующие компоненты, гибкие трубопроводы, насосы для подачи воды (с большим расходом), скафандры и т. д.

Медицинская техника. Примеры косвенного влияния космической медицины на земную требуют подробного описания. Космическая медицина значительно расширила паши представления о том, что такое здоровый человек, о границах нормы и патологии, а также об общих закономерностях адаптации организма к условиям окружающей среды. Наблюдения за воздействием невесомости на космонавтов в ходе многомесячных полетов убедили медиков в том, что организм человека обладает более мощными адаптационными возможностями, чем считали ранее. Таким образом, результаты космической медицины помогают совершенствовать теорию и практику земной медицины.

Существует  обширная литература, описывающая использование  отдельных достижений космической  медицины в земной клинике. Остановимся  на некоторых, наиболее характерных. Так, в результате внедрения достижений космонавтики в повседневную практику стало возможным определение  на расстоянии активности сердца и  кровяного давления. Сердечные болезни  в наше время считаются убийцей  № 1; как установили американские специалисты, 54% летальных исходов в США  падают на сердечные заболевания. Получение  истинной картины работы сердца позволяет  врачам оперативно принимать правильные решения. Используя достижения космонавтики, медики разработали систему дистанционного определения активности сердца. Передвижная (на шасси автомобиля) рентгеновская  камера передает картину активности сердца на компьютер. По пульсации сердца на экране компьютера определяется частота  биения сердца. Используя эту систему, можно установить также наличие  тромбов в сердечной полости, определить (за несколько десятков секунд) пораженные участки сердца и другие дефекты кровеносной  системы. Эти операции осуществляются на месте. В связи с этим отпадает необходимость транспортировки  пациента для диагностики.

Космическая метеорология

Наземные обсерватории в состоянии фиксировать лишь местные, краткие изменения погоды. Спутники же, выведенные на околоземную  орбиту, могут дать общую картину  климатических явлений, передать на Землю данные об образовании и  движении облаков, о радиационном балансе, об изменении снежного и ледового покровов, о смешении воздушных масс и зарождении циклонов.

Всемирная метеорологическая  служба имеет разветвленную сеть наземных метеорологических станций, которых в данное время около 8000. Только в Северном полушарии  находится примерно 1000 станций зондирования. В мировые центры сбора информации об изменениях погоды постоянно поступают  новые данные не только со спутников, но и от 3000 самолетов и 4000 кораблей.

Как известно, почти 3/4 поверхности планеты занимают моря и океаны, где и формируется погода. Из всей имеющейся суши значительная ее часть — это труднодоступные районы (пустыни, горы, полярные области и т. д.). В связи с этим становится понятно, почему наблюдения наземных станций имеют такую малую эффективность.

После появления искусственных  спутников Земли эта задача значительно  облегчилась, так как спутники оснащены специальной аппаратурой. Установленные  на них приборы дают возможность  получить подробные данные о метеорологических  процессах, происходящих в атмосфере  Земли, а также на ее поверхности. Например, распространение облачного  покрова, очаги грозовой деятельности, выпадение осадков, границы снежного покрова, температура земной поверхности  и прилегающего к ней воздушного слоя и другие климатические показатели можно получить при помощи спутников-метеорологов.

Необозримые просторы Мирового океана теперь не являются той загадочной областью, где зарождаются тайфуны  или скрыла непредвиденные опасности  для мореплавания. В связи с  этим можно сделать смелое утверждение, что за всю историю существования  метеорологической науки еще  не было такого мощного средства для  наблюдения за погодой, как спутники.

Спутники-синоптики заранее  обнаруживают образование многих ураганов, дают сведения о таянии снегов и  границах ледового покрова в Северном Ледовитом океане и Антарктиде, предсказывают  выпадение дождей в период полевых  работ, спасают множество человеческих жизней от всевозможных последствий  штормов, тайфунов и ураганов. Штормовые  предупреждения, даваемые гидрометеорологической службой, ежегодно позволяют сохранять  материальные ценности на 1 миллиард рублей.

Существует еще одно применение специальных спутников  и космических станций. Их можно  использовать в качестве гигантских солнечных рефлекторов. Концентрируя солнечные лучи на определенном месте  земной поверхности, эти спутники дадут  возможность увеличить местную  температуру в том или ином районе. Так они смогут управлять  климатом.

Благодаря данным, полученным со спутников, человечество узнало, что  Земля окружена гигантскими поясами  радиации, которые тянутся до высоты в 80 000 километров. В настоящее время  известно, что в данных поясах происходят изменения, обусловленные степенью активности Солнца. В зависимости  от этих явлений режим вращения Земли  вокруг своей оси может немного  измениться.

На Земле происходит много загадочных явлений. Среди  них одно из главных мест занимают землетрясения. Мощные ударные волны, зародившиеся внутри планеты и распространяющиеся в ее коре, достигают поверхности  и несут с собой смерть и  разрушения.

Согласно данным, поступившим  со спутников, можно проследить динамику развития солнечных вспышек, определить поток и спектральный состав излучений, размеры и локализацию областей, где были замечены эти вспышки, а  также узнать о состоянии атмосферы  во время вспышек.

Большим вкладом в науку  явились исследования корпускулярных потоков (потоков частиц) и коротковолнового излучения Солнца. Стало известно, что из Солнца во все стороны истекает более или менее стабильно  со скоростью 500 километров в секунду  поток ионизированного газа (так  называемый солнечный ветер). Активные области светила время от времени  выбрасывают потоки частиц со скоростью 1000-3000 километров в секунду, а иногда и частицы очень больших энергий, или солнечные космические лучи.

Кроме этого, извне в  Солнечную систему попадают частицы  огромных энергий, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, — космические  лучи. Наиболее большое скопление  заряженных частиц обнаружено вблизи Земли — в ее радиационном поясе, где данные частицы удерживаются за счет земного магнитного поля.

Возможности использования  спутников для метеорологических  целей стремительно расширяются, поскольку  приборы и аппаратура все более  совершенствуются.

4. Космические системы с использованием космических аппаратов (КА) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).

Несомненно, в XXI веке получат  широкое развитие различные системы, как глобальные международные, так  и региональные и национальные, основанные на получении информации с подстилающей поверхности, поступающей от разнообразных  КА ДЗЗ. КА будут запускаться как  на стационарную орбиту, так и на орбиты с различным наклонением  и величинами апогея и перигея. Характерной  чертой всех систем ДЗЗ будет постоянное расширение их возможностей как в  направлении увеличения объёма и  качества получаемой информации, так  и снижение зависимости от погодных условий и условий освещённости.

 Подобные системы позволят  осуществлять глобальный контроль  за экологической обстановкой  (включая наличие пожаров, наводнений  и других природных катастроф), обстановкой на водных просторах,  включая ледовую.

Использование информации с  КА ДЗЗ позволит, наконец, составить  земельный и лесной кадастры и  отслеживать их изменение, вести  контроль за аридизацией земель, за изменением снежного и ледяного покрова.

Реальным станет прогноз  урожая, получение данных о рыбных запасах и поиск полезных ископаемых.

 Будут осуществляться  постоянные наблюдения за перемещением  материков и изменением их  очертаний из-за перемещения литосферных  плит, изменением уровня мирового  океана. Будет контролироваться  изменение формы гравитационного  поля Земли.

Формирование таких систем будет происходить в десятые  и двадцатые годы XXI века.

 В ближайшие годы  оформится мировая группировка  метеорологических спутников, использование  информации от которых в совокупности  с данными, получаемыми наземными  и воздушными метеостанциями, позволит  существенно улучшить прогнозирование  погоды и осуществлять контроль за изменением климата.

Безусловно, будут развиваться, совершенствоваться и постоянно  использоваться системы космической  разведки.

КА разведки будут оснащаться целевой аппаратурой, способной  получать и передавать всепогодную  информацию высокого разрешения большого объёма в различных диапазонах длин волн в режиме реального времени. Увеличится разрешение и ширина захвата. Некоторые КА разведки будут иметь  возможность манёвра на орбите, что  было присуще и их предшественникам.

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) означает получение информации о состоянии земной поверхности  по измеренным на расстоянии, без непосредственного  контакта датчиков с поверхностью, характеристикам электромагнитного  излучения. Датчики могут быть установлены  на космических аппаратах, самолетах  и других носителях. Диапазон измеряемых электромагнитных волн - от долей микрометра (видимое оптическое излучение) до метров (радиоволны). Методы ДЗЗ могут быть пассивные, т.е. использовать естественное отраженное или вторичное тепловое излучение объектов на поверхности  Земли, обусловленное солнечной  радиацией, и активные - использующие вынужденное излучение объектов, инициированное искусственным источником направленного действия. Сама возможность  идентификации и классификации  объектов по информации ДЗЗ основывается на том, что объекты разных типов - горные породы, почвы, вода, растительность и т.д. - по разному отражают и поглощают электромагнитное излучение в том или ином диапазоне длин волн.

Данные ДЗЗ, полученные с  датчиков космического базирования, характеризуются  большой степенью зависимости от прозрачности атмосферы. Поэтому на космических аппаратах устанавливаются  многоканальные датчики пассивного и активного типов, регистрирующие электромагнитное излучение в спектральных диапазонах, расположенных в "окнах  прозрачности" земной атмосферы.

Методика тематического  анализа данных ДЗЗ заключается  в определении спектральных диапазонов, чувствительных к изменениям спектральных свойств целевых объектов и выборе зависимостей, связывающих значения дистанционно измеренных яркостей с  искомыми параметрами среды (состав, влажность, структура почв при мониторинге  почв, типы растительности, уровни вегетации, проективное покрытие при мониторинге  фитоценозов, содержание фитопланктона, минеральных взвешенных веществ, органического  вещества при мониторинге водной среды и т.п.). Достоверность количественных результатов анализа определяется тем, известны или нет на момент измерений точные значения коэффициентов зависимостей между параметрами среды и спектральными характеристиками целевых объектов. Наиболее часто встречающийся способ повышения достоверности - проведение одновременно с космической съемкой тестовых измерений на репрезентативных участках.

Аппаратура ДЗЗ первых КА, запущенных в 1960-70-х гг. была трассового типа — проекция области измерений  на поверхность Земли представляла собой линию. Позднее появилась  и широко распространилась аппаратура ДЗЗ панорамного типа — сканеры, проекция области измерений на поверхность Земли которых представляет собой полосу.

Качество данных, получаемых в результате дистанционного зондирования, зависит от их пространственного, спектрального, радиометрического и временного разрешения.

Пространственное  разрешение

Характеризуется размером пикселя (на поверхности Земли), записываемого  в растровую картинку — может  варьироваться от 1 до 1000 метров.

Спектральное  разрешение

Данные Landsat включают семь полос, в том числе инфракрасного спектра, в пределах от 0.07 до 2.1 мкм. Сенсор Hyperion аппарата Earth Observing-1 способен регистрировать 220 спектральных полос от 0.4 до 2.5 мкм, со спектральным разрешением от 0.1 до 0.11 мкм.

Радиометрическое  разрешение

Число уровней сигнала, которые  сенсор может регистрировать. Обычно варьируется от 8 до 14 бит, что дает от 256 до 16 384 уровней. Эта характеристика также зависит от уровня шума в инструменте.

Временное разрешение

Частота пролета спутника над интересующей областью поверхности. Имеет значение при исследовании серий изображений, например при  изучении динамики лесов. Первоначально  анализ серий проводился для нужд военной разведки, в частности  для отслеживания изменений в  инфраструктуре, передвижений противника.

В рамках программы NASA Earth Observing System были сформулированы уровни обработки данных дистанционного зондирования: