«Земля и Вселенная» 2002 №3, с. 16-25

Мониторинг земной поверхности с околоземной орбиты незаменим при исследовании географической оболочки, изучении природных ресурсов, прогнозировании и оценке последствии природных и техногенных катастроф. Реализация проекта такого мониторинга ("Ураган") началась еще на орбитальном комплексе "Мир". Теперь он продолжен с борта Международной космической станции (МКС). Познакомимся с открывшимися новыми возможностями мониторинга окружающей среды.

НЕИЗБЕЖНАЯ ЖЕРТВА

23 марта 2001 г. некоторые элементы конструкции ОК достигли глубоководной впадины Тихого океана. Закончился 15-летний полет пилотируемой орбитальной станции "Мир". С 20 февраля 1986 г. она выполнила более 90 000 витков. При снижении "Мира" в плотных слоях атмосферы сгорело несколько тонн научной аппаратуры, в том числе приборы наблюдения и съемки земной поверхности. Доставка всего этого с орбиты на Землю стоила бы слишком дорого. Завершение функционирования комплекса "Мир" закономерно (Земля и Вселенная, 2001, № № 2, 5).

Особенно ощутимой оказалась потеря оптического визира ОД-5 — прибора массой более 100 кг, с помощью которого космонавты могли наблюдать земной ландшафт с увеличением от 25 до 80 раз, различая детали размером 1-2 м.

Вместе с "Миром" погибли самые современные фотоаппараты, спектрометры, радиометры и другие приборы, установленные на модулях "Спектр" и "Природа" (Земля и Вселенная, 1997, № 3) для мониторинга природной среды.

Казалось бы, важнейшие эксперименты остановились, однако в те мартовские дни, когда орбитальный комплекс "Мир" заканчивал свое существование, российские космонавты Юрий Гидзенко и Сергей Крикалев уже изучали земные ландшафты с борта МКС по проекту "Ураган", разработанному Ракетно-космической корпорацией "Энергия" им. СП. Королева и Институтом географии РАН (ИГРАН).

Проект реализуется на МКС в тесном сотрудничестве космонавтов с географами и геофизиками. В анализе поступающей информации активное участие принимают преподаватели Географического факультета МГУ и специалисты многих других вузов, НИИ и исследовательских лабораторий.

"УРАГАН" НАД ПЛАНЕТОЙ

Важнейшее отличие проекта "Ураган" от всех более ранних программ съемок земной поверхности с борта советских и российских орбитальных станций — использование цифровых фотоаппаратов. Такие камеры защищают снимки от гамма-излучения, ведь, как правило, экспонированные фотопленки долго остаются на борту. Определенного времени требуют фотохимическая обработка, оцифровка изображений и другие процессы. Сегодня момент съемки и начало научной интерпретации снимков обычно разделяют только часы или даже минуты.

Высокая оперативность съемки дает возможность помимо решения традиционных задач природоведения исследовать быстропротекающие процессы, в том числе природные и техногенные катастрофы.

Эксперименты проекта "Ураган" с самого начала показали большую результативность. История этих исследовании восходит к 1974 г., когда для экипажей орбитальной станции "Салют-4" была разработана и осуществлена первая программа, ее авторы — Л.В. Десинов и А.Д. Коваль. Техническое обеспечение осуществляли специалисты РКК "Энергия": М.Ю. Беляев, В.Ф. Домышев, И.А. Фирсов и другие. В подготовке экипажей участвовал большой коллектив, в том числе А.Н. Евгущенко и Ю.Н. Юрин. Особое внимание этим экспериментам уделял начальник Центра подготовки космонавтов дважды Герой Советского Союза летчик-космонавт Г.Т. Береговой (1921-1995).

Теперь не верится, что тогда в учебные программы подготовки космонавтов по природоведению удавалось включать ежегодные полеты (по 5-8 в год) над всеми природными зонами территории бывшего Советского Союза, от западных границ до Камчатки. Очень часто предоставлялся тот самый Ту-134, на котором прилетел в Москву Ю.А. Гагарин после приземления в саратовской степи в апреле 1961 г. Всю штурманскую часть подготовки аэровизуальных наблюдений осуществлял первый заслуженный летчик-штурман СССР Н.С. Зацепа.

Наблюдения и съемки, выполненные в 1974-79 гг. В.В. Рюминым, Г.М. Гречко, В.В. Коваленком, А.С. Иванченковым, В.П. Савиных и другими космонавтами, и сегодня составляют базовую информацию для мониторинга многих районов земной поверхности, а методика и результаты исследований тех лет являются фундаментальной основой исследований начала XXI в.

"Разминкой" перед началом экспериментов на МКС стали исследования на орбитальной станции "Мир" в рамках программы сотрудничества с учеными США. Совместный проект "Динамика окружающей среды" (дистанционное зондирование и наблюдения в миссиях "Мир-Шаттл"), результаты которого опубликованы в 2000 г. в сборнике, вышедшем в Нью-Йорке, оказался очень эффективным не только с точки зрения полученных научных результатов. Это долговременное сотрудничество дало бесценный опыт взаимодействия ученых и специалистов по космическим полетам двух стран, который сегодня так необходим, ведь управление полетом осуществляется при взаимодействии Центров управления полетами (ЦУП) городов Хьюстон и Королев.

ВСЯ ПРИРОДА ЗЕМЛИ

Строго говоря, название проекта "Ураган" не полностью отражает его содержание, ведь в задачи наблюдений и съемок входит фиксирование не только бурных проявлений природы на нашей планете. Природные и техногенные катастрофы — это только часть проекта. В нем предусмотрены также общий мониторинг природной среды, исследования географической оболочки, экологические наблюдения и съемки (включая "позитивную" экологию — жизнь природных резерватов: заповедников, национальных парков, заказников).

Проект имеет как научное назначение,так и практическое — получить информацию для нужд государственных предприятий и крупных частных фирм.

Организаторы экспериментов живо откликаются на требования партнеров. Например, в тех случаях, когда информация нужна географам и экологам, классификация задач осуществляется в соответствии с распределением ролей между институтами Академии наук. Исследования в интересах Министерства по чрезвычайным ситуациям (МЧС) сформулированы в соответствии с законом РФ "О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера" и "Положением о классификации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера", утвержденными постановлением Правительства РФ.

В классификации чрезвычайных ситуаций — 24 блока. В проекте "Ураган" рассматриваются 34 чрезвычайные ситуации (пока только из 11 блоков, которые с учетом минимального технического оснащения МКС в 2001-02 гг. реальны для их мониторинга).

Совместные работы с организациями Министерства природных ресурсов РФ разделены на четыре части: водное хозяйство, лесная служба, геология и экология.

Опыт первых четырех экспедиций на МКС показал, что принятая в системе МЧС классификация весьма рациональна и может послужить основой взаимодействия партнеров при изучении опасных природных и техногенных явлений. Классификация дает представление о половине задач, решаемых проектом "Ураган". Приводим ее полностью, чтобы продемонстрировать читателю весь спектр исследований.

Чрезвычайные ситуации природного характера. Геофизические опасные явления: землетрясения, извержения вулканов. Геологические опасные явления (экогенные геологические явления): оползни, сели, обвалы, осыпи; лавины, абразия, эрозия, пыльные бури. Морские гидрологические опасные явления: тропические циклоны (тайфуны), цунами, ранний ледяной покров и припай, напор льдов, их интенсивный дрейф, отрыв прибрежных льдов. Гидрологические опасные явления: высокие уровни воды (наводнения), половодья, дождевые паводки, ледовые заторы на реках, ветровые нагоны, ранний ледостав и появление льда на судоходных водоемах и реках. Пожары: лесные, торфяные и степные.

Чрезвычайные ситуации техногенного характера.

Транспортные катастрофы: аварии речных, морских грузовых и пассажирских судов, аварии на магистральных трубопроводах.

Гидродинамические аварии: прорывы плотин (дамб, шлюзов, перемычек) с образованием волн прорыва и катастрофических затоплений.

Чрезвычайные ситуации экологического характера, связанные с изменением состояния суши (почвы, недр, ландшафта): катастрофические просадки и оползни, обвалы земной поверхности из-за выработки недр при добыче полезных ископаемых и другой деятельности человека, интенсивная деградация почв, опустынивание обширных территорий из-за эрозии, засоления, заболачивания почв.

Чрезвычайные ситуации, связанные с изменением состояния гидросферы (водной среды): истощение водных ресурсов, необходимых для организации хозяйственно-бытового водоснабжения и обеспечения технологических процессов, нарушение хозяйственной деятельности и экологического равновесия вследствие загрязнения зон внутренних морей и Мирового океана.

Чрезвычайные ситуации, связанные с изменением состояния биосферы: гибель растительности на обширной территории.

НОВЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ

К настоящему времени завершены четыре этапа проекта. Эксперименты выполняли: Юрий Гидзенко и Сергей Крикалев — с ноября 2000 г. по март 2001 г.; Юрий Усачев с марта по август 2001 г.; Владимир Дежуров и Михаил Тюрин — с августа по декабрь 2001 г.; Юрий Онуфриенко — с 17 декабря 2001 г.

Для каждой экспедиции космонавтов Институт географии РАН разрабатывает свою программу исследований, которая в виде бортовой документации на сидироме передается на МКС и вводится в отдельный компьютер. Каждое задание сопровождается ранее полученными космическими, а зачастую аэрофото— и наземными снимками.

Извержение 25 июля 2001 г. вулкана Этна (вид со стороны Апеннинского полуострова). Клубы дымовых выбросов, прослеженные до Персидского залива, рассеялись над Индостаном. Снимок сделан Юрием Усачёвым.

Картографическая поддержка экипажа осуществляется с помощью программы "Сигма", созданной в РКК "Энергия". Установленная на МКС, в ЦУП, в РКК "Энергия" и в ИГРАН, эта программа дает возможность определить положение МКС, прогнозировать ее трассу на месяцы вперед и реставрировать трассу вплоть до старта первого элемента МКС — российского модуля "Заря". "Сигма" рассчитывает условия освещенности и показывает места расположения Солнца и Луны относительно орбиты. С ее помощью можно легко моделировать визуальные наблюдения земной поверхности через многие иллюминаторы, определять расстояние до объекта и угол, под которым может осуществляться съемка и т.п. Космонавты имеют возможность подготовиться к сеансу, учитывая его целевое назначение и "привязку" к местности, выбрать наиболее удачные условия.

Все космонавты перед полетом проходят подготовку в Звездном городке, изучая задания проекта "Ураган" под руководством ученых ИГРАН. К сожалению, в настоящее время в программу подготовки не входят аэровизуальные облеты тестовых полигонов. В дальнейшем нужно будет дополнить ими программу.

Во время полета ученые ИГРАН совместно с Группой целевых нагрузок Главной оперативной группы управления полетом осуществляют долгосрочное и оперативное планирование заданий космонавтам. Они консультируют их во время наблюдений и съемок. Полученная информация оперативно анализируется в ИГРАН, а к дешифрированию и анализу привлекают специалистов из смежных организаций.

Основной объем цифровой фотоинформации поступает по схеме "борт МКС — ЦУП г. Хьюстон — ЦУП г. Королев — ИГРАН".

В первой экспедиции, когда в проекте "Ураган" использовался только пленочный фотоаппарат "Хассельблад", научная информация оказалась существенной, но практическая отдача — минимальной, т.к. специалисты NASA передали снимки российской стороне спустя несколько месяцев после их оцифровки. Теперь эта камера применяется для получения данных, имеющих только научное значение.

Во второй экспедиции для съемки стал применяться цифровой фотоаппарат Kodak DCS 460, и результативность экспериментов резко возросла. Его кадр размером 3012 х 2048 пикселей обеспечивает при съемке в надир с высоты около 400 км при объективе F = 800 мм охват площади — 16 х 11 км с разрешением на местности около 5 м, а при объективе F = 400 мм — площади 32 х 22 км (разрешение на местности = 10м). Применяя короткофокусные объективы, космонавты фотографируют территории на дальность до 1500 км с большой перспективой и охватом. Для смены объектива достаточно нескольких секунд.

В третьей экспедиции дополнительно к цифровой фотокамере стал применяться аналоговый видеокомплекс LIV. Он обеспечивает: формирование видеосигнала, запись его на магнитофон, оперативный просмотр и анализ изображения на мониторе, передачу сигнала в ТВ-систему орбитального комплекса для последующего сброса по каналам связи в ЦУП.

Оцифровка изображений и их ввод в компьютер в видеокомплексе LIV не предусмотрены.

В четвертой экспедиции в дополнение к названным камерам на борт МКС доставлен отечественный прибор "Рубинар" — бинокулярная зрительная труба, дающая при визировании в надир разрешение на местности около 3 м. Прибор оснащен цифровой видеокамерой. Кроме того, на борту появилась и новая камера Kodak DCS 760.

Дальнейшее наращивание технических возможностей проекта "Ураган" связано прежде всего с необходимостью разработки и доставки на борт тепловизора с геометрическим разрешением лучше 30 м и температурным — не хуже 0.1°.

За первые полтора года работы на борту МКС космонавты передали постановщикам экспериментов "Урагана" около 400 цифровых фотоснимков, полученных камерой Kodak DCS 460. Видеокамерой LIV отсняты десятки маршрутов при прохождении над многими природными зонами мира. С помощью прибора "Рубинар" получены первые результаты наблюдений небольших объектов. По существу, завершен экспериментальный этап исследований, а дальнейшая работа приобретает все более практический характер.

Остановимся на некоторых примерах, демонстрирующих возможности съемки с МКС.

Снимок вулкана Этна на острове Сицилия сделан в июле 2001 г. в тот момент, когда станция приблизилась к вулкану с северо-запада. Космонавт Владимир Дежуров использовал короткофокусный объектив, чтобы показать общую картину извержения. А когда МКС пролетала над вершиной Этны, с помощью объектива с фокусным расстоянием 800 мм сфотографировал ее кратер. Установлено, что основным очагом является не главный кратер, а боковой источник. Серия таких снимков дает полное представление о развитии извержения.

Таким образом, используя все объективы, космонавты имеют возможность получать детальную информацию о любом предмете исследований и показать его состояние и взаимодействие с окружающей природной средой в региональном аспекте.

В июле 2001 г. выполнялись съемки по просьбе МЧС Республики Таджикистан. В те дни из-за отсутствия финансовых возможностей практически прекратились наблюдения за снежно-ледовой обстановкой в горах Памира и Сарезским озером, возникшим в 1911 г. в результате обвала горных пород. Они перегородили долину реки Мургаб плотиной более 500 м в высоту, и сегодня за ней накопилось более 15 км³ воды. Озеро входит в число природных объектов, представляющих особую опасность для населения и инженерных сооружений Таджикистана, Узбекистана, Туркмении и Афганистана из-за опасности водно-селевой катастрофы. В настоящее время обсуждается проект оснащения горного обрамления озера и его акватории датчиками и телеметрической аппаратурой дистанционного контроля.

Выполненная Юрием Усачёвым съемка Центрального Памира показывает горную страну целиком. Снимок дает возможность оценить снежно-ледовую обстановку и сделать вывод об отсутствии угрозы плотине по гидрологической причине: таяние снега и льда в 2001 г. не привело к повышенному поступлению воды из бассейна реки Мургаб, т.к. запасы снега были минимальны.

Космонавты Владимир Дежуров и Михаил Тюрин, работающие на Международной космической станции по программе "Ураган".

Через 5-6 с космонавт вновь сфотографировал Памир, установив объектив F = 800 мм. Камера была направлена на плотину Сарезского озера. Получен снимок с разрешением на местности около 5 м, фиксирующий разломную тектонику склонов озера. Сравнивая это изображение с известными картами разломов Сареза, можно сделать вывод об отсутствии угрозы и со стороны тектонических факторов. По снимку также можно судить и о состоянии каналов фильтрации воды сквозь плотину.

В результате эксперимента ученые пришли к заключению, что при периодическом оперативном получении таких снимков возможно прогнозировать катастрофические события по индикаторам оползней и обвалов. Будет фиксироваться состояние природных объектов и технических сооружений ниже плотины Сарезского озера на всем протяжении рек Мургаб, Бартанг, Пяндж, Амударья.

В феврале 2001 г. началась очередная подвижка пульсирующего ледника Медвежий в горах Памира. В феврале — августе 2001 г. он продвинулся более чем на 500 м и приблизился к скалам левого борта долины реки Абдукагор, угрожая перекрыть ее ледовой плотиной.

Ледник Медвежий — самый известный пульсирующий ледник мира. За 35 лет наблюдений гляциологи Института географии РАН собрали наиболее полный объем наземных сведений о ледниковых подвижках.

Пульсирующие ледники периодически наступают. Дальность продвижения может быть от десятков метров до нескольких километров. Во многих случаях эти подвижки остаются незамеченными. Но когда наступающий ледник перекрывает боковое ущелье, за ледовой плотиной высотой от 10-20 м до 150-200 м возникает напорное озеро, неминуемый прорыв которого в результате таяния льда вызывает мощный паводок. Как правило, такой сель наносит большой ущерб хозяйственной деятельности, а порою приводит к гибели людей.

Наступающий ледник невозможно остановить преградой, взрывами или иным способом. Этот "бульдозер" легко расправляется с любым препятствием на своем пути.

Пульсации ледников периодически повторяются. Последние подвижки ледника Медвежий пришлись на 1963 г., 1973 г., 1989 г. Начало очередного наступания ледника точно не было известно. Его заметили с орбиты космонавты МКС в феврале 2001 г. Ледник Медвежий труднодоступен, и его постоянный мониторинг с помощью аэрофотосъемки и вертолетных наблюдений очень дорог (1 рабочий день — 6-7 тыс. долларов США), поэтому необходим контроль за ледником из космоса.

В начале подвижки вдоль бортов ледника в зоне активизации возникают трещины, которые хорошо видны с орбиты в виде непрерывной темной линии, отделяющей активную часть языка от обоих горных склонов.

Ледник Медвежий в горах Памира к 25 июня 2001 г. замер всего в 50 м от скал левого борта долины Абдукагор. Закрыв 500-м участок долины слоем льда толщиной около 100 м, глетчер все-таки не перекрыл реку Абдукагор ледовой плотиной. Катастрофа в виде водно-ледового селя пока не наступила, но в верховьях ледника накоплена такая избыточная порция льда, что она все же может произойти.

Ниже активной части язык ледника всегда имеет вогнутый профиль, а лед там закрыт чехлом морены. Он создан валунами и щебенкой, вытаявшими из льда, питающего горную реку. Но в самой нижней части активной зоны формируется выпуклый вал, который используется как главный дешифровочный признак. Снимок показывает, что ледник уже перемещается по ложу долины: его фронт четко очерчен крутыми бортами.

Когда фронтальная стена льда достигнет выхода из ледниковой долины (трога), лед растечется в виде характерной "лапы" и подвижка ледника завершится. Все новые порции льда будут нагнетаться к "лапе", расширяя ее. В перекрытой боковой долине реки Абдукагор начнется накопление воды. Через несколько недель или месяцев плотина будет размыта, и может произойти катастрофа в виде водно-ледового селя. Такой прогноз читается по серии космических снимков.

Экипажи основных экспедиций МКС регулярно сообщают о грандиозных пыльных бурях, очаги которых охватывают площадь в несколько тысяч квадратных километров. Зачастую, возникнув, скажем, в пустыне Сахара, шлейф песка и пыли распространяется до середины Атлантики, порой достигая Американского материка. А иногда им навстречу устремляются мощные потоки пыли из горных пустынь Америки. Они, несомненно, влияют на климат планеты, и не только на климат. Случается, что принесенный ветром песок засыпает толстым слоем населенные пункты, и люди вынуждены покидать свои дома. Пыльные бури приводят к миграции населения.

Так выглядит участок аридной (сухой) полупустыни на месте бывших нефтепромыслов в Прикаспии. Огромные объемы смеси нефти и воды, сброшенные в понижения рельефа, ждут своего часа, когда нагонная волна смоет их в Каспий. Снимок сделан в третьей декаде августа 2001 г. В. Дежуровым и М. Тюриным.

Среди задач экологического мониторинга для экипажей МКС самой актуальной является периодическая съемка района месторождений углеводородного сырья в Прикаспии, где надвигается крупнейшая катастрофа. Ее первые признаки — недавняя гибель десятков тысяч тюленей в Каспийском море, первопричиной которой стало отравление нефтепродуктами, уже попавшими в воды Каспия.

На северо-восточном побережье Каспийского моря в пределах Казахстана расположены крупные нефтяные месторождения, часть которых разрабатывается в течение многих лет. Эта территория представляет собой равнину, возвышающуюся на несколько метров над уровнем Каспийского моря.

Технологическое несовершенство разведки и добычи нефти привело к тому, что в результате ее разлива при извлечении попутных подземных вод и образовались водно-нефтяные "озера". Как правило, их поперечные размеры составляют несколько сотен метров, в отдельных случаях — 1-2 км. Часть этих "озер" для предотвращения дальнейшего разлива окружают валами. Но эти ограждения недостаточно надежны.

Постоянные колебания уровня Каспийского моря, как многолетние, связанные с изменением водного баланса, так и кратковременные, но значительные (до 3 м), вызванные ветровым нагоном, повышают вероятность затопления северо-восточной береговой зоны. Обвалованные "озера" могут подвести, и нефть поступит в воды Каспия. Мониторинг помогает определить возможности идентификации техногенных озер на побережье Каспийского моря и обнаружить признаки его нефтяного загрязнения.

Особое место в программе исследований отводится съемкам в зимнее время промышленных городов России. По просьбе экологов Украины и Казахстана также выполняется мониторинг некоторых городов этих стран. Такие съемки очень эффективны для фиксирования ареалов распространения твердых частиц из заводских труб и с мест добычи полезных ископаемых открытым способом. На фоне снега в зависимости от "розы ветров" очень заметны загрязненные площади. При длительном мониторинге проявляется полная картина экологической ситуации.

С помощью мониторинга по проекту "Ураган" определен, например, как один из очень экологически неблагополучных городов России город Ангарск. Даже на летнем снимке четко дешифрируются плотный смог и многочисленные источники выброса твердых частиц из труб предприятий нефтехимической промышленности.

Специалисты в области космического природоведения высоко оценивают съемки, выполненные космонавтами с борта МКС. Но это только начало. Результативность проекта будет постепенно возрастать, поскольку технические возможности российского сегмента МКС постоянно наращиваются. Теперь на повестке дня — комплексные наземно-авиакосмические эксперименты с активным участием частных фирм и государственных организаций, а также синхронные подспутниковые измерения на объектах космического мониторинга.

Самые актуальные проблемы проекта "Ураган" — увеличение пропускной способности российской радиолинии для передачи снимков на Землю и оснащение наземного комплекса обработки и анализа данных современной аппаратурой.

(Все снимки взяты из фонда Института географии РАН)

На стр. 3 обложки: Вверху — перспективный снимок Центрального Памира (сделан 25 июня 2001 г.). Примерно так и даже мельче видят горные страны космонавты невооруженным глазом. Тренированные космонавты даже при скорости полета более 7 км/с легко находят их и делают снимок объективом с фокусным расстоянием 800 мм. Возникает ощущение, что снимок получен при аэрофотосъемке. Космонавт Ю.В. Усачёв очень точно выбрал ракурс и момент съемки. Внизу — Сарезское озеро (Таджикистан) теряется среди горного рельефа. Фото РКК "Энергия" (к ст. М.Ю. Беляева и Л.В. Десинова).