高中地球科學/利用衛星和計算機
- 描述各種型別的衛星影像以及每種影像提供的資訊。
- 解釋全球定位系統 (GPS) 的工作原理。
- 解釋如何使用計算機制作地圖。
如果你從你的院子或街道上看地球表面，你只能看到很短的距離。如果你爬上一棵樹或去你公寓樓的頂層，你就能看到更遠的地方。如果你乘坐飛機飛過你的街區，你就能看到更遠的地方。最後，如果你繞地球軌道執行，你就能看到地球上很大一部分割槽域。這就是衛星背後的理念。為了在更大的範圍內看到事物，你需要獲得最高的視角。
讓我們來看一個例子。美國曆史上最致命的風暴之一襲擊了 1900 年的得克薩斯州加爾維斯頓。這場風暴於 1900 年 8 月 27 日星期一在海上首次被發現。它在 9 月 3 日襲擊古巴時是一場熱帶風暴。到 9 月 8 日，它在墨西哥灣上空增強為颶風。它在加爾維斯頓（圖 2.34）登陸。當時沒有預警或追蹤。超過 8000 人喪生。
如今，我們擁有搭載著多種不同型別儀器的衛星繞地球執行。藉助這些衛星，我們可以看到颶風（圖 2.35）。氣象預報員可以跟蹤颶風從海洋深處移動到海岸的過程。氣象預報員可以向沿海地區的人們發出警告。他們的預警為人們留出時間為風暴做好準備，這有助於拯救生命。
衛星以多種方式繞地球執行。最有用的一種方式稱為地球同步軌道（圖 2.36）。
衛星在地球 36,000 公里的距離處執行。它需要 24 小時才能完成一次軌道執行。由於衛星和地球都在 24 小時內完成一次旋轉，因此衛星似乎“懸掛”在同一位置 (A) 上的空中。在該軌道上，衛星停留在地球表面上的一個區域上空。氣象衛星利用這種型別的軌道來觀察不斷變化的天氣狀況。通訊衛星（如衛星電視）也利用這種型別的軌道。
另一個有用的軌道是極地軌道（圖 2.37）。衛星在地球上空數百公里的距離處執行。它大約每 90 分鐘繞地球從北極到南極完成一次軌道執行。在這段時間內，地球會略微旋轉到衛星下方。不到一天的時間，衛星就能看到地球的整個表面。一些氣象衛星使用極地軌道來獲取全球天氣變化的圖片。此外，一些觀察陸地和海洋的衛星也使用極地軌道。
美國國家航空航天局 (NASA) 已經發射了一系列衛星來研究地球（圖 2.38）。這些衛星由幾個政府機構執行，包括 NASA、美國國家海洋和大氣管理局 (NOAA) 以及美國地質調查局 (USGS)。透過使用不同型別的科學儀器，衛星可以進行地球的多種測量。
- 一些衛星測量陸地和海洋的溫度。
- 一些衛星記錄大氣中氣體的含量，例如水蒸氣和二氧化碳。
- 一些衛星非常精確地測量它們在海洋上空的高度。從這些資訊中，他們可以瞭解下面的海面。
- 一些衛星測量表面反射各種顏色的光的能力。這些資訊可以告訴我們植物生命的資訊。
圖 2.39 顯示了這些型別衛星的一些影像示例。
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| 圖 2.39：各種衛星影像。 | |
之前，我們談論了你在地球上的位置。為了在地圖上定位你的位置，你必須知道你的緯度和經度。但你需要幾種儀器來測量緯度和經度。如果你只用一種儀器就能做到同樣的事情，那該怎麼辦呢？衛星還可以幫助你在地球表面定位你的位置（圖 2.40）。
到 1993 年，美國軍方已經發射了 24 顆衛星來幫助士兵在戰場上定位自己的位置。這個衛星系統被稱為全球定位系統 (GPS)。後來，美國政府允許公眾使用該系統。以下是它的工作原理。
你必須擁有一個 GPS 接收器才能使用該系統（圖 A 2.41）。你可以在商店裡買到很多這樣的接收器。GPS 接收器檢測來自附近 GPS 衛星的無線電訊號。每顆衛星和接收器上都有精確的時鐘。接收器測量衛星的無線電訊號到達接收器的時間。接收器使用時間和無線電訊號的速度來計算接收器和衛星之間的距離。接收器至少使用四顆不同的衛星來定位其在地球表面的位置（圖 B 2.41）。GPS 接收器現在正在被內建到許多物品中，例如手機和汽車。
在 20 世紀後期和 21 世紀初期之前，地圖製作人員會派人到野外確定地圖上各種特徵的邊界和位置。州或縣邊界用於標記地質特徵。如今，野外人員使用 GPS 接收器來標記特徵的位置。地圖製作人員還使用各種衛星影像和計算機來繪製地圖。計算機能夠將衛星影像的精細細節分解，儲存資訊片段，並將它們重新組合起來製作地圖。在某些情況下，計算機可以製作地圖的 3D 影像，甚至可以使它們動起來。例如，科學家使用計算機和來自火星的衛星影像建立了火星上一個大型峽谷的 3D 影像，稱為水手谷（圖 2.42）。這張影像讓你感覺就像你站在火星表面，看著這個峽谷。
當您將任何型別的資訊連結到地理位置時，您就可以製作出非常有用的地圖和影像。資訊可以是居住在某個地區的居民數量、植物或土壤型別、地下水位置或某個地區的降雨量。只要您可以使用 GPS 接收器將資訊連結到位置，您就可以將其儲存在計算機中以備後處理和地圖製作。這種型別的製圖稱為地理資訊系統 (GIS)。地質學家可以使用 GIS 製作自然資源地圖。城市領導人可能會將這些資源與人們居住的地方聯絡起來，並幫助規劃城市或社群的發展。其他型別的 GIS 資料也可以進行連結。例如，圖 2.43 顯示了一張地圖，顯示了農民在 2008 年對作物損失提出保險索賠的縣份。
計算機已經改善了地圖的製作方式。它們還增加了可以顯示的資訊量。在 21 世紀，計算機將在製圖中得到越來越多的應用。
- 衛星從高空提供地球表面的更廣闊視野。它們為地球科學家進行多種型別的測量。
- 一組稱為全球定位衛星的專業衛星幫助人們精確定位自己的位置。
- 位置資訊、衛星檢視和其他資訊可以在地理資訊系統 (GIS) 中連結在一起。
- GIS 是地球科學家和其他人員用來研究地球及其資源的強大工具。
- 哪種型別的衛星可用於在地球上精確定位您的位置？
- 氣象衛星
- 通訊衛星
- 全球定位衛星
- 氣候衛星
- 解釋地球同步軌道和極地軌道的區別。
- 描述 GPS 衛星如何在地球上找到您的位置。
- 如果您想從軌道上繪製整個地球表面，您會使用哪種型別的軌道？
- 解釋氣象衛星如何跟蹤熱帶風暴從開始到結束的過程。
- 地理資訊系統 (GIS)
- 將資料鏈接到特定位置的資訊系統。
- 地球同步軌道
- 一種允許衛星停留在地球表面一個位置上方的軌道。
- 極地軌道
- 當地球自轉時，衛星在地球的南北極上空移動的軌道。
- 假設您正在跟蹤橫跨大西洋的颶風。您需要什麼資訊才能跟蹤其路徑？哪些衛星影像可能最有用？研究並解釋美國國家氣象局如何跟蹤和監測颶風。
- 如果您必須針對特定州的自然資源撰寫報告，哪種地圖將幫助您找到最多的資訊？
- 人們使用全球定位系統有哪些方法？使用 GPS 可以更輕鬆地解決哪些問題？