«Техника-молодежи» 1975 г №4, с.8-13
Что нам дает, какие открывает перспективы изучение Земли из космического пространства? |
Астрономию по праву величают старейшиной среди земных наук. Еще в незапамятные времена стала для людей очевидной зависимость многих жизненно важных процессов на Земле (таких, например, как разливы рек) от расположения небесных тел, прежде всего Солнца. Начав с составления «на глазок» примитивных по нынешним меркам календарей, астрономия, развиваясь, жадно вбирала и использовала достижения математики, механики, физики, других наук.
И вот буквально на наших глазах эта древнейшая сфера человеческого знания переживает свою вторую молодость. Если раньше ученые только разглядывали космос (оптическая астрономия имеет дело с информацией, которую несет электромагнитное излучение в оптическом диапазоне волн), то теперь они могут «прослушивать» его (радиоастрономия исследует излучения с длиной волны от нескольких миллиметров до десятков и сотен метров) и даже получать рентгенограммы (рентгеновской и гамма-астрономии доступны длины волн порядка 10—8 см). Такое резкое расширение диапазона наблюдений позволило, образно говоря, взглянуть на мир не через узкую щель, а распахнув настежь ставни.
«Астрономия наоборот» в полной мере использует волновую экспансию обычной астрономии. Но что такое вообще «астрономия наоборот»? Академик Р. Сагдеев употребил этот емкий и точный термин в своем докладе на конференции «Человек и космос». Расшифровать его можно так: наблюдения Земли из космического пространства. Разумеется, речь идет не об инопланетянах, рассматривающих нашу обитель из своих кораблей. В «астрономии наоборот» человечество изучает само себя и планету, на которой оно обитает.
Техническое оснащение «астрономии наоборот» — это космические летательные аппараты (спутники, пилотируемые корабли, орбитальные станции), приборы, установленные на них, а также наземные средства приема и дешифровки собранной информации, среди которых особо важную роль играют ЭВМ.
 В. Севастьянов: «На наших глазах и при нашем участии происходит процесс, сравнимый с революционным переворотом Коперника. Мы вторично — и теперь уже практически — преодолеваем «психологический барьер» геоцентризма». |
Становление и развитие исследований Земли из космоса имело наряду с чисто техническими философские, общенаучные и даже психологические предпосылки. Речь идет о принципиально новом научно-техническом этапе в развитии человечества, который летчик-космонавт СССР В. Севастьянов назвал на конференции «вторым преодолением геоцентризма». Первое преодоление — открытие Коперника — можно считать теоретическим. Гениальный польский ученый показал, что Земля не центр мироздания, а всего лишь одна из планет, вращающихся вокруг Солнца. Но, теоретически низведенная до ранга рядового космического тела, Земля практически оставалась для людей их единственной и необъятной вселенной. Огромные неизведанные пространства (еще не нанесены на карту целые материки), гигантские материальные и энергетические ресурсы (леса, почвы, полезные ископаемые — всего в избытке) — это был для человека целый космос, который только предстояло познать, заселить, освоить.
В наше время ситуация совершенно иная. Благодаря бурному научно-техническому развитию (особенно за последние два столетия) Земля и практически стала тем, чем она являлась теоретически: конечным физическим объектом. Давно инвентаризованы сельскохозяйственные и лесные угодья.
Сократилось количество дичи и рыбы, причем многие виды исчезли или почти исчезли с лица земли. Разведаны основные месторождения полезных ископаемых.
Деятельность человека приобрела масштабы, сравнимые по своему воздействию на окружающий мир с геологическими факторами. Дальнейшее отношение к Земле, как к неисчерпаемой кладовой материи и энергии, как к системе, автоматически и безболезненно восстанавливающей плодородие почв, чистоту воздуха и воды, явно становится неправильным.
Не останавливаясь подробно на кризисных экологических явлениях, мы лишь подчеркнем, что результатом научно-технического и промышленного развития как раз и явилось «второе преодоление геоцентризма» — практическое превращение Земли в конечный физический объект.
За последние десятилетия почти одновременно возникли как общетеоретические предпосылки, так и прямые технические возможности для развития «астрономии наоборот».
Классическая астрономия, конечно же, не случайно, не от хорошей жизни ограничивалась дистанционными методами наблюдения. Это диктовалось колоссальными расстояниями до исследуемых объектов. Недосягаемость (в буквальном смысле слова) небесных светил послужила даже основанием для философа-пессимиста XIX века Огюста Конта категорически заявить, что состав звездной материи навсегда останется тайной для человека. Но, хотя сей философ очень скоро был посрамлен открытием спектрального анализа (позволяющего с большой точностью определять химический состав звезд), «запрет» на непосредственные контакты с космическими телами не стал для астрономов более утешительным. Не случайно они сразу же ухватились за ракетную технику, позволившую им вести наблюдения без атмосферных искажений и облачных помех, давшую возможность наконец-то прикоснуться к внеземной породе — доставленным на Землю образцам лунного грунта.
А в «астрономии наоборот», действительно, все наоборот. Земля — вот она, под ногами: бери ее «живьем», исследуй, изучай! Зачем же, спрашивается, нужно удаляться от нее на сотни, тысячи километров и уже оттуда, со всеми столь знакомыми обычной астрономии помехами, вести наблюдения? Что нового могут дать дистанционные методы, когда интересующий нас объект давно и основательно изучается методами непосредственного контакта (такими, как геология, география, геофизика, метеорология и многие другие)?
| Р. Сагдеев: «Использование искусственных спутников Земли в народнохозяйственных целях не только позволяет решать многие насущные задачи, но и вполне оправдывает себя экономически». |  | Схема многоспектрального сканера, при помощи которого получают «космические портреты» участков земной поверхности. Вращающееся зеркало «построчно» оглядывает снимаемый участок. Отраженный зеркалом световой луч разлагается иа спектральную радугу. Дальнейший процесс обработки информации виден из схемы. |
Для ответа на вопрос попробуем представить, как изменяется картина земной поверхности по мере удаления наблюдателя. Тем, кто летал на самолете, поначалу (для первого десятка километров подъема) пейзаж знаком. Реки превращаются в ручейки, обширные поля — в четкие, аккуратные многоугольники, леса — в зелено-бурые пятна. Мелкие детали исчезают, но все отчетливее прорисовываются характерные особенности ландшафта. Происходит так называемая генерализация изображения. Понятно, что при съемке с большой высоты наиболее выпуклыми, наглядными получаются изображения крупных, протянувшихся на сотни и тысячи километров объектов — таких, как горные цепи или очертания материков. На конференции в докладе кандидата географических наук Ю. Ермакова приводились данные об открытии из космоса нескольких десятков линий тектонических нарушений. Самое любопытное, что обнаружены они в районах, уже основательно изученных геологами. Выходит, оставаясь на Земле, можно многого на ней и не заметить.
Выявление линий тектонических нарушений — лишь одна страничка объемистого и непрерывно пополняемого космического фотоальбома Земли. Как появляются в этом собрании новые снимки? В своем докладе «Достижения и задачи космических исследований» академик Р. Сагдеев подробно рассказал о технике дешифровки получаемых данных.
В основе метода лежит идея, давно уже взятая на вооружение классической астрономией... Каждое яблоко, какой бы урожай вы ни собрали, является в своем роде единственным. Даже если отвлечься от разницы в весе, то все равно любой плод отличается от остальных степенью сочности, сладости, какими-то иными особенностями. Однако пытаться оценивать и описывать каждое яблоко индивидуально — дело гиблое, да и лишнее. Товаровед пользуется грубыми, приближенными критериями, разделяя всю партию на несколько (скажем, на пять) сортов. Все яблоки одного сорта, как примерно одинаковые, продаются по одной цене... Аналогичным образом и звезды подразделяют на спектральные классы. Да, каждая из них обладает индивидуальным звездным спектром. Но звезд на небе, как известно, тьма. И выдать всем им персональные спектральные паспорта просто невозможно. Для занесения звезды в тот или иной класс применяют так называемую гистограмму, то есть прибегают к грубому анализу спектра по нескольким основным участкам. В зависимости от того, какой из них выражен более четко, звезде присваивается определенный шифро-спектральный класс.
Сходная процедура используется и при дешифровке космических снимков Земли, в частности сельскохозяйственных угодий. Спектр этих участков земной поверхности состоит из двух слагаемых: отраженного солнечного света и собственного теплового излучения. Такой суммарный, весьма сложный спектр представляется гистограммой, которая описывает интенсивность излучения в диапазоне, скажем, от 0,5 до 0,6 микрон, затем — от 0,6 до 0,7 и т. д. В зависимости от интенсивности излучения в этих диапазонах данный участок земной поверхности попадает в определенный спектральный класс. Все участки одного типа попадают в одну «компанию», хотя в деталях они могут и отличаться друг от друга.
Теперь задача в том, чтобы ЭВМ могла правильно распознать характер участка и направить его по надлежащему адресу. Для этого в ее памяти должен храниться набор шаблонов, с которыми она сравнивала бы вновь поступающие снимки. Такие шаблоны получают при съемках обычным фотоаппаратом с небольшого возвышения или с самолета. Допустим, выбран участок, засеянный пшеницей. Каждый этап ее роста характеризуется определенным спектром отраженного света. По совокупности спектров строится кривая, которая и закладывается в память ЭВМ. Анализируя снимки, переданные со спутника, электронный «товаровед» отбирает участки, отвечающие данной спектральной кривой, и определяет их как массивы пшеницы. Можно провести и более обстоятельный анализ. Если в память ЭВМ заложить данные об изменении спектра во времени, то будет несложно определить, сколько недель прошло с момента сева. Но и это еще не все. Даже одновременно посеянные хлеба дают разный спектр из-за неодинакового содержания влаги в почве и других факторов, влияющих на интенсивность роста. А это значит, что по тем или иным спектральным отличиям в принципе возможно оценивать будущий урожай.
В статье не перечислить всей информации, которую ЭВМ способна вычитать из космических снимков. Но принцип ясен: чем богаче библиотека спектральных образов, заложенных в машинную память, тем больше пищи для размышлений дадут вновь полученные снимки.
Итак, основные факторы, определяющие ценность информации в «астрономии наоборот», — это широкая обзорность получаемых снимков, их естественная генерализация и последующий спектральный анализ с помощью ЭВМ. Открывающиеся здесь перспективы трудно переоценить.
Возьмем хотя бы ту же возможность оценивать будущий урожай. На основании точных прогнозов решаются вопросы о расширении либо сужении посевных площадей. А ситуация такова: уже к 1980 году специалисты планируют довести точность прогнозов урожая в ряде стран до 95 и более процентов.
Из космоса начинают вести и поиск полезных ископаемых. Как это делается? Разумеется, космический аппарат, обшаривающий фотоглазом земную поверхность, не подменяет собой геолога-изыскателя, но активно помогает разведчикам недр. Со спутников проводится своеобразный «анализ на подозрительность». Залежи тех или иных минералов обычно соседствуют со своими излюбленными геологическими структурами, скажем — с тектоническими разломами. Известно, например, вблизи каких структур встречаются месторождения нефти. Типичные образцы геологического рельефа фотографируются из космоса и закладываются в память ЭВМ как эталоны.
Затем снимки еще не исследованных участков сравниваются с образцами, хранящимися в электронной памяти. Участки, близкие к какому-либо эталону, помечаются как подозрительные в смысле возможного содержания полезных ископаемых. ЭВМ словно бы подсказывает: здесь поищите медь, а тут вот пахнет нефтью. Для вынесения окончательного приговора подозрительные участки проверяются геологоразведочными экспедициями.
На снимке вверху — центральная часть Великих
равнин США, прорезанных широкими речными долинами. Междуречья заняты сельскохозяйственными угодьями, большей частью орошаемыми. Поля, с которых убран урожай, — розовые прямоугольники. Белые пятна неправильной формы — облака.
На нижнем снимке, полученном с помощью многоспектрального сканера, изображение синтезировано из трех, сделанных в узких зонах спектра — зеленой, красной и инфракрасной. Интенсивное тепловое излучение растительности (во избежание перегрева) отражено на фотографии различными оттенками красного цвета: чем гуще растительность, тем ярче оттенок. В левой нижней части
снимка хорошо выделяются высокие складчато-глыбовые хребты Каскадных гор с вулканическими конусами. Голубовато-серым цветом окрашены межгорные котловины с разреженной степной и полупустынной растительностью. Видны прямоугольники полей с густыми посевами различных
сельскохозяйственных культур. Глубокие озера и водохранилища — темные пятна различной формы. Вырубки — правильные геометрические фигуры более светлого цвета
на красном фоне.
Проверка «заподозренных» из космоса участков уже дает реальные плоды. Так, в Пакистане методами космической геологии были обнаружены районы предполагаемых залежей медных руд. Проведенные «по указанию сверху» полевые исследования подтвердили прогноз: медь действительно есть.
Однако на путях развития космо-георазведки, как отмечалось в докладе Ю. Ермакова, стоят и немалые трудности. Одна из основных заключается в том, что обширные участки земной поверхности почти сплошь покрыты растительностью, смазывающей картину. Не случайно наиболее ценные результаты были получены в районах пустынь и полупустынь. Правда, эту трудность нельзя назвать непреодолимой. Как геологические структуры привязаны к залежам определенных полезных ископаемых, так и конкретные типы растительности, в свою очередь, привязаны к структурам. Поэтому анализ «заросших» участков земной поверхности проводится как бы в два этапа: по характеру растительности определяют особенности ландшафта, а по ним уже судят о наличии или отсутствии полезных ископаемых. Здесь, как и в большинстве других областей применения «астрономии наоборот», прогресс исследований определяется накоплением в памяти ЭВМ все более богатой библиотеки космических образов.
Подобный метод сравнительного анализа применим повсюду, где прямо не наблюдаемое явление А можно обнаружить по сопутствующим признакам Б, В, Г и т. д. Покажем это на примере лова рыбы. Из теории и практики известен ряд факторов, «сопровождающих» косяки рыбы. Сюда относятся температура воды в верхних слоях океана, распределение планктона, степень волнения водной поверхности и т. д. Заложив совокупность данных в память ЭВМ, мы получим типичные космические образы участков Мирового океана, где возможны крупные скопления рыбы. Сопоставляя с этими образами оперативные сводки, получаемые «по прямому проводу» из космоса, мы сможем в недалеком будущем непрерывно снабжать ценной информацией все суда, ведущие лов в определенной акватории. Спутник с помощью ЭВМ будет как бы наводить рыбаков на места, наиболее благоприятные в данный момент для лова.
 На снимке (с ложной цветопередачей) — центральные равнины США, прилегающие к озеру Эри, которое отчетливо выделяется в левой верхней части снимка. Время года — весна. Идет интенсивное таяние снегов. Все три снимка получены ресурсным спутником «Лэндсат». Масштаб |
Приведенные примеры наглядно иллюстрируют перспективы использования сравнительного анализа в «астрономии наоборот». В докладе Ю. Ермакова была также прояснена роль большой обзорности и естественной генерализации космических снимков. Так, показательное исследование Министерства внутренних дел США вскрыло основные факторы, угрожающие национальному парку Эверглейдс. На космических изображениях юго-восточной Флориды отчетливо прослеживается «русло травяной реки», по которому пресная вода озера Окичоби просачивается к лагунам Мексиканского залива. За последнее время из-за регулирования стока из озера и строительства дренажных каналов уровень воды в Окичоби понижается, что грозит нарушить экологическое равновесие. Прислушаются ли власти к предостережениям ученых, выполнят ли их рекомендации — вопрос другой. Но научная ценность этих рекомендаций несомненна.
Еще одно подтверждение достоинств большой обзорности дает нам сельское хозяйство. По снимкам, сделанным в конце зимы, легко определить зоны таяния снегов. Если регулярно собирать данные через каждые 10—15 дней, то можно следить за изменением снежного покрова во времени и, стало быть, прогнозировать содержание влаги в почве на самый ответственный период — перед началом сева.
Вообще повторные снимки одного и того же участка представляют огромный интерес для изучения процессов в их развитии. Многочисленные изображения, полученные с американского спутника, позволяют отчетливо проследить динамику образования и таяния снежного покрова в горах Сьерра-Невада (штат Калифорния). На снимках устья реки Колорадо четко видна динамика формирования донных отложений. Если вывести спутник на такую орбиту, чтобы угловая скорость его движения совпала со скоростью вращения Земли, то он будет постоянно «висеть» над одной и той же точкой земной поверхности. Регулярно передавая с него изображения облачного слоя, можно судить о процессах, происходящих в атмосфере. Академик Р. Сагдеев подчеркнул на конференции, что уже сейчас «существуют экономически вполне себя окупающие спутники погоды».
Облака, конечно, хорошо фотографировать, коль скоро именно они и являются объектом исследования. Но если нужны снимки того, что находится под ними, то есть земной поверхности, то облачный покров становится помехой. Однако недаром в начале статьи мы упомянули о «революционном перевороте» в астрономических исследованиях, связанном с резким расширением диапазона используемых волн. Новые методы активно взяла на вооружение и «астрономия наоборот». Как известно, четкие изображения в радиодиапазоне получаются при любой облачности. Впрочем, это общее преимущество и для астронома, «слушающего» космос, и для спутника, «прослушивающего» Землю. Но вот что любопытно: радиокартина поверхности нашей планеты резко отличается от картины оптической. Она существенно зависит от характера почвы, от содержания в земле влаги, солей. Поэтому из радиодонесений можно вычитать немало уникальной информации. Плюс к тому увеличение длины волны позволяет проникать в глубь земного покрова. Так, излучение в метровом диапазоне позволяет «просматривать» слой толщиной в несколько метров. Уже проведены успешные эксперименты. В частности, благодаря полученным из космоса радиоизображениям составляется карта вечной мерзлоты.
Что же касается будущего, то тут можно смело фантазировать о развитии с помощью «астрономии наоборот» таких экстравагантных наук, как космоархеология или космоокеанология.
 Снимок сделан с орбитальной станции «Скайлэб», цветопередача натуральная. Территория Юга США, штаты Аризона и Калифорния. Район сухого пустынного климата, растительность разреженная и на снимке не прослеживается. В правой части — глыбовые горы (хр. Хила и горы Кофа), сильно разрушенные процессами выветривания и эрозии. В правой части снимка — долины рек Колорадо и Хила, сливающиеся в центральной части изображения. Слева внизу — пустыня Гран-Десьерто. Отдельные детали: светло-желтая полоса в левой части снимка — песчаный гребень с грядово-ячеистым строением, видны цепочки пирамидальных или звездообразных дюн; горные хребты и массивы отчетливо выделяются в правой и центральной частях снимка, разные оттенки соответствуют различному составу кристаллических пород. Хозяйственная деятельность человека: в долинах рек Колорадо и Хила — орошаемое земледелие. Светлое пятно чуть ниже места слияния рек Колорадо и Хила — город Юма, под ним — недавно отвоеванный у пустыни участок с полями сельскохозяйственных культур. Узкая темная линия, пересекающая песчаный гребень, — оросительный канал с ответвлением на север. Правее гребня — автострада. |
Осознание человечеством ограниченности Земли и ее ресурсов, обусловленное всем ходом научно-технического и промышленного развития, после проникновения человека в космос сделалось еще более ярким, наглядным. Чувством сыновней заботы о своей не такой уж великой и весьма уязвимой планете было проникнуто выступление на конференции космонавта В. Севастьянова: «...И когда видишь, как часто человек нерационально воздействует на природу планеты, становится больно. Пролетаешь над Африкой — пожары, над Австралией — пожары, над Бразилией, Канадой — пожары. У нас над тайгой — пожары. Мы летим над Сахалином. Вчера пролетали, все нормально. Смотрим на следующий день — два источника пожара. Проходим два витка... Сообщили. Через 3,5—4,5 часа нам ответили с Земли, что туда высланы вертолеты, приступают к тушению».
С большой высоты, из космоса, оглядывают люди дела рук своих. Самое время! Земля еще на столетия останется нашим единственным — по крайней мере основным — космическим домом. Нельзя допускать, чтобы он приходил в запущенность. На 16-й странице «Литературной газеты» как-то появилась фраза: «Мы не можем ждать милости от природы после того, что мы с ней сделали». Такова реакция юмориста, но и она показывает, сколь глубоко волнует широкую общественность мысль об экологическом неблагополучии. Разумеется, как и ко всяким социальным процессам, к нашим взаимоотношениям с природой надо подходить диалектически, с учетом особенностей исторических периодов. На определенном этапе развитии неограниченная, неконтролируемая промышленная экспансия была закономерной и неизбежной. Но так же очевидно, что сейчас этот этап подошел к концу. Дело, конечно, не в том, кому от кого ждать милости: природе ли от человека, человеку ли от природы. Современная техника вполне позволяет при желании в конечном счете уничтожить биосферу Земли. Но это как раз тот случай, когда рубится сук, на котором мы с вами сидим. Отношения наши с природой ни в коем случае не должны принимать в будущем форму конфронтации: кто кого? Человечеству пора переходить к гармоничному, «взаимовыгодному» сотрудничеству с удивительной и щедрой планетой, на которой оно совершает свое путешествие по космическому пространству. И «астрономия наоборот», космическое землеведение — уникальный инструмент для планомерного осуществления такого перехода.
 На снимке, полученном с орбитальной станции «Скайлэб», изображен тот же район. Благодаря применению цветной инфракрасной пленки более четко прослеживается ряд деталей. Например, легче идентифицируются и различаются поля сельскохозяйственных культур. Красным цветом выделяется активно вегетирующая в зимний период растительность (цитрусовые, кормовая трава люцерна и др.). |
Обзор подготовил
АЛЕКСАНДР МОРОЗОВ