高中地球科学/利用卫星和计算机
- 描述各种类型的卫星图像以及每种图像提供的信息。
- 解释全球定位系统 (GPS) 的工作原理。
- 解释如何使用计算机制作地图。
如果你从你的院子或街道上看地球表面，你只能看到很短的距离。如果你爬上一棵树或去你公寓楼的顶层，你就能看到更远的地方。如果你乘坐飞机飞过你的街区，你就能看到更远的地方。最后，如果你绕地球轨道运行，你就能看到地球上很大一部分区域。这就是卫星背后的理念。为了在更大的范围内看到事物，你需要获得最高的视角。
让我们来看一个例子。美国历史上最致命的风暴之一袭击了 1900 年的得克萨斯州加尔维斯顿。这场风暴于 1900 年 8 月 27 日星期一在海上首次被发现。它在 9 月 3 日袭击古巴时是一场热带风暴。到 9 月 8 日，它在墨西哥湾上空增强为飓风。它在加尔维斯顿（图 2.34）登陆。当时没有预警或追踪。超过 8000 人丧生。
如今，我们拥有搭载着多种不同类型仪器的卫星绕地球运行。借助这些卫星，我们可以看到飓风（图 2.35）。气象预报员可以跟踪飓风从海洋深处移动到海岸的过程。气象预报员可以向沿海地区的人们发出警告。他们的预警为人们留出时间为风暴做好准备，这有助于拯救生命。
卫星以多种方式绕地球运行。最有用的一种方式称为地球同步轨道（图 2.36）。
卫星在地球 36,000 公里的距离处运行。它需要 24 小时才能完成一次轨道运行。由于卫星和地球都在 24 小时内完成一次旋转，因此卫星似乎“悬挂”在同一位置 (A) 上的空中。在该轨道上，卫星停留在地球表面上的一个区域上空。气象卫星利用这种类型的轨道来观察不断变化的天气状况。通信卫星（如卫星电视）也利用这种类型的轨道。
另一个有用的轨道是极地轨道（图 2.37）。卫星在地球上空数百公里的距离处运行。它大约每 90 分钟绕地球从北极到南极完成一次轨道运行。在这段时间内，地球会略微旋转到卫星下方。不到一天的时间，卫星就能看到地球的整个表面。一些气象卫星使用极地轨道来获取全球天气变化的图片。此外，一些观察陆地和海洋的卫星也使用极地轨道。
美国国家航空航天局 (NASA) 已经发射了一系列卫星来研究地球（图 2.38）。这些卫星由几个政府机构运行，包括 NASA、美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 以及美国地质调查局 (USGS)。通过使用不同类型的科学仪器，卫星可以进行地球的多种测量。
- 一些卫星测量陆地和海洋的温度。
- 一些卫星记录大气中气体的含量，例如水蒸气和二氧化碳。
- 一些卫星非常精确地测量它们在海洋上空的高度。从这些信息中，他们可以了解下面的海面。
- 一些卫星测量表面反射各种颜色的光的能力。这些信息可以告诉我们植物生命的信息。
图 2.39 显示了这些类型卫星的一些图像示例。
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| 图 2.39：各种卫星图像。 | |
之前，我们谈论了你在地球上的位置。为了在地图上定位你的位置，你必须知道你的纬度和经度。但你需要几种仪器来测量纬度和经度。如果你只用一种仪器就能做到同样的事情，那该怎么办呢？卫星还可以帮助你在地球表面定位你的位置（图 2.40）。
到 1993 年，美国军方已经发射了 24 颗卫星来帮助士兵在战场上定位自己的位置。这个卫星系统被称为全球定位系统 (GPS)。后来，美国政府允许公众使用该系统。以下是它的工作原理。
你必须拥有一个 GPS 接收器才能使用该系统（图 A 2.41）。你可以在商店里买到很多这样的接收器。GPS 接收器检测来自附近 GPS 卫星的无线电信号。每颗卫星和接收器上都有精确的时钟。接收器测量卫星的无线电信号到达接收器的时间。接收器使用时间和无线电信号的速度来计算接收器和卫星之间的距离。接收器至少使用四颗不同的卫星来定位其在地球表面的位置（图 B 2.41）。GPS 接收器现在正在被内置到许多物品中，例如手机和汽车。
在 20 世纪后期和 21 世纪初期之前，地图制作人员会派人到野外确定地图上各种特征的边界和位置。州或县边界用于标记地质特征。如今，野外人员使用 GPS 接收器来标记特征的位置。地图制作人员还使用各种卫星图像和计算机来绘制地图。计算机能够将卫星图像的精细细节分解，存储信息片段，并将它们重新组合起来制作地图。在某些情况下，计算机可以制作地图的 3D 图像，甚至可以使它们动起来。例如，科学家使用计算机和来自火星的卫星图像创建了火星上一个大型峡谷的 3D 图像，称为水手谷（图 2.42）。这张图像让你感觉就像你站在火星表面，看着这个峡谷。
当您将任何类型的信息链接到地理位置时，您就可以制作出非常有用的地图和图像。信息可以是居住在某个地区的居民数量、植物或土壤类型、地下水位置或某个地区的降雨量。只要您可以使用 GPS 接收器将信息链接到位置，您就可以将其存储在计算机中以备后处理和地图制作。这种类型的制图称为地理信息系统 (GIS)。地质学家可以使用 GIS 制作自然资源地图。城市领导人可能会将这些资源与人们居住的地方联系起来，并帮助规划城市或社区的发展。其他类型的 GIS 数据也可以进行链接。例如，图 2.43 显示了一张地图，显示了农民在 2008 年对作物损失提出保险索赔的县份。
计算机已经改善了地图的制作方式。它们还增加了可以显示的信息量。在 21 世纪，计算机将在制图中得到越来越多的应用。
- 卫星从高空提供地球表面的更广阔视野。它们为地球科学家进行多种类型的测量。
- 一组称为全球定位卫星的专业卫星帮助人们精确定位自己的位置。
- 位置信息、卫星视图和其他信息可以在地理信息系统 (GIS) 中链接在一起。
- GIS 是地球科学家和其他人员用来研究地球及其资源的强大工具。
- 哪种类型的卫星可用于在地球上精确定位您的位置？
- 气象卫星
- 通信卫星
- 全球定位卫星
- 气候卫星
- 解释地球同步轨道和极地轨道的区别。
- 描述 GPS 卫星如何在地球上找到您的位置。
- 如果您想从轨道上绘制整个地球表面，您会使用哪种类型的轨道？
- 解释气象卫星如何跟踪热带风暴从开始到结束的过程。
- 地理信息系统 (GIS)
- 将数据链接到特定位置的信息系统。
- 地球同步轨道
- 一种允许卫星停留在地球表面一个位置上方的轨道。
- 极地轨道
- 当地球自转时，卫星在地球的南北极上空移动的轨道。
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