Картография в век космоса

ДЖОН НОБЛ УИЛФОРД • С разрешения журнала «Нью-Йорк таймс магазин»

© 1983 by The New York Times Company. Reprinted by permission.

Г

екльберри Финн, столь проницательный во многом, никак не мог понять символической природы географических карт. В книге «Том Сойер за границей» Марк Твен описы­вает, как Том и Гек, путешествуя на воздушном шаре, спорят о том, миновали ли они штат Иллинойс или все еще продолжают лететь над ним. Гек настаивает, что еще не ми­новали, а Том спрашивает, откуда у него такая уверенность.

— Я сужу по цвету. Мы еще летим прямо над Иллинойсом, — говорит Гек. — А Индианы пока не видно, посмотри сам.

— Причем тут цвет? — спрашивает Том.

— А при том. Иллинойс должен быть зеленым, а Индиана — розовой. Где ты видишь внизу розовый цвет? Нигде, сэр, там все зеленое.

— Индиана — розовая? Что за вздор!

— Вовсе не вздор, я ее сам видел на карте, и она была розовая.

Этого Том уже не может снести.

— Видел на карте! Гек Финн, ты думаешь, что в жизни штаты такого же цвета, как на карте?

Гек, нисколько не смущаясь, продолжает отстаивать свой прямолинейный подход к картографии.

— Том Сойер, для чего тогда нужны карты? Они должны учить нас фактам, разве не так?

О недоумении Гекльберри Финна вспомнилось при озна­комлении с экспозицией, организованной не так давно Нацио­нальным управлением США по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА). На экспозиции были представлены некоторые самые последние, наиболее порази­тельные снимки земного шара, сделанные из космоса. Они были изготовлены новыми методами дистанционного зондиро­вания и электронной обработки данных, которые преображают древнее искусство и науку — картографию. Дистанционное зондирование с помощью радиолокатора, установленного на борту самолета или космического корабля, а также так назы­ваемых многоспектральных сканирующих устройств пред­ставляет собой новый способ быстрого и многократного сбора огромного количества информации, необходимой для состав­ления новых и исправления старых карт. Дистанционное зондирование дополняет и до некоторой степени заменяет аэрофотосъемку и утомительный труд геодезистов, которые могут дать более детальные топографические сведения, но не в состоянии столько охватить за короткое время. Благодаря компьютерам, поглощающим и переваривающим массу дан­ных, можно превращать изображения, полученные дистан­ционным зондированием, в карты. Все чаще компьютеры заменяют обычные бумажные карты цифровыми, хранящимися в памяти ЭВМ. Эту информацию можно использовать для печатания карт, близких к обычным, но главное преимущество такой системы состоит в том, что она позволяет хранить в цифровой форме информацию, которую можно быстро изме­нять по мере получения новых географических данных и немед­ленно использовать, если нужно напечатать полностью исправ­ленную карту или карту, отражающую лишь специфические особенности того или иного района, например, все четырех­полосные шоссейные дороги в штате Пенсильвания.

Новая техника позволила впервые составить карту всего мира — от полюса до полюса — и детальным образом изучить любую часть какой угодно страны. Картографирование из космоса, обеспечивая новый взгляд на мир и его природные ресурсы, будет иметь экологические, экономические и полити­ческие последствия, значение которых только сейчас начинают понимать. Новые методы помогают разведывать месторождения нефти и других полезных ископаемых, наблюдать за ростом и состоянием сельскохозяйственных культур и определять толщину снежного покрова, чтобы предсказывать наводнения.

Гек Финн был бы, наверное, немало изумлен, увидев цветные изображения, полученные новым многоспектральным сканирующим устройством дистанционного зондирования, разработанным НАСА. Цвета в этих изображениях не передают красок реального мира или даже тех, что встречаются на обычных картах. Большая часть штата Индиана выдержана в розовых или красных тонах, что устроило бы Гека, но такого же цвета и штат Иллинойс. В таких же тонах изображаются все области земного шара, покрытые растительностью. А река Миссисипи — густо-синего цвета. Геку, плававшему на плоту по ее мутным водам, такое искажение цвета показалось бы, наверное, смешным. Вторжение городов в сельскую местность передается кляксами серовато-голубого цвета. Голая земля выглядит белой, зеленой или коричневой в зависимости от состава почвы. Например, некоторые глины, богатые окислами железа, получаются желтыми или оранжевыми. Вариации других тонов передают разницу между прозрачной и загрязненной водой, лиственными и хвойными лесами, рисом и соевыми бобами, здоровыми и пораженными заболеванием сельскохозяйственными культурами.

Таким видят мир электронные глаза наблюдателя-робота космического корабля «Ландсат», на борту которого установлено многоспектральное сканирующее устройство. С 1972 года, когда на околоземную орбиту был запущен первый из четырех спутников «Ландсат», получено более миллиона таких изображений. В этой небывалой коллекции представлены в мельчайших подробностях и во все времена года разные уголки мира, в том числе области Арктики и Центральной Азии, до последнего времени недостаточно хорошо картографированные. Можно встретить знакомые очертания континентов и береговых линий, сапог Италии, крюк мыса Код (штат Массачусетс), дельты Нила и Миссисипи. Но в изображениях есть нечто большее, чем обычно бросается в глаза человеку.

Это не просто красивые фотографии, отмечает сотрудник НАСА Самюэл У. Келлер, давая пояснения у экспозиции сним­ков, полученных со спутника «Ландсат-4». Технически это многоспектральные изображения, а не фотографии. В обычной фотографии изображения элементов рельефа получаются путем регистрации отражений от предметов в видимом для человеческого глаза свете. Чувствительные элементы спутника «Ландсат» не только рассматривают предметы в видимом свете желтой и красной частей спектра, но и регистрируют излучение в так называемой ближней инфракрасной области электромагнитного спектра, лежащей за пределами длин волн красного света, иначе говоря, за пределами довольно ограниченной сферы визуального человеческого восприятия. Теперь понятно, почему говорят о многоспектральных органах зрения «Ландсата» и чем объясняется его исключительная способность, как сказал бы Гек Финн, «учить нас фактам».

Разные объекты — животные, растения и минералы — отражают солнечный свет по-разному; каждый из них имеет, так сказать, свою «спектральную подпись». Песчаник отражает свет в инфракрасной части спектра по-другому, чем глинистые сланцы, влажная почва — не так, как сухая, кукуруза — иначе, чем пшеница и т.д. Эти, вообще говоря, невидимые подписи становятся различимыми после анализа информации, переданной «Ландсатом» и обработанной компьютерами на Земле. При этой обработке по существу невидимое изображение становит­ся видимым благодаря применению «ложных» цветов, которые и придают ему столь необычный характер.

---

Картограф рассматривает контурные линии на прошедшей компьютерную обработку прозрачной пленке, которую используют для составления обычных карт, напечатанных на бумаге.

Иногда полученное изображение приближается к картинам художников-модернистов или даже превосходит их. Во время полета космического корабля «Колумбия» был успешно ис­пытан еще один новый метод наблюдения Земли издалека. С помощью радиолокационной системы формирования изо­бражений исследовались обширные области суши, и были получены замечательные результаты (см. «Америка» № 322). В этой системе радиоволны отражаются Землей, а отраженные сигналы после обработки преобразуются в изображения.

Картограф Моррис М. Томпсон, научный сотрудник Геоло­гической службы США в Рестоне, штат Вирджиния, пред­почитает не употреблять слова «революция», говоря о новых возможностях картографии.

— Наблюдая за успехами картографии за последние 40 лет, — говорит Томпсон, — можно почти каждое достижение наз­вать революционным. Но это скорее эволюция, чем револю­ция. Все эти приборы и системы представляют собой результат продолжительного, упорного труда, усовершенствований то там, то здесь, когда каждый день одно прибавляется к другому.

Высказывание Томпсона отражает взгляды большинства картографов, которые подчеркивают постепенный характер сдвигов, происходящих в их профессии.

Можно, например, считать, что аэрофотосъемка зародилась в 1858 году в результате замечательного достижения парижского фотографа Гаспар-Феликса Турнашона. Он установил свою пластиночную фотокамеру в корзине воздушного шара и сумел сделать снимок целой деревни с высоты 75 метров.

Первая мировая война объединила авиацию и фотографию, и не осталось никаких сомнений в том, что обе новые отрасли техники будут развиваться вместе. Аэроснимок, как и новые радиолокационные и многоспектральные изображения, не представляет сам по себе карту. Это исходный материал для изготовления карт. Чтобы получить карту, необходим ряд сложных математических операций по определению масштаба, высоты, долготы и широты — точных координат элементов рельефа по отношению друг к другу и к окружающему миру. Эта процедура, называемая фотограмметрией, сегодня в той или иной степени поддается автоматизации, в то время как раньше обработка аэрофотоснимков требовала долгих часов работы со стереообрабатывающими приборами. Наложение фотографий одной и той же местности, полученных при несколько иной перспективе, дает трехмерную модель, из которой можно извлечь информацию для составления карты.

На заре космической эры, начало которой датируется 1957 годом, мало кто думал о том, какое влияние космические дости­жения окажут на картографию. Многие специалисты считали, что из-за атмосферы Земли фотографии из космоса окажутся нерезкими и не будут обладать такими качествами, которые требуются для составления карт. Полеты первых астронавтов доказали ошибочность такого мнения.

В конце орбитального полета на космическом корабле «Мер­курий» в 1962 году Джон X. Гленн заметил: «Я вижу всю Флориду, как на карте». Он мог видеть целиком то, что по­колениям картографов приходилось составлять по кусочкам, используя наземные измерения или наблюдения с самолетов. Еще более обещающими и важными для картографии оказа­лись наблюдения Л. Гордона Купера во время последнего полета по программе «Меркурий» в 1963 году. Пролетая на высоте более 150 километров над Тибетом, астронавт сообщил: «Я различаю отдельные дома и улицы». Сопоставляя давно устаревшие карты с некоторыми фотографиями, которые сде­лал Купер, картографы легко установили, какие горы в Тибете не были нанесены на карту, какие озера были неправильно показаны, а также определили периметр ложа древних высох­ших озер. В результате появилась исправленная карта Тибета, и картографы стали стремиться использовать возможности космических полетов для нужд картографии.

Это привело к разработке программы «Ландсат». В 1972, 1975 и 1978 годах под руководством НАСА Центр космических полетов имени Годдарда в Гринбелте, штат Мэриленд, запустил три практически одинаковых спутника «Ландсат». Функциони­рование аппаратуры спутников оправдало самые оптимисти­ческие предсказания. С полярных орбит спутников, с высоты 917 километров, многоспектральные сканирующие устройства посылали непрерывный поток изображений. Ученые всех спе­циальностей с жадностью набросились на поступающую информацию и высоко оценили ее полноту и возможность получать повторные изображения одного и того же объекта. Каждое изображение, снятое вдоль полосы шириной 185 километров, охватывало 33 800 квадратных километров поверхности Земли. При аэрофотосъемке, чтобы охватить такую же площадь, пришлось бы сделать 1000 снимков. Спутник «Ландсат», делая около 30 000 изображений, мог бы фотографировать весь земной шар каждые 18 дней. Новые возможности картографии привлекают даже тех геологов, которые вначале были на­строены скептически. «Я не возлагал больших надежд на всю эту электронику», — вспоминает Пол Д. Лоумен, геолог из Центра имени Годдарда, которому была больше по душе «настоящая» фотография. Очень скоро, однако, Лоумен обна­ружил в изображениях, переданных спутниками «Ландсат», много не нанесенных прежде на карту трещин, ответвляю­щихся от разлома Сан-Андреас в Калифорнии. Другие геологи исправили карты горных цепей и обнаружили области обширного образования трещин на Аляске, которые можно было связать с месторождениями полезных ископаемых. Нефтяные и горнопромышленные компании бросились покупать изображения, передаваемые спутниками. Говорят, что некоторые крупные нефтяные месторождения были открыты отчасти благодаря информации спутников «Ландсат».

Агрономы получили возможность быстро определять со­стояние сельскохозяйственных культур. В ходе первых испытаний было установлено, что изображения, передаваемые спут­никами «Ландсат», позволяют отличать друг от друга 29 видов растительности в штате Аризона и различать в Калифорнии поля, оставленные под паром, свежевспаханные или только что засеянные. Более 100 стран (некоторые из них располагают собственными приемными станциями) используют сигналы спутников «Ландсат» для наблюдений за ростом своих сельско­хозяйственных культур и лесонасаждений, за водными ресур­сами, а также для получения первых надежных карт районов, находящихся в глубине страны.

Первые два спутника «Ландсат» давно прекратили свою работу. Спутник «Ландсат-3» перестал функционировать в мар­те 1983 года и был переведен на резервный режим работы.

Запущенный в июле 1982 года спутник такого же типа, «Ландсат-4», пришелся картографам еще более по душе. Установленные на нем системы формирования изображений обладают втрое — вчетверо лучшим пространственным разрешением, чем аппаратура предыдущих спутников «Ландсат», и позволяет наблюдать за едва уловимыми колебаниями интен­сивности света, отраженного от Земли. Каждый из чувстви­тельных элементов в первичной системе формирования изобра­жений имеет так называемую шкалу серых тонов 256 вместо 64 у прежних спутников «Ландсат». Это значит, что каждый чувствительный элемент системы реагирует на 256 градаций интенсивности света и кодирует результаты наблюдений в цифровой форме так, что каждое число соответствует определенному элементу изображения. Все эти элементы после обработ­ки данных на компьютере составляют единое изображение.

Своими расширенными возможностями спутник «Ландсат-4» обязан установленному на нем прибору с новым набором чувствительных элементов — «тематическому картографу». Обладая высокой разрешающей способностью и чувствитель­ностью к световым контрастам, этот прибор, кроме того, может больше «видеть», поскольку он замеряет отраженный свет в лучах с шестью разными длинами волн (четыре из которых лежат в инфракрасной области спектра), а также в тепловом канале для определения поверхностных температур. В карто­графии тематические карты используются для особых целей или для иллюстрации какого-либо объекта исследований, в отличие от общих карт, на которых отмечаются самые разнообразные объекты. Специфическим объектом исследования могут быть распределение почв или растительности, ледниковые потоки, снежный покров, геологические разломы, структура землепользования. Таковы типичные примеры использования информации спутников «Ландсат» в картографии.

Благодаря тематическому картографу изображения, переданные спутником «Ландсат», позволяют выявлять мельчай­шие детали улиц и отдельных зданий, изучать специфические характеристики полей, например, градацию почв.

При всей наблюдательности спутника «Ландсат» передавае­мые им изображения практически бесполезны для топографов, которых интересует текстура суши. Поэтому они возлагают большие надежды на новейший вариант радиолокационной системы, устанавливаемой на самолетах, а в последнее время — и на космических кораблях. Принцип действия этой так называемой радиолокационной системы бокового обзора заклю­чается в следующем. В направлении цели с самолета или со спутника посылают импульсные радиосигналы сверхвысокой частоты, а затем регистрируют отраженные слабые сигналы. Энергия отраженного радиоизлучения при рельефной поверх­ности больше, чем при ровной. Например, гористая местность и потоки лавы будут видны на радиолокационном изображении в виде ярких источников. Анализ времени прохождения радиосигналами пути туда и обратно показывает относительные высоты различных элементов рельефа земной поверхности. Отраженные сигналы регистрируют на пленке методами голо­графии и преобразуют затем с помощью лазерной техники в изображения, дающие иллюзию трех измерений. Конечным результатом применения этой методики является фотография, на основании которой могут быть составлены, в частности, геологические и топографические карты.

Здесь показано переданное спутником «Ландсат-4» многоспектральное изображение залива Сан-Франциско (темно-синего цвета) и прилегающего района Калифорнии. Большая часть береговой линии скрыта в тумане.

Другая особенность радиолокатора состоит в том, что он может работать днем и ночью и позволяет «видеть» через облака. Самым грандиозным и успешным примером приме­нения этой техники в картографии можно считать проект, осуществленный в 1970 году в Бразилии, где при участии амери­канских подрядчиков и с помощью бортовой радиолокационной системы была проведена топографическая съемка бассейна реки Амазонки, который занимает больше половины терри­тории страны, но был плохо картирован. Удалось обнаружить реку длиной несколько сот километров, не нанесенную до тех пор на карту, а область, отмеченная на карте как национальный лесной заповедник, оказалась саванной.

Вверху: сочетание двух радарных изображений южного побережья Калифорнии близ Санта-Барбара четко выявляет, благодаря съемке под разными углами, детали рельефа. Радар спутника «Сисат», отклоненный от вертикали примерно на 20 градусов, увеличил наклон фотографируемой поверхности, обеспечив более рельефный снимок прямоугольного участка. Это изображение наложено на снимок, сделанный радаром корабля шаттл под углом 50 градусов и подчеркнувший неровность сфотографированной поверхности. Картографические данные вводят в компьютер в виде цифр, которые затем преобразуются в визуальные изображения для коррекции.

Первая радиолокационная система формирования изображе­ния, предназначенная для гражданских целей, была выведена на околоземную орбиту на борту океанографического спутника «Сисат», запущенного в 1978 году. Хотя «Сисат» из-за неис­правности функционировал менее четырех месяцев, ученые и картографы получили с его помощью немало поразительных сведений. Подтвердилось предположение о том, что поверх­ность океана, подобно суше, рельефна. В некоторых местах имеются возвышенности, высота которых по отношению к остальной части поверхности океана доходит до 180 метров. Наличие выпуклостей и впадин объясняется различиями в силе тяготения из-за неравномерного распределения массы внутри земного шара или — в других случаях — соответствующими особенностями рельефа океанического дна. Так, поверхность океана над подводной горой высотой 3,2 километра подни­мается примерно на один метр. Опираясь на эту информацию спутника «Сисат», специалисты из Лаборатории реактивных двигателей Калифорнийского технологического института в Пасадене составили всемирную карту морского дна, которая может послужить руководством для будущих исследований и основой для новых геологических концепций. Уильям Ф. Хаксби из геологической обсерватории Ламонт-Доэрти при Колумбийском университете в Палисейдсе (штат Нью-Йорк) совершенствует методику получения «геоктонических изобра­жений» по данным спутника «Сисат»; это позволяет составлять почти такие же детальные карты подводных гор, хребтов. океанических желобов и бассейнов, как карты рельефа суши. Аналогичная радиолокационная система, предназначенная главным образом для топографической съемки суши, была установлена в грузовом отсеке космического корабля «Колумбия», совершавшего второй полет в ноябре 1981 года. Некото­рые из полученных изображений были наложены на изображе­ния, составленные по данным спутников «Ландсат», с целью максимально использовать преимущества обоих методов, дополняющих друг друга. Таким образом удалось получить четкие радиолокационные изображения рельефа местности и данные о химическом составе растительности и минералов, которые обеспечивает многоспектральная аппаратура спутни­ков «Ландсат». Комбинированные изображения в «ложных» цветах поражают воображение и могут содержать интересней­шую для исследователей информацию.

Но самыми замечательными результатами предварительного анализа данных радиолокатора «Колумбии» оказались откры­тия под слоем песка Сахары. В ходе исследований в чрезвы­чайно засушливых районах было обнаружено, что сигналы радиолокатора иногда проникают на глубину до 4,5 метра через слой рыхлого сухого песка, часто достигая коренной породы. Во время полета «Колумбии» над Суданом и Южным Египтом были получены радиолокационные изображения, на которых удалось обнаружить следы протекавших в этих местах рек и долин, не уступавших по ширине долине современного Нила. Первым это заметил Кэрол С.Брид из Геологической службы в Флагстаффе (штат Аризона). Впоследствии геологи просвер­лили скважины в пустыне и подтвердили существование древ­них дренажных систем, а также нашли погребенные под песком места древних поселений тех времен, когда Сахара не была такой засушливой. Сообщая об этом открытии в журнале «Сайенс», группа специалистов по радиолокационным изобра­жениям подчеркнула, что сама по себе возможность составить карту древних дренажных систем и, следовательно, потен­циальных источников близких к поверхности грунтовых вод вызывает живейший интерес геологов, которые располагают теперь новыми средствами исследования пустынь на планете.

Чарлз Элачи из Лаборатории реактивных двигателей гово­рит, что в будущих экспериментах на борту шаттлов предпола­гается испытать радиолокационную систему формирования изображений на разных радиочастотах и при различных углах наблюдения. Луч радиолокатора, направленный под острым углом к горизонту, подобно лучам восходящего или заходящего солнца, создает более резкие изображения гор и других элемен­тов рельефа. Глубоко веря в потенциальные возможности применения радиолокации в картографии, Элачи заявляет: «У нас есть методы и идеи. Есть научные станции — корабли шаттл. За два или три полета по полярной орбите мы могли бы составить топографическую карту всего мира».

Может быть, Моррис Томпсон из Геологической службы США и прав, называя развитие многоспектрального зондирова­ния и радиолокационных методов формирования изображения эволюционным, но способ компьютерной обработки новой информации, используемой для составления карт, можно счи­тать почти что революционным достижением. Это не просто очередной шаг вперед, это рывок к овладению новыми возмож­ностями, которые совсем недавно казались немыслимыми. Меняется не только метод сбора информации, необходимой для составления карт, но и метод автоматического их изготов­ления, да и само определение понятия «карта».

В основе всего лежит представление информации в цифровой форме. Большая часть данных, которые передаются со спут­ника и используются для составления карт, поступает в форме числового языка компьютеров — потоком цифр. Возникает необходимость перевести на компьютерный язык и существую­щие карты. До сих пор это делали наполовину вручную. Чтобы перевести карту в цифровую форму, оператор вручную переме­щает датчик над поверхностью карты, и все ее контуры, грани­цы и другие элементы кодируются в виде комбинаций цифр. Сейчас в употребление входят системы цифрового кодирования с более высокой степенью автоматизации. Обычная карта или какое-нибудь изображение, помещенное на вращающийся барабан, сканируется светочувствительными устройствами, вся информация переводится в цифровую форму и направляется в память компьютера. Типичная топографическая карта разби­вается таким образом примерно на 1,1 миллиона точек-данных, причем только для высот. Изображение карты может быть вы­ведено на экран телевизионного типа для внесения исправлений и изменений. Карты, составляемые из цифровой информации, могут быть выполнены в любом масштабе.

В 1982 году Геологическая служба завершила составление своей первой цифровой базы картографических данных — набора стандартных кассет с магнитной лентой для введения информации в компьютер. В наборе содержатся очертания границ, автомобильные и железные дороги, реки и другие основные элементы содержания карты для всей территории Соединенных Штатов. Одна кассета с избранными картографи­ческими элементами для одного района из общего числа 21 стоит 100 долларов, а весь набор данных — 6300 долларов.

Несколько лет назад Моррис Томпсон писал об изменениях в картографии за период с 1950 по 1975 год и пытался пред­сказать, какими будут геодезия и картография в 2000 году. Методика измерений расстояний в геодезии, отмечал Томпсон, прошла за это время путь от мерной ленты до электронных систем на базе лазерной техники, а к 2000 году оба этих метода будут вытеснены системой наведения, смонтированной на наземных транспортных средствах, кораблях или самолетах. Начиная от точки с известными координатами и высотой, геодезист переходит с прибором от точки к точке вдоль по­верхности и автоматически фиксирует координаты и высоту, необходимые для изготовления точных карт.

Томпсон писал также, что к 2000 году классические карты с элементами содержания в виде линий и символов будут в зна­чительной степени дополнены или заменены картами, которые представляют собой фотоснимки или изображения, получен­ные с помощью специальных датчиков. Эта задача облегчается благодаря сбору и хранению картографической информации в цифровой форме в центральных банках данных. Кроме того, согласно прогнозу Томпсона, основным средством сбора картографических данных будет космический летательный аппарат с бортовой системой датчиков, обладающих высокой разрешающей способностью.

По мнению Томпсона, подобные предсказания не нуждаются в существенном пересмотре. Дистанционное зондирование, спутники и компьютеры — это будущее картографии, утверж­дает ученый. В значительной мере оно уже наступило.

Новые карты, изготовляемые новыми методами, возможно, помогут лучше понять мир и лучше управлять им, но не лишат его дивной красоты. Так всегда было с картами, цель которых — уменьшить мир до масштабов, более понятных человеку.

Чтобы получить эту карту океанического дна, Билл Хаксби из Геологической обсерватории Ламонт-Доэрти приложил данные измерений водной глади, выполненных спутником «Сисат», к единообразной сетке опорных точек, покрывающих поверхность Мирового океана. Каждая из примерно пяти миллионов точек сетки соответствует отдельному элементу изображения на карте. Используя сложную компьютерную программу цветных графи­ческих построений, Хаксби выбрал для каждого такого элемента один из 15 цветов и их 256 оттенков. Многие детали, выявившиеся на карте, были до этого либо вообще неизвестны, либо окончательно не подтверждены. Например, в Индийском океане к югу от Африки были обнаружены новые подводные горы и зоны разлома. Это позволит лучше понять процесс отделения Африки, Индии и Австралии от Антарктики. На карте виден Рейкьянес — срединно-океанический хребет, простирающийся к юго-западу от Ислан­дии. Раньше выражались сомнения, действительно ли этот хребет имеет V-образную форму. Карта показывает, что это так и есть.

КАРТОГРАФЫ ОКЕАНСКОГО ДНА

Стив Олсон
Reprinted by permission of SCIENCE 83 Magazine. 1983 The American Association for the Advancement of Science.

H

икто никогда не увидит таких величественных геологических формаций, как вулканы выше Эве­реста, впадины в шесть раз глубже Большого каньона, равнины, гладкие как паркет бального зала. Все это навсегда погребено в пучине океанов, к большому сожалению геологов, от глаз которых скрыто семьдесят процентов поверхности земного шара.

Но вот недавно ученым, работающим независимо друг от друга в Нью-Йорке и Калифорнии, удалось найти способ «проникнуть» сквозь водный покров Земли. Ис­пользуя информацию, полученную в 1978 году от амери­канского искусственного спутника Земли (вышедшего, к сожалению, из строя через несколько месяцев после вывода на орбиту), они впервые сумели воспроизвести точную панораму океанического дна. «В известном смы­сле, — говорит Майкл Парк, океанограф Лаборатории реактивных двигателей Калифорнийского технологиче­ского института в Пасадене, — мы дополняем картину физического облика земного шара».

Согласно гипотезе о тектонике плит, дно океана пред­ставляет собой плавильный тигель Земли. Расплавлен­ные горные породы извергаются из недр планеты вдоль опоясывающих ее подводных хребтов. Охлаждаясь и затвердевая, они образуют новую океаническую кору. В ходе этого процесса наращиваются края примерно дюжины сталкивающихся между собой плит, которые в совокупности и образуют поверхность земного шара. При столкновении двух плит одна, как предполагают специалисты, обычно погружается под другую на линии простирания глубоководных расселин.

Как правило, все эти процессы происходят в наиболее недоступных районах Земли. «Но на новых картах, — говорит Билл Хаксби, сотрудник Геологической обсер­ватории Ламонт-Доэрти в Палисейдсе (Нью-Йорк), — мы видим крупные элементы рельефа, существование которых раньше либо обосновывалось лишь теоретиче­ски, либо вообще не было известно».

В прошлом, чтобы получить представление о рельефе океанического дна, геологи должны были полагаться на данные исследований, выполненных на борту морских судов. Для измерения глубин применяли бортовые при­боры, регистрировавшие звуковые волны, отраженные от морского дна. Такого рода зондажи давали непре­рывные показания глубин по пути следования судна. В районах развитого судоходства картина морского дна была достаточно полной. Но в тех местах, где суда проходили редко, информация была фрагментарной. Применение этого метода для исследования всего океани­ческого дна было бы равносильно смехотворной попытке картографировать континенты с самолетов, имеющих лишь по одному смотровому люку.

Могут ли искусственные спутники Земли, летающие на высоте 800 км над ее поверхностью, справиться с задачей лучше исследовательских морских судов? Могут. Спут­ники охватывают несравнимо большую площадь наблю­дения и собирают информацию значительно быстрее. Кроме того, спутники способны производить измерения совершенно иного типа, что и дает возможность соста­вить новые, более точные карты.

В 1978 году ракета «Атлас» вывела на орбиту «Сисат» — американский спутник для исследований океана, на борту которого был радиолокационный высотомер. С помощью остронаправленного пучка микроволн этот прибор способен измерять расстояния между бортом спутника и поверхностью океана с точностью до 50 мм. Подобная точность означает допуск всего лишь в тол­щину волоса при измерении длины городского квартала.

Билл Хаксби хорошо знал, какие данные он хотел извлечь из измерений, переданных спутником на Землю. «Но никто, — вспоминает он, — не ожидал, что эти данные окажутся столь детальными. Я даже не мог себе этого представить, пока не увидел результатов».

Хаксби хотел получить информацию о постепенных подъемах и падениях уровня морей. Если бы можно было устранить все течения, волны, приливы и отливы, то поверхность океана, вопреки, казалось бы, здравому смыслу, не стала бы совершенно гладкой. Под влиянием рельефа дна на ней все равно были бы видны рябь и волны, впадины и вспучивания.

С XVIII века геологи знают, что сила притяжения на Земле не везде одинакова. Вблизи таких крупных и концентрированных формаций, как горы, например, она больше, а в местах залегания относительно легких гор­ных пород — меньше.

То же явление наблюдается и в океанах. Там, где сила притяжения велика, например, вокруг подводных гор, отмечается тенденция водных масс к концентрации. «Рас­сматривая этот феномен, можно сказать, что вода тяго­теет к вершинам подводных гор, вздымая поверхность морей, — объясняет Хаксби. — Например, если бы Гавайские острова полностью погрузились в океан, вода в этом месте поднялась бы на 25 — 30 метров». Аналогич­ное явление, но в обратном смысле, наблюдается над океаническими впадинами. Здесь относительно низкая концентрация водных масс вызывает оседание моря. «Пас­сажир рейсового судна, идущего на восток от Японии, спустится на 18 метров ближе к центру Земли, — говорит Майкл Парк. — Правда, спуск этот будет постепенным на протяжении 50 км, и его крутизна останется незаметной в отличие от того, что наблюдалось бы на суше».

Итак, поверхность океана отражает рельеф его дна наподобие грубого шерстяного одеяла, накинутого на сад с каменными горками. Вариации водной поверхности и измерялись спутником «Сисат». Эти же вариации были учтены Биллом Хаксби, а также сотрудниками Лаборатории реактивных двигателей Тимоти Диксоном и Майк­лом Парком при составлении карт.

По словам Хаксби, наиболее сложной картографиче­ской задачей оказалось приложение данных, полученных спутником «Сисат», к единообразной сетке опорных точек на поверхности океанов. Спутник не проходил над каждой точкой сетки, поэтому Хаксби прибег к статисти­ческому методу экстраполяции в соответствии с трендами данных. Затем он вычислил вариации силы притяжения, обусловленные различиями уровня морской поверхности, и перенес полученные результаты в виде сложных цветных графиков на экран компьютера.

Эти графики не были просто украшением экрана. Как сказал Хаксби, они сыграли важнейшую роль в интерпре­тации результатов. «В подобном виде картографическое изображение привлекает ваше внимание к таким струк­турным особенностям, которые в иных случаях остались бы незамеченными. Кроме того, комбинируя оттенки цвета, можно получить лучшее представление о рельефе. Если, например, компьютер освещает карту с северной стороны, то контуры структур, простирающихся с вос­тока на запад, вырисовываются более четко, чем в на­правлении с севера на юг».

Карту Хаксби нельзя считать идеальным изображе­нием океанического дна, потому что на силу притяжения влияет и различная плотность горных пород. «Но боль­шая часть структур, бросающихся в глаза на карте, действительно связана с особенностями рельефа мор­ского дна, — поясняет исследователь. — Вы ясно видите желобы и хребты, подводные горы и материковые окраины, равно как и более мелкие детали».

Изучая особенности рельефа на картах, геологи обсер­ватории Ламонт-Доэрти особенно заинтересовались зо­нами разлома. Это шрамы земной коры, обусловленные трансформными сдвигами, когда две плиты смещаются в противоположных направлениях. Так, например, на восток от разлома Сан-Андреас в Калифорнии смещается североамериканская плита, а на запад — тихоокеанская. В результате такого движения возникают землетрясения.

Так как плиты мигрируют вдоль мест трансформных сдвигов, то оставшиеся на их пути зоны разлома служат указанием на то, как плиты двигались в прошлом. «Зоны разлома представляют собой как бы колею, по которой двигались плиты», — говорит геолог Джефф Уэйссел. На карте Хаксби эти следы четко выделяются во всех своих деталях. Главное же, по мнению Уэйссела, это то, что по карте можно проследить зоны разлома через весь океанический бассейн даже в тех участках, где накопи­лись отложения, или куда никогда не заходили суда.

Одной из наиболее необычных формаций можно счи­тать Элтанинскую зону разлома, тянущуюся от оконеч­ности Южноамериканского материка к Австралии. Кар­та показывает, что эта разветвленная структура состоит из двух отдельных разломов. Любопытно то, что эта зона, по-видимому, переходит в цепь подводных гор, получившую название Луисвиллского хребта.

Переход зоны разлома в хребет может быть простой случайностью, считают Хаксби и Уэйссел. Но не исклю­чено и то, что зона разлома развилась по значительно более длинной полосе ослабления земной коры. Если это так, то вулканы Луисвиллского хребта можно сравнить с каплями крови, выступающими из царапины. Вправе ли этим процессом объяснять возникновение других подводных гор — вопрос, остающийся предметом споров.

Помимо зон разлома, большой интерес среди геологов вызывают и другие структуры. Были, например, обна­ружены ранее неизвестные подводные горы, особенно в южных морях. Плиты, считавшиеся жесткими, по-видимому, претерпели изгибы под влиянием сжатия. Больше всего интригует то, что ряд небольших утолще­ний дна Тихого океана может, как кажется, прямо указы­вать на происходящие под плитами процессы конвекции. Многие геологи считают, что конвекционные поднятия и опускания горячего материала в недрах Земли являются движущей силой тектоники плит.