1 января 2001 года, в первый день нового века и тысячелетия, с российского сегмента Международной космической станции был получен первый снимок в рамках космического эксперимента «Ураган». Сегодня, спустя 25 лет, «Ураган» остается одним из базовых долгосрочных космических экспериментов, не прекращавшихся ни на один день с момента его запуска, а также одним из тех, чьи результаты напрямую служат безопасности людей на Земле.
Институт географии РАН является научным партнером программы «Ураган» с момента ее основания. При непосредственном участии сотрудников ИГ РАН зародилась концепция визуально-инструментальных наблюдений Земли из космоса с участием космонавтов еще в 1970-х годах на орбитальных станциях серии «Салют». Сегодня специалисты Института определяют объекты наблюдений, анализируют полученные с орбиты данные и готовят научные материалы, на основе которых формируются рекомендации для прогнозирования природных и техногенных катастроф.
От «Салюта» до МКС
Программа «Ураган» – это не начинание с нуля, а закономерное продолжение отечественной школы визуально-инструментальных наблюдений Земли из космоса. Ее корни уходят в 1970-е годы, когда на орбитальных станциях серии «Салют» развернулись первые целевые программы изучения земных ресурсов и катастроф с участием космонавтов. Идейным вдохновителем этого направления был Лев Десинов. В 1976 году, работая инженером в Государственном центре «Природа», он предложил начать в СССР первую целевую программу изучения земных ресурсов и катастроф с помощью космонавтов.
«География уже тогда не могла существовать и развиваться без съемок из космоса, – говорит академик РАН, научный руководитель Института географии РАН Владимир Котляков. – Когда началась космическая эпопея, произошло нечто вроде переворота. И даже не в научных достижениях, а в наших головах. Мы увидели то, что раньше просто невозможно было увидеть. Мы судили обо всем снизу, а при взгляде сверху менялись не только впечатления, но и выводы».
Лев Десинов впоследствии стал ведущим научным сотрудником Института географии РАН и научным руководителем программы «Ураган» со стороны ИГ РАН. Он же являлся одним из ключевых организаторов и научных руководителей программ визуально-инструментальных наблюдений на станциях «Салют», «Мир» и МКС. После трагического землетрясения в Армении в 1988 году группа институтов Академии наук подготовила предложения по созданию наземно-космической системы предупреждения о катастрофах. Однако в полной мере развернуть исследования удалось лишь с началом работы на МКС. Лев Васильевич ушел из жизни в августе 2021 года, но созданная им программа продолжает свою работу.
Цели и задачи
Главная цель эксперимента – отработка научной аппаратуры, методов и технологий изучения Земли и потенциально опасных процессов природного и техногенного характера. Конечная задача – выработка требований к наземно-космической системе предупреждения катастроф, которая в будущем может быть реализована на базе автоматических космических аппаратов. МКС служит своего рода испытательной лабораторией: участие человека позволяет проводить «интеллектуальную» съемку, когда космонавт мам выбирает объект, момент фотографирования, корректирует задание по указаниям с Земли и может фиксировать внезапно замеченные быстропротекающие явления, чего невозможно достичь в режиме автоматической съемки.
Постановщик эксперимента – ПАО «РКК „Энергия"» Роскосмоса. Научный руководитель – доктор технических наук Михаил Беляев. Со стороны Института географии РАН в программе участвуют сотрудники отдела картографии и дистанционного зондирования Земли Сергей Десинов, София Кудякова, Игорь Ивонин и другие. В разные годы в эксперименте также участвовали ИПМех РАН, МФТИ, ЗАО «НПО „Лептон"», ОАО «Российские космические системы» и другие организации.
Аппаратное обеспечение
За 25 лет парк научной аппаратуры «Урагана» постоянно обновлялся. Космонавты выполняют ручную фотосъемку цифровыми камерами линейки Nikon с длиннофокусными объективами (фокусное расстояние до 1200 мм), получая цветные изображения в видимом диапазоне с пространственным разрешением до 2-3 метров.
Помимо фотокамер, в эксперименте используется:
- Фотоспектральная система» (ФСС) – регистрирует спектры отраженного излучения поверхностей в диапазоне 350-1050 нм, привязанные к цветным изображениям высокого разрешения. Аппаратура позволяет проводить анализ прямо на борту станции.
- Система ориентации видеоспектральной аппаратуры (СОВА) – автоматически наводит научную аппаратуру на объекты исследований и помогает строить программы наблюдения.
- «Икарус» – совместная российско-немецкая аппаратура для отслеживания перемещений животных. Миниатюрные датчики массой 5 граммов, установленные на животных, передают данные на антенну российского сегмента МКС, а затем в Центр управления полетами.
- Гиперспектрометр» –новейший прибор, разработанный МФТИ и АО «НПО „Лептон"», доставленный на МКС в 2024 году на грузовом корабле «Прогресс МС-27». Прибор обеспечивает получение гиперспектральных изображений двумя камерами – видимого и ближнего инфракрасного диапазонов, в 180 спектральных каналах. За первый год работы проведено 46 успешных сеансов наблюдений.
Ключевые научные результаты
За четверть века в рамках «Урагана» накоплено более полумиллиона фотоизображений объектов природной среды и техносферы. Съемка охватывает территорию Земли в пределах 60° северной и южной широты – зону, в которой проживает подавляющее большинство населения планеты.
- Катастрофа ледника Колка (2002). 20 сентября 2002 года ледник Колка в Северной Осетии внезапно выбросил массу льда, воды и камней, что привело к разрушениям и человеческим жертвам. Снимок, сделанный космонавтом за 38 дней до катастрофы запечатлел ледник, полностью покрытый камнями с темной поверхностью. Анализ изображений, проведенный специалистами Института географии РАН, выявил признаки начальной фазы движения лавинных масс: специфический цвет смеси льда и почвы и изменения структуры ледникового покрова указывали на таяние внутренних слоев, обеспечивших смазку лавинного потока.
- Наводнение в Крымске (2012). 25 июля 2012 года директор ИГ РАН академик Владимир Котляков представил в Геленджике президенту РФ доклад о катастрофическом наводнении в районе Крымска, в результате которого пострадали более 34 тысяч человек и погиб 171 человек. В основе исследования лежали данные, полученные в эксперименте «Ураган». Исследование позволило реконструировать факторы, усилившие последствия наводнения, и дать рекомендации по предотвращению подобных явлений.
- Мониторинг ледников. Ледники – один из ключевых объектов наблюдений, поскольку они служат индикаторами изменения климата. В программе ведется систематический мониторинг ледников Кавказа, Памира, Тянь-Шаня, Алтая, Альп, Патагонии и других горных стран мира. Снимки ледников Патагонии позволили проследить их отступание, происходящее на фоне установленного глобального потепления.
«Ледники – важный элемент природной среды и один из ключевых источников пресных вод, – говорит член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник Института географии РАН Ольга Соломина. – В последние десятилетия ледники стремительно теряют массу, что приводит к росту уровня моря, увеличению числа природных катастроф в горах и ускорению опустынивания в предгорьях. Из космоса мы видим, как меняется Земля, в том числе и в труднодоступных районах, где наземный мониторинг практически невозможен. Динамика ледников – это индикатор климатических изменений, и систематические космические данные в сочетании с наземными и аэровизуальными исследованиями, а также моделированием позволяют отслеживать ее в глобальном масштабе, сопоставляя данные за десятилетия».
«Космические снимки с борта пилотируемой станции – это не замена полевым работам, а важное дополнение к ним, которое обеспечивает большой пространственный охват и дает космонавту возможность непосредственно оценивать наблюдаемую сцену через видоискатель камеры, – говорит младший научный сотрудник Института географии РАН Александр Добрянский, занимающийся исследованиями в перигляциальной зоне и на ледниках. – При подспутниковых аэровизуальных наблюдениях в течение одного вылета мы можем обследовать лишь ограниченную территорию. Съемка с МКС дает значительно больший обзор, а накопленный за десятилетия архив эксперимента «Ураган» позволяет анализировать изменения одних и тех же объектов во времени. Еще одно преимущество ручной съемки – возможность оперативно менять направление и последовательность кадров. Космонавт может выполнить серию перекрывающихся снимков протяженного объекта, из которых после обработки составляется единая мозаика – по тому же общему принципу, который применяется при съемке с беспилотных летательных аппаратов».
Особое место в мониторинге занимают пульсирующие ледники Памира – уникальный природный феномен, при котором масса льда стремительно продвигается вниз по долине, сменяя фазы активности периодами покоя. Ученые Института географии РАН занимаются их изучением уже более полувека, а с 2001 года эти наблюдения были дополнены съемкой в рамках «Урагана».
«На Памире расположены многие десятки пульсирующих ледников, значительная часть этой горной страны труднодоступна, особенно верховья долин, где и расположены ледники, отсюда крайнюю важность приобретают дистанционные методы исследования, – говорит младший научный сотрудник Института географии РАН Сергей Десинов, специализирующийся на мониторинге пульсирующих ледников Памира. – Практически все ледники, помеченные как динамически нестабильные в исследованиях 1970-90-х годов, продолжают демонстрировать такие признаки. Более того, найдены пульсации у новых. В условиях огромного размера горных территорий и их природной труднодоступности именно методы космического мониторинга остаются наиболее эффективным способом отслеживания динамических процессов, происходящих в ледниках.
- Нефтяные загрязнения Каспия. По снимкам, выполненным в рамках «Урагана», были идентифицированы три основных источника загрязнения прибрежных районов Каспийского моря: северо-восточное побережье Казахстана, юго-восточный Туркменистан и Абшеронский регион Азербайджана. В Казахстане крупные залежи нефти образовали водонефтяные озера размером до 12 километров в поперечнике.
«Только по Каспию за 25 лет наблюдений в "Урагане" накоплено около пяти тысяч снимков, охватывающих всю акваторию моря, береговую линию и прилегающую сушу на удалении до 400 километров, – говорит главный специалист отдела картографии и дистанционного зондирования Земли Института географии РАН Игорь Ивонин, отвечающий за фотограмметрическую обработку и координатную привязку космических снимков. – Когда мы начинали, задача была чисто технической – привязать ручные снимки, сделанные камерой, свободно плавающей в невесомости, к реальным координатам на поверхности Земли. Но сегодня этот массив данных уже позволяет видеть масштаб экологических проблем Каспия, обусловленных и природными, и антропогенными факторами, и сопоставлять их в динамике за четверть века».
- Мониторинг озера Байкал. Результаты наблюдений за опасными явлениями на Байкале позволили спрогнозировать крупное потенциально опасное событие, благодаря чему МЧС России своевременно приняло необходимые решения и избежало негативных последствий. За этот прогноз Институт географии РАН получил благодарственное письмо от МЧС.
- Миграции животных. С помощью аппаратуры «Икарус» получены уникальные данные о миграционных путях и зимовках 23 видов птиц, гнездящихся в России. Наиболее полные и неизвестные ранее сведения собраны о дупеле, лесном дупеле, обыкновенной и глухой кукушках, полярной крачке, тулесе и азиатском бекасовидном веретеннике. Эти виды совершают дальние перелеты от 5 до 14 тысяч километров в экваториальные районы Африки и Юго-Восточной Азии. Точность определения местоположения отслеживаемых объектов составила в среднем 3.98 метра, что подтверждено измерениями на полигоне Курской биосферной станции ИГ РАН.
«Изучение миграции птиц из космоса представляет для нас большой научный интерес, поскольку позволяет проследить их передвижение на индивидуальном уровне, – говорит старший научный сотрудник лаборатории биогеографии Института географии РАН Григорий Тертицкий, координирующий с российской стороны исследования по проекту "Икарус". – Это важно потому, что с помощью сведений о местоположении птиц, полученных благодаря дистанционному зондированию, мы сможем понять, отличается ли выбор их местообитания до миграции, во время нее и в местах зимовки у оседлых и мигрирующих птиц. Кроме того, это даст возможность узнать, какие параметры окружающей среды они используют, чтобы решить, когда мигрировать и где перезимовать».
- Новый гиперспектрометр. С июля 2024 года гиперспектрометр позволяет получать с орбиты детальные спектральные карты земной поверхности – различать не только границы лесных массивов, но и породы деревьев. Прибор работает в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах, выбирая от 1 до 100 рабочих каналов из 180 доступных. Информация применяется для решения задач экологии, сельского, лесного и водного хозяйства, мониторинга чрезвычайных ситуаций.
Образовательный проект «Уроки географии с орбитальной высоты»
Особое место в программе «Ураган» занимает образовательный проект «Уроки географии с орбитальной высоты», созданный на основе космических снимков, полученных с МКС. Проект предназначен для школ России и призван восполнить недостаток космических фотоснимков в учебном процессе. Материалы структурированы по разделам – от географического мониторинга и мирового океана до ледников, сельского хозяйства и природных катастроф. К разработке контента помимо ИГ РАН и РКК «Энергия» подключился Казанский федеральный университет.
«За четверть века в "Урагане" накоплено более полумиллиона снимков, это колоссальный материал, который не должен лежать только в научных архивах, – говорит младший научный сотрудник Института географии РАН София Кудякова, курирующая проект "Уроки географии с орбитальной высоты". – Когда школьник видит на космическом снимке ледник, который отступил за десять лет, или тёплое морское течение, география перестает быть абстрактным предметом "про контурные карты". Она становится живой наукой о планете, которую интересно исследовать и можно увидеть глазами космонавта».
Перспективы
Эксперимент «Ураган» продолжается. Научная группа ИГ РАН представила доклад «Космический эксперимент „Ураган". Итоги 25 лет успешной работы». Дальнейшее развитие программы связано с расширением спектральных диапазонов наблюдений, отработкой технологий гиперспектральной съемки, совместными сеансами с использованием воздушных средств, а также интеграцией получаемых данных в современные геоинформационные системы и службы мониторинга чрезвычайных ситуаций.
«За четверть века "Ураган" создал уникальный по объему и охвату банк данных дистанционного зондирования Земли, – отмечает заведующий отделом картографии и дистанционного зондирования Земли Института географии РАН Андрей Медведев. – Сегодня наша задача заключается не только в том, чтобы пополнять этот архив, но и сделать его живой частью современной геоинформационной среды. Гиперспектральная съемка, автоматизированное распознавание образов, веб-ГИС – все это позволяет превращать отдельные снимки в непрерывно обновляющиеся картографические продукты, по которым можно оперативно отслеживать изменения. И "Ураган" дает для этого фундамент».
Фото – Роскосмос
