Дистанционное зондирование Земли из космоса — интенсивно развивающаяся сегодня область исследований. С каждым годом спрос на такие исследования постоянно растет. Однако, зачем же оно все-таки нужно? Чего можно добиться, применяя эту методику? Об этом сегодня читателям «Правды.Ру» рассказывает заместитель директора ИКИ РАН Евгений Лупян.
В последнее десятилетие здесь получены интересные результаты, разработана обширная научно-методическая база, созданы новые средства, системы наблюдения и технологии мониторинга, позволяющие изучать природные и антропогенные объекты, оценивать и прогнозировать происходящие на планете процессы, например, изменения климата, последствия загрязнения окружающей среды, сейсмическую и вулканическую деятельность.
В России особенное значение приобретает мониторинг и прогнозирование лесных пожаров, которые губят ежегодно около 3,2 миллиона гектаров лесов. В Институте космических исследований РАН (ИКИ) совместно с ведомственными отраслевыми институтами создана Информационная система дистанционного мониторинга лесных пожаров (ИСДМ-Россельхоз). Данные в нее поступают с американских спутников NOAA, Terra, Aqua, Landsat, европейских Rapid Eye, Spot, а также российских «Ресурс ДК» и «Метеор М №1».
На основании спутниковых данных было выявлено, что, например, засуха летом 2010 года в европейской части России привела к аномальным изменениям сельскохозяйственных посевов, которые измерялись по так называемому вегетационному индексу NDVI — он характеризует объем зеленой биомассы растений. Расчет индекса базируется на двух наиболее стабильных (не зависящих от прочих факторов) участках кривой спектральной отражательной способности растений. На красную зону спектра (0,62-0,75 мкм) приходится максимум поглощения солнечной радиации хлорофиллом, а на ближнюю инфракрасную зону (0,75-1,3 мкм) — максимальное отражение энергии клеточной структурой листа. Таким образом, чем больше зеленая фитомасса, тем выше индекс.
Оперативные данные 2010 года также показали, что возникла реальная угроза массового усыхания лесных массивов, были спрогнозированы новые пожары, спровоцированные преждевременным опаданием сухой листвы и накоплением в лесах горючих материалов. По сути, уже в середине лета в леса европейской части пришла «сухая осень». Только спутниковые данные позволили оценить масштабы наблюдаемого явления, охватившего беспрецедентно большие площади.
Интересны возможности дистанционной диагностики тропических циклонов и их моделирования. Они зарождаются в открытом океане, где невозможно организовать прямое наблюдение, поэтому важнейшая роль здесь отводится именно космическим технологиям сбора информации. Радиометры (датчики. — Ред.) видимого и инфракрасного диапазонов, размещенные на геостационарных спутниках, позволяют следить за их развитием и перемещением по облачной структуре в реальном времени. Наиболее привлекательны пассивные и активные микроволновые методы, дающие количественную пространственную характеристику о температуре, скорости ветра, влагосодержании атмосферы и водозапасе облаков, интенсивности осадков. Российские ученые из Института прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород, и Тихоокеанского океанологического института им. Ильичева Дальневосточного отделения РАН создали систему мониторинга циклонов и супертайфунов (циклонов высшей пятой категории).
Подобные циклоны, наблюдаемые главным образом между 5 и 20 градусами с.ш., представляют значительную опасность для Дальнего Востока, провоцируя здесь мощные атмосферные вихри. Тропический циклогенез — сложное и не до конца изученное физическое явление. Скажем, до сих пор не выяснены причины формирования начального возмущения, приводящего к возникновению тайфуна, взаимодействия атмосферы и океана в циклоне, что определяет его источники и стоки энергии. И здесь одна из загадок — эффект аномально низкого аэродинамического сопротивления водной поверхности при ураганном ветре, открытый с помощью спускаемых с самолета метеорологических зондов. Неоценимую роль в решении этих задач играют дистанционные методы исследования Земли.
Без них не обходится сегодня и мониторинг вулканической деятельности. Он решает такие проблемы, как снижение риска и минимизации последствий воздействия извержений на природную среду и цивилизацию. Российскими учеными из Института геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН создана система подобного космического мониторинга. Эта система позволяет обнаружить предвестники извержения, определить масштабы развития соответствующих процессов и их влияние на природную среду. Для проведения мониторинга вулканической деятельности используют методы зондирования в инфракрасных и микроволновых диапазонах волн при помощи многоспектрального сканирующего радиометра MODIS и радиометра теплового излучения и отражения ASTER, установленных на спутниках Terra и Aqua, а также радиолокационных систем.
Компьютерная обработка радарных интерферометрических измерений и построение новых трехмерных цифровых изображений позволяют оперативно оценивать границы и объемы поступающей информации в режиме реального времени. Можно следить за морфологическими изменениями кратеров, за вибрационными потоками в них, за распространением облаков пепла и с помощью радиолокационной съемки в различных диапазонах волн осуществлять краткосрочный прогноз извержений. Это в перспективе очень облегчит работу авиации и аэропортов, можно будет заранее эвакуировать население.
Дистанционное зондирование из космоса также помогает изучать сейсмическую деятельность и фундаментальные вопросы строения и динамики развития Земли в целом. В этой связи бурно развиваются исследования деформации земной поверхности оптическими и радиолокационными методами. Спутниковая интерферометрия позволяет измерять смещения с миллиметровой точностью на больших площадях. Для поиска предвестников землетрясений используется система GPS и теперь отечественная ГЛОНАСС. Регистрируются также тепловые аномалии как предвестники катастроф.
В России, в Институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН, создана система мониторинга антропогенной деятельности, в частности, загрязнений морских поверхностей. Она применялась при исследовании последствий аварии в Мексиканском заливе на нефтяной платформе Deepwater Horizont компании British Petroleum 20 апреля 2010 года. Основная задача была составить прогноз дрейфа нефтяного пятна. Течения в районе аварии слабы и не имеют постоянного направления. Поэтому в гидродинамических моделях, на основе которых строились официальные прогнозы, учитывались только влияние ветра и волнение. Однако анализ спутниковых данных показал, что на трансформацию пятна влияла мезомасштабная (от 10 до 1000 километров) вихревая циркуляция, не учитываемая в других моделях.
Космические снимки показали существенный рост общей площади загрязнения и нефтяную гигантскую струю длиной примерно 300 километров и шириной 40 у основания и 10 километров в конце, двигающуюся по дуге в юго-восточном направлении. Российские ученые объяснили причину и сделали прогноз распространения пятна. Дело в том, что его часть, попавшая в зону интенсивного дипольного вихря (совокупность двух вихрей разной направленности вращения) размером в поперечнике 300 километров, была захвачена своим передним фронтом и вовлечена в циклоническое движение, чем и объяснялась «странная» траектория струи.
Так как загрязнение достигло 27 градуса с.ш., куда доходит Юкатанское течение, переходящее во Флоридское, возникла вероятность загрязнения берегов Флориды или попадания в Гольфстрим, что неминуемо привело бы к глобальной катастрофе. Однако российские ученые предположили, что петля загрязнения будет захвачена циклоническим вихрем и, как бы «наматываясь» на него, диссипирует под действием сильного восточного ветра. Общий вывод состоит в том, что когда речь идет не о поверхностной пленке, а о пятне нефти, надо учитывать не влияние ветра, а мезомасштабную циркуляцию в районе аварии.
Спрос на космические снимки и их дешифровку растет в геометрической прогрессии. Сегодня в России дистанционное зондирование интересует не только различные министерства и ведомства, но и руководителей регионов, поскольку тушить пожары, эвакуировать население и эксплуатировать сельскохозяйственные угодья призваны именно они. Перспективно также сотрудничество с зарубежными компаниями в области прогнозирования землетрясений, вулканической деятельности, рыболовства, охраны окружающей среды.