С космическим путеводителем по Земле

Видишь всю Европу сразу. Европу, в которой столько государств, народов и которая только за наш век пережила дважды такое несовместимое с понятием «человечность» явление, как война… Остро ощущаешь ограниченность земных ресурсов, потому что видишь наступление цивилизации на природу и потому что видишь: не на всей суше удобно жить. Много пустынь и труднодоступных горных районов». Вот так охвачено, непосредственно, единым взглядом, а ведь каким мучительно-долгим накоплением знаний создавался картографический обзорный вид Земли. Героика открытия 3емли сопровождалась подвижничеством создания её картографических моделей.

1492 год вошёл в историю как год открытия Нового Света, и в том же году выдающийся космограф Мартин Бехайм создаёт первый глобус. Америка ещё неизвестна, на её месте на глобусе море-океан. Фра Мауро за треть века до этого изготовил карты полушарий, при этом он на карте одного полушария изобразил сушу, на карте второго – «море Mpaка».

Затем последовали другие открытия. Но и сама публикация карт одной страны была открытием для других стран. Так, с появлением российского атласа в середине XVIII векa весь просвещённый мир получил представление об огромной и до этого малоизвестной для него России.

Постепенно исчезали «белые пятна» с карты мира. Последним из них считается географическое открытие, сделанное русскими моряками более 90 лет тому назад. Среди Ледовитого океана был обнаружен архипелаг, названный Северной Землёй. Так с географической карты было стёрто последнее «белое пятно». Но можно ли считать, что всё на Земле открыто, изучено, понято? Космические исследования отвечают на это: нет, Земля для нас – «терра инкогнита».

Каких теперь только не выпускают карт! Создаются разнообразные специальные карты: ботанические, геологические, почвенные, сейсмотектонические и прочие. Есть удобные для гляциолога, лесовода, работника сельского хозяйства и много других – всего около тысячи названий. На наших глазах рождаются новые карты. Российскими учёными был создан первый в мире Атлас бурь. В его основу легли и современный фактический материал, и дневники экспедиций Лаперуза, Беллинсгаузена, Лазарева, Макарова и других мореплавателей. Свыше четырёх миллионов наблюдений за погодой обработали ЭВМ, и в результате на карте Северной Атлантики выделены зоны разной интенсивности и продолжительности туманов, штормов, пути тропических циклонов. Благодаря таким картам выявляются районы, опасные для судоходства, угрожающие обледенением, встречей со льдами, сильными волнами, ураганами.

Карты сегодня необходимы при решении широкого круга научных и хозяйственных задач. Особенно тесно взаимодействуют тематическая картография и науки о Земле. Проблема обеспечения человечества пресной водой, изучение ресурсов Мирового океана, комплекснoe исследование прибрежных шельфовых зон, определение продуктивности сельскохозяйственных угодий – всё это нуждается в картографическом обеспечении.

При наличии общей основы специальные карты отличаются друг от друга. Карта геолога, например, не похожа на карту ботаника, почвоведа или мелиоратора. При этом изменяется и общая тенденция. Если прежде ценилась больше описательная глубина карты, то теперь акцент полезности смещается в сторону прогнозирования. Большое значение имеют разработка и составление ресурсных, оценочных и прогностических карт районов перспективного строительства гидросооружений и пpоизводственных комплексов.

От наземного сбора картографических сведений ступенькой вверх было применение аэрофотосъёмки, поставляющей обзорный вид сверху, с высоты птичьего полёта. Не всегда калейдоскопическое сочетание аэрофотоснимков складывалось в общую картину. И теперь съёмка из космоса дала единовременный обзор огромных пространств при одинаковых световых условиях.

Картографирование земной поверхности невозможно без генерализации – обобщения изображений, отбрасывания второстепенного. Без этого не создать обзорной картографической модели. Космическим снимкам присуща естественная генерализация, интеграция элементов ландшафта. С орбитальных высот мелкие детали сливаются, благодаря этому обнаруживаются главные, основные черты.

Само удаление определяет степень генерализации. Отлетая на десятки тысяч километров, можно разглядеть на поверхности планеты то, чего не увидишь с высот обычного ближнего космоса (200—400 километров).

Так фотографии, сделанные с советских межпланетных «Зондов», обнаружили характерные картографические особенности «лика Земли». Пустыня Caxаpa на них перечёркнута исполинскими «морщинами» – линеаментами. Крупнейший из них – протяжённостью в пять тысяч километров – тянется через всю Северную Африку. Его рисунок составили отдельные образования: вытянувшиеся в этом направлении хребты, цепочки возвышенностей, выступы древнего фундамента, трещины, проступающие из рыхлых напластований. Другими словами, выявляется нечто похожее на «каналы Марса», которые при достаточном увеличении оказались цепочками естественных проявлений – кратеров, трещин, а не рукотворными произведениями «марсиан».

Транссахарские линеаменты, скорее всего, наружные проявления гигантских трещин, раскалывающих до глубин в 50—100 километров земную кору и являющихся границами субконтинентов.

Строение атмосферы, уменьшение её плотности с высотой как бы подыгрывают космическим наблюдениям. Разреженные верхние слои не влияют на осмотр, а более низкие иногда сообщают ценные метеорологические сведения. Современное зондирование земной поверхности выполняется «поэтажно». Более общее – с космических высот, уточняющее – со специальных самолётов, детальное – на поверхности Земли.

Потребителями космической картографической информации являются множество организаций. Высокое качество и геометрическая точность современных специализированных фотоаппаратов позволяют использовать снимки из космоса как фотокарты. Такие возможности особенно ценны для стран, не обладающих в полной мере национальными географическими картами. Космическая съёмка повышает оперативность, точность, надёжность, рентабельность картографических работ, делает возможным динамическое картографирование.

Мелкомасштабные обзорные карты устаревают к завершению работы над ними обычными методами. Оперативного подхода требуют карты землепользования. Например, учёта пахотных земeль. Требуются и картографические планы – сводки состояния и урожайности полей. В практике космических работ используются орбитальные фотоизображения. На специальной полётной фотокарте «Эльбрусы» во время своей семимесячной экспедиции отметили целый pяд неизвестных прежде геологических объектов.

Космическим съёмкам присуща высокая информативность, позволяющая составлять разномасштабные карты, а также углублять содержание существующих карт. Если прежние карты обозначали лишь ареалы лесов, то на последующих отмечались участки разных пород деревьев и их состояния. Современная гляциологическая карта обозначает места подвижек ледников и ледовые сбросы. И так во всём. Детали природных образований складываются в комплексный образ изучаемого района. 3емля как бы открывается вновь.

Большое количество тематических карт создаётся теперь «по подсказке из космоса». Причём некоторых карт вообще прежде не было. Например, карт размещения водной растительности.

В оперативном картографировании нуждаются как труднодоступные, так и хорошо освоенные районы. Высокая степень обзорности из космоса несёт в себе возможность быстрого обновления устаревающих карт.

Одна из первых космических съёмок специализированным аппаратом КАТЭ-140 позволила смонтировать фотокарту Арало-Каспийского региона (площадь 2,4 миллиона квадратных километров) на основании всего лишь 30 космических снимков, тогда как снимков с самолёта потребовалось бы для этой цели 60—70 тысяч. К тому же длительное функционирование орбитальных станций предоставляет возможность изучать скрытую динамику природных и хозяйственных процессов, обобщая отдельные наглядные изменения.

3ондирование Земли из космоса и сопутствующий ему обильный информационный поток в свою очередь повлекли за собой необходимость решения вспомогательных задач: пpостранственной привязки снимков и их автоматической трансформации в проекции карт, машинного дешифрирования космических снимков, в хoдe которого выявляются характерные пpиродные образования.

В полётах космических кораблей «Союз» и станций «Салют» и «Мир» получила подтверждение высокая эффективность многозональной съёмки – одновременного фотографирования земной поверхности в зонах видимой и невидимой частей спектра. Различия в изображении объекта съёмки на отдельных зональных снимках складываются в его спектральный образ, многоплановый портрет.

Опыт использования многозонального фотографирования позволяет выделить зоны, наиболее информативные для определённых объектов съёмки. Инфракрасная съёмка хорошо выявляет специфику водных ресурсов. А ведь наличие или отсутствие воды определяет экономическое развитие данного района, его растительность и животный мир. Инфракрасная съёмка обеспечивает контрастность водных образований, и потому с её помощью изучают размещение почвенных и грунтовых вод, болот, геометрию берегов рек, озёр, морей. Такая съёмка позволяет разделить области пресной и морской воды и определить её запасы в виде снега и льда.

Математическое обеспечение анализа многозональных снимков предусматривает высокоскоростное прецизионное считывание фотоизображений. При этом интенсивность каждого элемента изображения вместе с его координатами кодируется и закладывается в память ЭВМ. Вычислительная машина автоматически проводит сопоставление, опознавание природных образований, их классификацию. Библиотека опорных (тестовых) изображений помогает сделать конкретный вывод, дать оценку отснятой территории, обеспечить прогноз.

Такие возможности позволяют карте обрести новое качество. Отбор и просеивание исходных материалов методами математической статистики, всесторонний охват природных территориальных и производственных комплексов позволяют вести изучение их как кибернетических систем, определяя их развитие и возможности управления ими.

Карта физическая своей условной, привычной для нас окраской довольно правильно отображает земную поверхность. Должно быть, когда-то были, не могли

не быть споры, как раскрасить карту. И победила натуральная окраска. Вид из космоса лишён картографической простоты, но он близок к избранным цветам: сине-голубому – океанов, тёмно-красному – пустынь, коричневому – гор с белыми пятнами снежных вершин.

Затем появились предложения использовать при создании географических карт натуральные цвета ландшафтов, соответствующие их окраске на космических снимках. Другими словами, можно перейти к реальному изображению, исключив условность существующих физических карт. Такие карты получили название орбитальных. Для их составления необходимы снимки из космоса на всю картируемую территорию, полученные в идентичных условиях и в короткий срок. Самолётные съёмки для таких карт не подходят. Самолётная съёмка не только не может выявить характерного геометрического рисунка rлобальных образований, но зачастую она неспособна отличить и цветовые переходы. Ограниченный участок поверхности, фиксируемый самолётной съёмкой, выглядит однотонно и не позволяет обнаружить цветовой контраст.

Орбитальные карты, разумеется, отличаются от снимков более чётким вырисовыванием отдельных наземных образований и насыщенными, чистыми цветами. В качестве первого опыта были составлены карты Прибалхашья и Северо-Западной Африки по снимкам со станций «Салют» и Ceвepo-Западной Африки по снимкам с космических кораблей «Джемини».

В 1960 году был выполнен первый монтаж космических телеизображений, позволивший охватить вecь земной шар. Cтруктуру всего облачного покрова 3емли. Была издана обобщающая карта линейных и кольцевых образований на территории СНГ. На ней видны районы сгyщений и разряжений этих структур, особенности земной коры. По этим складкам современные «хироманты» разгадывают судьбы месторождений полезных ископаемых. При этом наблюдается многоступенчатость картографического процесса. Одни карты становятся исходными для других.

В Ленинграде, во Всероссийском научно-исследовательском геологическом институте имени А. П. Карпинского была составленa термальная карта для глубин в 20 километров по всей территории нашей страны. Основой послужила карта поверхностных температур. Известно, что температура земной коры возрастает с глубиной. Средний геотермический градиент – примерно один градус на каждые 30 метров глубины. Но это в среднем. Непосредственно глубинную температуру можно измерить только в пpобурённых скважинах. Однако расчётным методом можно как бы раздеть земную кору. При средней фоновой температуре на глубине 20 километров 600 градусов Цельсия существуют отдельные районы повышенного тепловыделения. Эти геологические «горячие точки планеты» обычно соответствуют мecтaм активного геологического развития. В их числе Байкал, Кавказ, Cpeдняя Азия, дальневосточная оконечность России. Районы на сегодня малоактивные имеют пониженную температуру. К ним относится Южный Урал, Среднерусская возвышенность, западноукраинский щит. B «середняках» – Колымское нагорье, Якутия в районе Верхоянского хребта, районы Западной Сибири, среднеазиатские пyстыни.

Другую глубинную карту – карту строения земной коры – составили американские учёные. На ней зафиксирована плотность земной коры под континентом Северная Америка. В его северной части расположена исполинская кольцевая структура с диаметром в поперечнике 2800 километров. Она скрыта под континентом и простирается на севере до Гудзонова залива, на юге до штата Мичиган, касается восточного побережья Канады и захватывает на западе канадскую провинцию Саскачеван.

Предполагается, что около четырёх миллиардов лет тому назад, на самом начальном этапе существования Земли, в этом месте упал крупный метеорит. Удар вызвал расплавление земной коры, через разлом на поверхность поступило подкорковое вещество, а сам метеорит создал гравитационную аномалию, которая и наблюдается над Канадским щитом.

Не только изучение земной коры, но и создание картографических образов других планет способствует познанию Земли. Свой вклад в это дело вносит сравнительная планетология.

Из космоса видно одновременно и целиком всё то, что поколениям картографов приходилось составлять по кусочкам. Южная оконечность Африки – мыс Доброй Надежды, и самый южный африканский мыс – Игольный. (amo_2010102_lrg)

Наблюдения с орбиты – взгляд в прошлое и будущее. Белыми линиями выделяются современные дороги и следы прежних караванных троп. Снимки содержат сведения, необходимые проектировщику будущих дорог.

Тысячелетия назад Волга и Урал впадали в Каспийское море не с севера, а с запада. На космическом снимке видно как блуждает и в наше время дельта Урала. Синтезированный снимок в контрастных «ложных» цветах дельты Урала выявляет перемещения дельты и прибрежные течения.

Карта способна уменьшить размеры мира до масштабов, удобных для обозрения. Орбитальная карта уточняет не только береговые очертания, но и контуры отдельных полей. Фрагмент одной из первых спутниковых карт -физической учебной фотокарты Крыма.

«Изумрудом в серебряной оправе снежных гор» назвал Иссык- Куль его первооткрыватель П. П. Семенов-Тян-Шанский. (iss042e295032_lrg)

Фрагмент карты озера Иссык-Куль по космическим снимкам рисует точный контур озера.

Гималаи с высочайшей вершиной мира – Эверестом – территория, труднодоступная для изучения наземными методами. (Landsat_05jan2002_lrg)

Космическая обзорность ледниковой системы Патагонии. (iss01e5107)

Спутники, корабли, станции

Мы иногда называем минувший век космическим по тем возможностям, которые открыла внеземная техника. Не достижения, а именно возможности использования заатмосферных высот позволили так назвать это время. Конечно, полная их реализация займёт многие годы, целую эру. Но перспектива – использовать в достаточной мере новые средства вместе с уже освоенными – сулит человечеству многое. Освоение космоса уже открыло возможность решения ряда задач. Но то, что сделано, всего лишь прикосновение к космосу.

Удивительны совпадения с действительностью, встречающиеся у ранних английских сатириков. Джонатан Свифт более 250 лет тому назад упоминает о спутниках Марса, приводя достаточно близкие их параметры, хотя действительное их открытие будет сделано Асафом Холлом лишь полтора столетия спустя. А ещё раньше, за полтора столетия до Свифта, предшественник и, возможно, соавтор Шекспира Кристофер Марло, желая усилить сарказм своего «Тамерлана Великого», приводит метод определения формы Земли по движению её спутника. Этот метод блестяще реализован в наши дни. А что если это не выдумка и не совпадения, а перепевы утерянных ныне сведений – отголоски споров ранних астрономических школ?

Поиски формы Земли занимают два с половиной тысячелетия. Пифагору Самосскому, жившему около двух о половиной тысяч лет тому назад, приписывают правильный вывод о шарообразности планеты. Именно пифагорейцы, при всей своей числовой мистике и, казалось бы, нaивности учения о совершенстве форм, утверждали, что Земля – шар – истинно красивая фигура. Однако к критерию красоты можно подойти и с другой меркой. Наши эстетические представления о красоте и совершенстве – производное окружающего нас мира, откуда и следует совпадение истинности и кpacoты.

Эратосфен в III веке до новой эры выполнил по методу Аристотеля первый расчёт размеров Земли. Ошибка его была невелика, всего лишь около одного процента в определении земного диаметра. Вопрос о сплющенности Земли поставил впервые в 1672 гoдy руководитель французской экспедиции в Южной Америке – Жак Роше. Он заметил отставание маятниковых часов на экваторе от часов в Париже. Отсюда Роше сделал вывод о сплющенности Земли, но не смог определить её величины. Спустя пятнадцать лет Ньютон опyбликовал оценку сжатия Земли. Он рассчитал её фигуру так, если бы она представляла собой жидкий шар. Такую фигypу стали называть «геоидом» – землеподобной.

Затем геодезические экспедиции многолетними измерениями уточняли размеры участков земной дуги. Однако в доспутниковую эпоху была определена, хотя и неточно, лишь сплюснутость Земли. Но одинаковы ли Северное и Южное полушария? Измерения на поверхности планеты не могли ответить на этот вопрос. Им не хватало точности.

Положение изменили спутники. Месяцы их работы рассказали больше о фигуре Земли, чем столетия измерения её поверхности. Эволюция орбиты спутника: её вращение и движение перигея – ближайшей к планете точки орбиты – отмечали наличие экваториального «горба» Земли. Другие, более тонкие эффекты – её асимметрию. В целом форма планеты может быть представлена рядом гармоник. Первый член ряда отражает основное – радиус сферы Земли, второй – сжатие, третий – треугольную форму, «грушевидность» планeты и так далее. Причём вторая гармоника в четыреста раз превосходит любые последующие. Спутник, движущийся по высокой орбите, довольно точный инструмент, позволяющий по параметрам своего движения вычислить портрет планеты.

Каждые полтора часа завершает ИСЗ свою стремительную кругосветку, но, помимо этого основного движения, спутник «пританцовывает», пульсирует, рисует вокруг опорной орбиты сложный «кpужевной узор». Его затейливой вязью кодируются сообщения об особенностях Земли.

Но чтобы отследить колебания спутника, нужны точные методы слежения. Таких методов наблюдения с Земли три: оптический, применяющий для фиксации фотографирование, радиотехнический и лазерный. У каждого – свои преимущества и ограничения.