Научные эксперименты. За ответами в космос - Александр Яровитчук

пыльных бурях поднимается на четыре километра вверх и разносится на полпланеты. Песок не только закрывает поверхность Земли от Солнца и оседает в почве, но и изменяет рельеф. Тяжелые крупинки на большой скорости обтесывают камни, дома и даже губят целые населенные пункты.

Аральское море в 1989 году и в 2014 году. NASA

В Китае такая же проблема существует уже давно. С движением песка стали бороться заградительными посадками. Так появился проект «зеленая китайская стена». Хотя он пока не завершен, проделанная работа видна из космоса. В 2006 году размер пустыни впервые не увеличился. На фоне успеха в Китае страны Африки запустили проект «Великая зеленая стена». Полоса деревьев будет высажена по южной границе Сахары, чтобы не дать разрастаться и без того самой большой пустыне планеты. Космонавты уже наблюдают с орбиты начатый процесс озеленения.

Для создания модели и определения физических процессов очистки атмосферы Земли от взвешенных частиц после мощных песчаных и пылевых бурь был проведен эксперимент в невесомости на шаттле Endeavour STS‐47. Кварцевые песчинки в прозрачном боксе заставляли двигаться импульсными струями воздуха. Наблюдение за динамикой их осаждения на стенки или слипания должно было прояснить механизм изучаемых явлений.

Сейчас за опустыниванием и пылевыми бурями следят спутники Terra, AQUA, NOAA, первый нигерийский национальный спутник NigeriaSat‐1 и др.

Вместе с обычными фотографиями они получают изображения в разных диапазонах длин волн. В частности, инфракрасные данные дополняют картину растительности. Для жизни траве, кустарникам и деревьям нужно поглощать солнечное излучение. Для фотосинтеза требуется свет определенных длин волн – от 400 до 700 нанометров. При этом, чтобы не перегреваться, клетки растений научились отражать тепловое излучение, которое имеет бо́льшие длины волн. В итоге в одном диапазоне растения более яркие, а в другом – более темные. Удобно, что водоемы или голая земля лучше поглощают как раз излучение с большей длиной волны. Ученые ввели несколько вегетативных индексов. При их расчете получается цифра, характеризующая состояние растительного покрова, а в основе формул лежит разница количества поглощенного и отраженного света на разных длинах волн. Наибольшее распространение получил нормализованный индекс разности растительности, так как он достаточно прост и может дать огромное количество информации. Как оказалось, он еще и не сильно зависит от положения угла наблюдения. Его разработали на основе данных со спутников Nimbus, ERTS. В СССР, хотя фотографирование впервые было проделано еще Германом Титовым, первым, кто проводил съемку в целях народного хозяйства, стал Георгий Береговой на корабле «Союз‐3». Тогда был отснят один участок – Сальский полигон в Ростовской области. Там на довольно обширной территории полей произрастает множество сельскохозяйственных культур, интересных для опознавания. Первыми многоспектральную съемку, необходимую для глубокого анализа, провели космонавты Олег Макаров и Василий Лазарев. Огромный вклад в исследование дала экспедиция космического корабля «Союз‐22». Валерий Быковский и Владимир Аксёнов провели эксперимент «Радуга», в котором удалось на примере конкретных мест различить много интересных особенностей сельскохозяйственных культур. Как потом было сказано, то, что самолеты Фотографировали два года, а с Земли изучалось 80 лет, космонавты отсняли за пять минут. Во-первых, на примере ржи космонавты смогли понять, где свежие посадки, а где все уже созрело и пора убирать урожай. Более сухие колосья меньше поглощают инфракрасное излучение. Руководствуясь тем же принципом, можно определить, где засуха, а где сельскохозяйственная культура гниет. То есть агрономы легко могли контролировать по снимкам с орбиты состояние урожая и делать выводы о необходимости полива или удобрения. Некоторые кадры полей в инфракрасном диапазоне имели сетчатый узор. Он образуется за счет сорняков, которые оплетают посевы и отбирают у них полезные вещества и воду, то есть сами начинают поглощать энергии света больше, чем полезные растения. Динамика изменения индекса может дать информацию о наличии вредителей или болезней. Она жизненно важна для сельского хозяйства. Стаи саранчи с орбиты видно даже невооруженным глазом. Так, астронавты станции «Скайлэб» во главе с Аланом Бином провели исследования одного из самых опасных для урожая насекомых. По одной из оценок, повышение точности предсказания урожаев зерновых на 25 % обеспечивает США прибыль в размере двух миллиардов долларов в год. Есть даже приложения для телефона, которые следят за здоровьем посевов на ферме и могут информировать потребителей о качестве создаваемой в регионе продукции.

При этом принцип работает не только с рожью, но и со всеми сельскохозяйственными культурами и дикорастущими растениями. Типы посевов отличаются, так что с орбиты можно проводить районирование сельскохозяйственных угодий. Таким образом агрономы могли находить свободные места для вспашки и засева. Для СССР с программой освоения Сибири это было особенно важно. Валерий Быковский и Владимир Аксёнов не только снимали экспериментальные участки, но и делали много Фотографий территории страны в поисках новых посевных площадок. Удивительно, но они нашли пригодные участки даже среди болот в центральной Якутии, между реками Лена и Вилюй, и в горной местности Памира. Крупным экспериментом в этой области стал «Гюнеш‐84» на станции «Салют‐7». Тогда удалось расширить посевные площади на 10 тысяч гектаров.

Весьма поучительной стала история, когда во время длительной засухи Африки запросили информацию со спутников о ситуации с посевами в области прерии к югу от пустыни Сахара. Полученные данные позволили не только выявить районы, пригодные для земледелия, но и найти несколько хозяйств, которые практически не пострадали от засухи, хотя остальная прерия была выжжена солнцем. У владельцев таких ранчо поинтересовались, как они ведут свое хозяйство. Оказалось, что большое влияние оказывает форма полей, окружающий ландшафт, зоны выпаса скота и даже время, когда это лучше делать. Этот опыт помог в планировании и проведении мероприятий, которые снизили последствия опустынивания и снижения урожая.

Кроме этого, космонавты наловчились оценивать с орбиты параметры испарения воды. Эти данные стали полезными для оценки эффективности систем орошения мест, где все быстро высыхает, и, наоборот, мест застоя воды, где урожай может потенциально начать гнить. Правда, для этого нужно оценивать не только зависимость содержания влаги в почве от времени, но и уровень осадков.

Эти исследования особенно пригодились фермерам Аризоны.

Индекс растительности можно использовать для определения количества посевов. В данном случае, правда, важна разница не в отраженном и поглощенном излучении на разных длинах волн, а суммарном изменении показателей. Если травы стало больше, то она и отражает инфракрасный свет больше, и поглощает видимый больше. Эта информация также может говорить о количестве урожая, но бо́льшую ценность она несет при оценке пастбищ для выпаса скота.

С 1970‐х годов технология повсеместно используется на спутниках и орбитальных