Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени: от Солнечной системы до самых далеких галактик и от Большого взрыва до будущего Вселенной

С самого начала космической эры началось изучение Земли с помощью космических аппаратов. Период с июля 1957-го по декабрь 1958 г. был объявлен Международным геофизическим годом, в это время проводился ряд скоординированных программ по изучению нашей планеты: в частности, с использованием ракет и спутников. В октябре 1957 г. был запущен первый искусственный спутник, а уже в 1958 г. с помощью спутников Explorer 1 и Explorer 3 было достоверно подтверждено существование радиационных поясов в магнитосфере Земли (так называемого пояса Ван Аллена). В мае 1958 г. в СССР был запущен тяжелый «Спутник-3» с большим количеством научной аппаратуры на борту, с помощью которой изучалась атмосфера Земли, ее магнитное поле, а также космические лучи.

Изучение Земли из космоса объединяет в себе фундаментальную науку и чисто прикладные задачи.

С течением времени появились специализированные спутники для изучения Земли из космоса. Эта тематика считается крайне важной, поэтому на нее затрачиваются значительные ресурсы. Так, в NASA в 2015–2016 гг. исследования Земли из космоса имели более высокий бюджет (почти $2 млрд в год), чем каждый из трех других научных разделов (астрофизика, планетные исследования, гелиофизика). Очень интенсивно эта область исследований развивается в Европе, которая сейчас лидирует в этом направлении. И даже небольшие страны, не имеющие крупных космических программ, стремятся создавать собственные спутники, предназначенные для решения каких-то локальных прикладных задач, связанных с наблюдениями из космоса, или сотрудничать с большими агентствами.

Исследования Земли из космоса объединяют как ряд фундаментальных научных, так и множество прикладных проблем. Сейчас выделяют такие приоритетные направления, как изучение загрязнения окружающей среды, различные аспекты здравоохранения (например, исследования, связанные с распространением малярии в заболоченных местностях, или роль разрушения озонового слоя в росте заболеваемости раком кожи), исследования экосистем и биоразнообразия, изучение земной коры (сюда входит и прогнозирование землетрясений, и поиск полезных ископаемых, и изучение вулканов), наблюдение за изменениями климата, мониторинг и прогнозирование погоды, изучение водных ресурсов (включая изучение ледяного покрова).

Проблема глобального изменения климата требует постоянного космического мониторинга.

Среди конкретных актуальных вопросов выделяются прогноз ближайших серьезных климатических изменений (например, связанных с таянием льдов), поведение океанических экосистем (исчерпание рыбных ресурсов), динамика количества разрушительных тропических циклонов, распространение болезней.

Кроме пассивных наблюдений используется активное зондирование поверхности и атмосферы с помощью радаров и лазеров.

Для изучения параметров оболочек Земли и их динамики используется обширное разнообразие инструментов. Кроме получения изображений в разных спектральных диапазонах используются и активные методы зондирования, в основном с помощью радаров и лидаров (лазерных радаров, принимающих отраженное или рассеянное лазерное излучение). Это позволяет изучать состав земной атмосферы на разных высотах, а также решать множество других задач, например строить точные карты высот рельефа, что, в частности, дает возможность предсказывать крупные оползни. Также дистанционные измерения позволяют с высокой точностью измерять уровень водных пространств – как морей и океанов, так и озер, что имеет огромное прикладное значение из-за угрозы затопления прибрежных районов при повышении уровня Мирового океана, угрозы наводнений или засухи.

Важной задачей, имеющей отношение к климату и погоде, является измерение солнечной постоянной – количества энергии, приходящей от Солнца. Для этого также необходимы спутниковые измерения. Хотя формально это относится к физике Солнца, тем не менее из-за важности этого параметра для моделирования земного климата подобные измерения традиционно включаются и в программы геофизических исследований.

Только глобальные спутниковые наблюдения позволяют с высокой точностью изучать гравитационное поле Земли и его вариации: эта задача решалась в рамках проектов GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment, Эксперимент по изучению гравитационного поля и климата, запущен в 2002 г.) и GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer, Аппарат для изучения гравитационного поля и постоянных океанических течений, 2009 г.). Измерения гравитационного поля важны для изучения целого ряда вопросов, таких как построение карт океанских течений, исследование таяния ледников, а также изучение последствий землетрясений.

Прогноз погоды базируется на спутниковых данных.