Роль спутниковой альтиметрии в науках о Земле
В прошлом году на всемирно известном саммите «Один океан» генеральный директор ЮНЕСКО Одрэ Азуле объявил о намерении нанести на карту не менее 80 % морского дна по сравнению с теми 20 %, которые есть сейчас. Для оценки современного состояния Мирового океана будут использованы массивы океанографических наблюдений, включая данные дистанционных методов зондирования Земли из космоса – измерения посредством спутниковой альтиметрии.
Мы поговорили с ведущим российским специалистом по спутниковой альтиметрии, доктором физ.-мат. наук, профессором кафедры ВМ-1 МИЭТа Сергеем Лебедевым об актуальных исследованиях в области спутниковой альтиметрии и о том, какие проблемы сегодня стоят перед учеными, изучающими науки о Земле с помощью этого метода.
– Сергей Анатольевич, что такое спутниковая альтиметрия?
– Спутниковая альтиметрия – это один из активных методов дистанционного зондирования Земли. Радиосигнал посылается с борта спутника перпендикулярно подстилающей поверхности, и по времени возвращения зондирующего импульса определяется расстояние между ними. Зная орбиты спутника, определяется высота подстилающей поверхности. Это может быть как морская подстилающая поверхность, так и высота льда, для измерения которого используются специальные альтиметры. Процесс непрерывных альтиметрических измерений идет с 1992 года, поэтому по тем данным, которые есть сейчас мы можем определять, как изменяется уровень мирового океана, отдельных морей, и, в принципе, любого водного объекта, над которым регулярно пролетает спутник.
– Для чего это нужно?
– Во-первых, если мы рассматриваем водохранилища, то в каждом из них есть пороговый уровень воды, выше которого нельзя подниматься. С помощью спутниковой альтиметрии мы можем делать прогнозы по времени, когда увеличится сброс воды в водохранилище через плотину. Плотины, как правило, строятся каскадом, и водохранилище должно ориентироваться на увеличение сброса воды, чтобы не наступило критическое вододостижение. В частности, эта проблема актуальна для Каспийского моря, потому что его уровень, начиная с 1937 года, сначала упал почти на 3 метра, потом вырос на 2 метра, а сейчас опять падает. Такое положение дел можно смело назвать экологической катастрофой: оно приводит к уменьшению воды в дельте Волги, где идет нерестилище многочисленных рыб, включая осетровых.
Во-вторых, представьте, что у вас есть причал, к которому вы всегда подходили, а в один момент вода ушла. Вам нужно переносить причал или строить новый. Такая же ситуация с железной дорогой: если вода поднимется, поднимутся грунтовые воды, устойчивость дороги окажется под угрозой.
В-третьих, можно измерять, насколько уменьшается рельеф ледовых щитов Антарктиды и Гренландии. Это очень важно, так как морской лед, который нарастает и тает в морской воде, повышения уровня воды не дает, а повышается уровень только за счет таяния ледников. Применяя альтиметрию, мы можем это наблюдать и принимать соответствующие меры. Антарктида у нас считается необитаемой, а вот в Гренландии на побережье есть поселки, которые могут накрывать сползающие ледники. Спутниковая альтиметрия позволяет оценить скорость сползания ледников и заранее эвакуировать население.
– А ситуацию с Каховской ГЭС можно было спрогнозировать с помощью спутниковой альтиметрии?
– Теоретически да, но ведь альтиметрия жестко привязана к пролетам спутника, поэтому если бы спутник проходил через Каховскую ГЭС, то можно было бы смотреть, что там происходит: например, увидеть сброс водохранилищ, которые выше по каскаду. Впрочем, если бы спутник там и был, то альтиметрия не может использоваться в режиме реального времени, так как это именно аналитический пролонгированный метод. Не так давно в мире проводились исследования, где по спутниковой альтиметрии обнаруживали волны цунами рядом с АС «Фукусима-1» и волны цунами 2004 года в Индийском океане. Но это было сделано постфактум – с исследовательскими целями. Единственное, что в режиме реального времени можно определить – это высота волны. Для нее точность расчета орбиты не важна, и спутниковая альтиметрия – единственный метод дистанционного зондирования, который позволяет делать такие замеры.
– В своей докторской диссертации вы рассказывали об исследованиях Каспийского моря. Что там сейчас происходит?
– Последние исследования Каспийского моря были посвящены водообмену между его различными частями. На основании этих исследований было выдвинуто предположение о том, что уровень Каспийского моря не зависит от стока реки Волги. То есть, сток Волги не меняется, а уровень Каспийского моря продолжает падать.
– А в чем причина?
– Скорее всего, это связано с изменением атмосферной циркуляции над Каспийским морем. Если раньше, в основном, приходили ветра с Кавказа, которые были достаточно богаты осадками, то сейчас, видимо, приходят ветра с восточного побережья, где у нас расположена пустыня. Пока это гипотеза, но есть вариант, что уменьшается количество осадков и увеличивается испарение.
– Чем глобально это может грозить?
– Это грозит экономике. Сейчас есть решение правительства о строительстве так называемого Южного коридора, который предполагает, что часть грузов будет перевозиться по Каспийскому морю в Иран, а дальше в Персидский залив и т.д. Даже говорят о том, что будет построена железнодорожная ветка от Баку в сторону Ирана. Но если уровень моря падает, то на этом заканчивается вся портовая инфраструктура. Сам проект Южного коридора может не заработать. Конечно, мы его можем построить, но затраты на его поддержание будут гораздо больше, чем на его создание.
– А примерно сколько нам нужно лет, чтобы утвердить динамику падения уровня в Каспийском море?
– Я вам скажу так: ни один прогноз по поводу поведения Каспийского моря еще не оправдался. То есть, можно считать, что причина падения до сих пор не ясна. Больше скажу, есть еще одна нерешенная проблема: в связи с падением уровня Каспийского моря может остановиться отток морской воды в залив Кара-Богаз-Гол. Там, где море впадает в залив, расположен двухметровый морской водопад, возле которого живут краснокнижные нерпы. Обмеление Каспия, несомненно, несет экономический ущерб: без притока Каспийского моря Кара-Богаз-Гол начнет высыхать и может произойти такая же ситуация, как с Аральским морем. Будет осушаться дно, на котором осядет соль, ветром ее будет разносить, в том числе и по сельскохозяйственным угодьям, а это чревато засолением плодородных земель. А если учесть, что соль Аральского моря уже обнаружили на ледниках Тибета, то, сами понимаете, ничего хорошего это не предвещает.
– Как вы используете свой практический опыт при работе со студентами МИЭТа?
– В прошлом году мой студент Андрей Сахно окончил бакалавриат, и сейчас продолжает работать над темой «Ассимиляция данных спутниковой альтиметрии в модели Черного моря». Еще один студент оканчивает магистратуру – Денис Гончаров. С ним мы пробуем усовершенствовать модель растекания нефтяного пятна в акватории Черного моря. Эта работа будет делаться с помощью математического моделирования. В моем продолжающемся проекте по Каспийскому морю, который сейчас идет в рамках программы Российского научного фонда, тоже принимают участие студенты из МИЭТа. С двумя миэтовцами второго курса скоро будем работать с классификацией формы отраженного импульса и выбором оптимального способа решения линейных уравнений для алгоритма ретрекинга, то есть для обработки форм отраженного импульса – нового алгоритма или метода обработки именно альтиметрических измерений.
– Недавно вам присвоили звание почетного профессора Майкопского технологического университета. Что было оценено?
– Во-первых, оценен вклад в создание фундаментального исследования «The Republic of Adygea Environment», посвященного окружающей среде Республики. За нее также мне была присвоена государственная премия. Во-вторых, в Майкопе работает лаборатория геоинформатики и рационального природопользования, где я являюсь заведующим. Также, начиная с 2009 года, раз в два года я принимаю участие в подготовке и работе Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные аспекты геологии, геофизики и геоэкологии с использованием современных информационных технологий», которая уже завоевала уважение многих известных ученых в области наук о Земле.
– Какие у вас планы на ближайшее будущее?
– Не распыляться. Когда работаешь с данными дистанционного зондирования, нельзя бросаться сразу на весь земной шар. Сейчас я занимаюсь Ладожским и Онежским озерами, а также Рыбинским водохранилищем. По ним я разрабатываю измерительные методики, которые потом попробую применить в более глобальном масштабе.
– А почему вы выбрали Ладожское и Онежское озера, Рыбинское водохранилище?
– Потому что, как выяснилось, измерения высот ветровых волн на их акватории закончились в 1953 году, а между тем еще тогда было выявлено, что там изменяется волновой режим. Поэтому нам сейчас просто необходимо провести измерения вдоль судовых трасс и применить различные математические модели для измерения волнений на этих объектах. Чтобы вы знали: модели волнений у нас преимущественно писались для морей. Я исследую озера. У них совсем другой гидрологический режим: если в морях мы можем считать, что притока воды нет, то здесь он точно есть. В Ладожском озере, например, годовая изменчивость уровня может доходить до 2,5 метров. Это малозаметно, потому что берега крутые, но от фактов не убежишь. В Рыбинском водохранилище тоже с изменением уровня изменяется глубина, а вместе с ней на мелководьях происходит разрушение волн. Если вы были на Балтийском море, то вы знаете, что после шторма там, где вы вчера плавали, может быть по колено. И наоборот.
– Поделитесь с начинающими специалистами темами, которыми бы вы хотели заняться, но на которые банально нет времени.
– Есть так называемые экстремальные явления. Например, штормовые ветра, град в Краснодаре, потоп в Сочи… Обычно считается, что экстремальные явления работают по Закону трех сигм, по нормальному распределению Гаусса. Но как оказалось, ни один из параметров атмосферы – ни температура, ни ветер, ни влажность – не соответствуют нормальному распределению. Там совершенно иные распределения. А вот какие? Мне бы хотелось понять, под какие классические распределения мы можем характеризовать тот или иной параметр, и уже исходя из этого классического распределения, получить цифру, относительно которой мы будем считать, что эти явления являются экстремальными. В этом случае в прогнозе можно говорить, что один параметр попадает в такой-то интервал, а значит, ждите неприятностей. Или не попадает – значит, все будет в порядке.
– Если кто-то из студентов захочет заняться этой темой, он может обратиться к вам за консультацией или руководством?
– Буду очень рад.
– Есть ли что-то, о чем я не спросила, а вы бы хотели сказать?
– Во-первых, о том, что в России, к сожалению, науки о Земле финансируются по остаточному принципу. Второе: у нас нет национального программного обеспечения для обработки данных дистанционного зондирования. Во Франции, например, вокруг агентства космических исследований находится огромное количество маленьких фирм-разработчиков программного обеспечения для пользователей, которые могут использовать данные в сельском хозяйстве, в рыболовстве, для контроля пожаров и прочее. То есть, они занимаются непрофессиональными исследованиями, но тем самым наращивают опыт для масштабных прогнозов.
В принципе, у нас есть указ президента о том, что в каждом регионе должен быть центр дистанционного зондирования, но даже если он есть, то работает очень плохо. В МИЭТе целое направление посвящено дистанционному зондированию земли, но программного обеспечения тоже нет. Мы пользуемся французским программным обеспечением, но оно ведь создано для французских спутников. Часть информации там закрыта, часть платная. Строить математические модели на этих данных очень сложно. Поэтому хотелось бы, чтобы МИЭТ в связке, например, с Роскосмосом занялись этой проблемой. У нас же есть огромная группа людей, которая разрабатывает приложения для смартфонов! Я думаю, особых сложностей не будет.
– Уточню: у нас есть алгоритм, но нет самого продукта?
– Да. Причем, наш алгоритм гораздо лучше иностранного. Но у них есть программы под него, а у нас нет. В Европе любой ученый может скачать специальное программное обеспечение и провести какие-то исследования. У нас путь к расчетам тернист, поэтому исследования ведутся не так быстро, как могли бы. Надеюсь, что это интервью немного подсветит проблему, и в скором времени общими силами мы ее устраним.