Зарождение ураганов, сбор урожая и экономия энергии. Зачем еще нужны данные из космоса?

Сегодня состоялся запуск ракеты-носителя Falcon 9 компании SpaceX со спутником SWOT (Surface Water and Ocean Topography) в рамках совместной франко-американской миссии. В ней также принимают участие Канадское космическое агентство (CSA) и Космическое агентство Соединенного Королевства (UKSA). Как указывается на сайте NASA, аппарат будет выведен на низкую околоземную орбиту высотой 890 км. Новый спутник позволит наиболее точно определить уровень Мирового океана, а также лучше понять механизмы круговорота воды в природе и усовершенствовать контроль за водными ресурсами на планете.

Среди нескольких сотен научных космических аппаратов, работающих на орбите Земли, большая часть занимается ее дистанционным зондированием. Человечество запускает спутники, чтобы с высоты максимально удобно изучать нашу планету. Первые снимки Земли были получены американцами в 1946 году, когда запущенная в США с полигона Уайт-Сэндс ракета "Фау-2" вышла на суборбитальную траекторию с апогеем 105 км и сделала серию фотографий. Оставалось еще более десяти лет до запуска первого спутника, а космический снимок планеты уже был сделан.

Автоматические космические аппараты по дистанционному зондированию Земли (ДЗЗ) появились позже, в 60-е, и развивались все последующие годы. В настоящее время данные дистанционного зондирования Земли используются во множестве самых разных отраслей народного хозяйства. Без данных, получаемых из космоса, не могут полноценно трудиться метеорологи, геологи, спасатели, фермеры и многие другие специалисты. Как же это работает?

Изображения и не только

Космические аппараты дистанционного зондирования Земли находятся в постоянной работе и генерируют огромное количество самых разных данных. Это изображения в различных диапазонах от видимого до радио-, данные радиолокационного обзора.

В зависимости от решаемых задач и требуемых данных спутники имеют разные рабочие орбиты и полезную нагрузку. Например, гидрометеорологические аппараты серии "Электро-Л" находятся на геостационарной орбите. Скорость движения объектов на этой орбите синхронизирована с вращением Земли, и для наблюдателя на Земле эти космические аппараты всегда находятся над одной точкой. Это очень удобно для спутников связи или для таких аппаратов, как "Электро-Л", получающих изображения Земли с дальнего расстояния.

При помощи многозонального сканирующего устройства гидрометеорологического обеспечения (МСУ-ГС) каждые 30 минут он делает снимки Земли в трех видимых и семи инфракрасных спектральных каналах. Высота геостационарной орбиты — 35 786 км над уровнем моря, поэтому спутник снимает весь земной шар целиком, при этом получаются изображения с разрешением 1 км на пиксель (в инфракрасном диапазоне — 4 км на пиксель). На таких снимках метеорологи видят зарождение ураганов, снежный покров в масштабах планеты, крупномасштабные изменения атмосферы.

Для чего нужно получать изображения в невидимом нами спектре — от 700 до 12 тыс. нм? Применений у них очень много, они позволяют увидеть то, что в видимом спектре глазу не разобрать. Например, вода поглощает волны в ближнем инфракрасном диапазоне, поэтому это полезно для определения границы между земельными и водными объектами, которые не всегда различимы в видимом свете. Изображения в среднем инфракрасном канале могут показать лесные пожары или определить количество влаги в облаках, что очень важно для метеорологов.

А есть еще и тепловой, или длинноволновый, инфракрасный диапазон, включающий в себя длины волн между 8 тыс. и 12 тыс. нм. На изображениях в этом диапазоне отлично видны источники тепла, можно определить, насколько прогрелась почва и когда пора сажать сельскохозяйственные культуры в том или ином регионе.

И это только один из приборов космического аппарата "Электро-Л". А ведь на его борту еще есть гелиогеофизический аппаратурный комплекс с семью сенсорами, среди которых спектрометры и детекторы электронов и протонов, измерители солнечной постоянной, рентгеновского и ультрафиолетового излучения Солнца и даже измерители вектора магнитного поля. Используя полученные с аппаратов "Электро-Л" и его "собрата" "Арктики-М" данные, ученые составляют максимально точные карты погоды — температуры, влажности, давления и ветра. А ведь это далеко не только прогноз погоды для жителей страны, это возможность более экономно использовать энергию для обогрева помещений, более эффективная уборка дорог и многое другое.

И все это только на одном космическом аппарате. А ведь есть еще множество спутников, работающих гораздо ближе к Земле, чем геостационарная орбита. С их помощью получаются изображения с гораздо более высоким разрешением, до нескольких десятков сантиметров на пиксель. Естественно, что и полоса обзора у сканирующих устройств и камер таких аппаратов меньше, всю планету он не видит, а снимает небольшую полосу шириной несколько километров. Поэтому такие космические аппараты приходится постоянно перенацеливать, задавать им съемку наиболее интересных участков местности и объектов.

Время для обработки

В результате получается, что космические аппараты дистанционного зондирования Земли постоянно генерируют огромное количество информации. Но если ее не обрабатывать и не интерпретировать корректно, она вся останется мертвым грузом. И вот тут в дело вступают ученые и специалисты из самых разных научных институтов страны, работающие с такими данными.

Их работа как раз и состоит в создании новых способов обработки данных и их применении.

Используя полученные снимки, при совместной обработке данных в разных диапазонах можно получить информацию, которую без помощи обработки просто не увидеть. К примеру, специальная обработка позволяет изучать наводнения, хотя в видимом спектре залитые водой территории не особо видны. Для того чтобы их определить, нужен синтез ближнего инфракрасного и зеленого каналов, потому что грязная вода сливается с коричневой землей при естественной цветопередаче. Или как различить лед и снег для изучения ледовой обстановки, ведь для глаза все оттенки белого и светло-серого сливаются в один. В этом случае нужен ближний инфракрасный свет, чтобы подчеркнуть разницу между облаками, состоящими из водяного пара, льдом и снегом, которые являются белыми в видимом диапазоне.

По итогу учеными создаются программы-сервисы, которые нужны конечным пользователям. Если просто дать агроному спутниковый снимок полей его хозяйства, это никак не поможет в работе. А вот сервис, выдающий тепловые карты температуры полей на разных участках, уже будет очень полезен и позволит правильно распределить сроки посадки пшеницы в зависимости от того, где земля лучше прогрелась, где выше влажность. Если в масштабах 1–2 га эти данные можно и вручную получить, то на огромных территориях без помощи из космоса не обойтись.

И вот такие научные исследования, которые постепенно становятся полезными и удобными для конечных пользователей, сервисами ведутся постоянно. Карты незаконных вырубок лесов, ледовая обстановка на Северном морском пути, территории, где не хватает азотных удобрений. Все эти данные можно получить, используя космические аппараты для дистанционного зондирования Земли. Даже геологические изыскания, поиск полезных ископаемых в современном мире начинается с изучения спутниковых снимков. Именно на них по косвенным данным, измененному цвету растительности или отличию в температурных режимах, можно с высокой степенью вероятности предположить залегание полезных ископаемых.

Отдельно надо сказать о важности спутниковых данных для экологии. К примеру, при помощи радиолокационных изображений специалисты могут обнаружить даже небольшие нефтяные загрязнения на морской поверхности. Определение и быстрое предупреждение о возможном разливе нефтепродуктов — это наиболее эффективная стратегия борьбы с загрязнениями. И лучше, чем космические аппараты, с этим никто не справится. Они могут обнаружить нефтяное пятно, точно локализовать его границы и следить за разливом до момента прекращения аварии и завершения работ по ликвидации загрязнения.

Космические аппараты для дистанционного зондирования Земли — это невидимые, но такие важные помощники, позволяющие увеличить эффективность в самых разных, казалось бы, таких неожиданных отраслях. Собирать больше урожая, следить за экологией, предупреждать катастрофы и искать полезные ископаемые. Спутники ДЗЗ стали поистине незаменимым инструментом для тысяч специалистов, уже не представляющих своей работы без космических "глаз и ушей".

Автор благодарит за помощь в подготовке материала старшего научного сотрудника ИКИ РАН Михаила Бурцева