Об использовании аэрокосмических методов в геоэкологии

Об использовании аэрокосмических методов в геоэкологии

В статье рассматриваются основные направления использования аэрокосмических методов в геоэкологических исследованиях. Приведены конкретные примеры решения геоэкологических задач, а также место этих методов в подготовке специалистов-экологов на экологическом факультете РУДН.

В течение 10 лет существования экологического факультета РУДН при проведении научно-исследовательских работ по геоэкологии и рациональному использованию природных ресурсов и подготовке специалистов-экологов широко используется комплекс аэрокосмических методов.

В рамках Федерально-целевой программы «Интеграция» в 2001 году был создан и успешно функционирует Учебно-научный центр «Компьютерное картографирование и дистанционное зондирование для геоэкологии и минеральных ресурсов», ведутся исследования по программе «Университеты России. Фундаментальные исследования». По этому направлению защищена диссертация на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук, магистерские диссертации и дипломные работы бакалавров. С участием авторов статьи издан учебник по основам дистанционных методов при изучении состояния окружающей среды, уникальный атлас по космическим методам геоэкологии, опубликовано множество статей, как в нашей стране, так и за рубежом. Информационное обеспечение экологических и, прежде всего, геоэкологических исследований в настоящее время практически невозможно без использования материалов дистанционных съемок. Функционирующие в настоящее время космические системы природоведческого, метеорологического и океанологического назначения в совокупности со съемками с самолетов являются важнейшими источниками информации для решения геоэкологических проблем глобального, регионального и локального характера. Набор материалов дистанционных съемок обеспечивает необходимый территориальный охват, достоверность, точность и необходимый объем данных, периодичность, координатную и временную привязку для решения широкого круга экологических проблем.

Использование дистанционных материалов для контроля состояния природной среды зародилось с началом эксплуатации метеорологических спутниковых систем и получило ускоренное развитие с середины 70-х годов, когда в интересах природопользования стали реализовываться крупные научно-технические программы с применением пилотируемых космических комплексов и специализированных автоматических космических аппаратов.

Круг геоэкологических проблем, решаемых с использованием дистанционных методов необычайно широк как по охвату территории (от глобальных и региональных до локальных), так и по направлению.

Сейчас в разных стадиях реализации находится около 20 международных экологических проектов глобального уровня, для которых использование спутниковых данных имеет решающее значение. К наиболее известным проектам относятся: международная геосферно-биосферная программа «Глобальные изменения», целью которой является прогноз глобальных изменений природной среды и биосферы на 20 — 100 лет; программа ООН по окружающей среде, в рамках которой создается глобальная система мониторинга окружающей среды, между-народный глобальный эксперимент по энергетическому и гидрологическому циклам; международный проект по спутниковой климатологии поверхности суши с наблюдением на 10 полигонах в разных частях земного шара, подвергающихся наиболее сильным антропогенным воздействиям.

При решении этих приоритетных глобальных геоэкологических проблем материалы аэрокосмических съемок используются для:

оценки радиационного баланса и его составляющих для всей планеты;

выявления изменений температуры на всей земной поверхности;

оценки биомассы акватории Мирового океана и поверхности суши;

мониторинга состояния озонового слоя планеты и др Наиболее разнообразны геоэкологические проблемы, решаемые с использованием аэрокосмических методов на региональном уровне. Первые исследования этого уровня генерализации в 70−80-х годах были связаны с выявлением очагов антропогенного загрязнения атмосферы. С помощью мелкомасштабных снимков с метеоспутников по густым шлейфам дымов выявлялись очаги возгорания лесов и горящие нефтяные скважины. Особенно наглядно это проявляется в засушливые годы. Так, на снимках 1972 года впервые был зафиксирован дымный шлейф лесных и торфяных пожаров, который протягивался из Европейской части России через Урал, всю Западную Сибирь и достигал Казахстана. Аналогичная картина, хотя и несколько меньшего масштаба, отмечалась над Европейской частью России летом 2002 года. На этом уровне обобщения фиксируются как отдельные очаги, так и значительные районы, подверженные пожарам, что позволяет осуществлять оперативную оценку ущерба от пожаров.

Вторым направлением использования материалов регионального уровня, которое также зародилось на начальных этапах использования дистанционных материалов в геоэкологических исследованиях, было выявление ареалов загрязнения промышленными выбросами территорий крупных городов на основе анализа изменений фототона снежного покрова на зимних снимках.

Дальнейшее развитие дистанционных методов привело к появлению таких направлений в региональных геоэкологических исследованиях, как мониторинг состояния отдельных компонентов природной среды и выявление регионов с активизацией негативных геоэкологических процессов. Такими направлениями стали мониторинг состояния лесной растительности и ее динамики, который эффективно проводится путем сравнения разновременных снимков и карт разной давности. При этом выявляются исчезнувшие и вновь появившиеся лесные массивы на фоне существующих лесов и безлесных территорий. Важные результаты были получены при изучении динамики растительного покрова переходных от семирадных к аридным зонам. Были выявлены территории с активным проявлением процессов опустынивания, которые происходят из-за нерационального использования территории — распашки песчаных почв и перевыпаса скота. Большой вклад внесли дистанционные методы в исследования проблем Северного Прикаспия и Аральского моря. Сопоставление разновременных снимков позволило осуществить аэрокосмический мониторинг береговых районов этих внутренних водоемов, выявить изменения береговой линии и участки развития процессов обмеления, засоления, развеивания, заболачивания и деградации тростниковых зарослей .

Широкое использование дистанционных методов на локальном уровне началось с конца 80-х годов, что было связано с увеличением доступности этих материалов широкому кругу исследователей. В настоящее время трудно представить проведение детальных геоэкологических исследований без привлечения аэрокосмических материалов. Отметим основные направления подобных исследований.

Детальные аэрокосмические материалы позволяют выявлять ареалы загрязнения вокруг районов добычи полезных ископаемых и территорий, в пределах которых происходит трансформация окружающей среды под воздействием выбросов промышленных предприятий.

При изучении населенных пунктов, от мелких поселков до крупных городских агломераций, аэрокосмические снимки используются для оценки густоты и типа застройки, площади зеленых зон и состояния растительности. При картографировании динамики использования земель — для оценки состояния санитарных зон промышленных районов и рекреационных ресурсов городов.

Большое значение имеет использование аэрокосмических материалов при изучении опасных и катастрофических процессов, имеющих эндо и экзогенную природу.

Так, при изучении очаговых зон сильных землетрясений аэрокосмическая информация, главным образом среднемасштабные аэрофотоснимки и крупно-масштабные космические фотоснимки высокого разрешения, позволяет картографировать сейсмодислокации, остаточные деформации поверхности, возникающие в результате главного толчка землетрясения. Такими вторичными нарушениями, имеющими сейсмогравитационную и вибрационную природу, являются обвалы, оползни глинистых и скальных пород, отседания склонов, подвижки осыпей, лавины, водоснежные потоки, сели, образование трещин на поверхности. Поскольку землетрясения вызывают столь опасные явления, то эти данные имеют большое значение для спасательных служб и организаций, оказывающих помощь при чрезвычайных ситуациях. Кроме того, эта информация позволяет понять природу геологических структур, породивших сейсмические события, что важно знать для их прогнозирования. Эти нарушения отчетливо опознаются на аэрокосмических снимках, которые целесообразно использовать комплектом материалов разного масштаба — от крупномасштабных космических снимков до среднеи крупномасштабных. Так как гравитационные процессы являются весьма распространенным явлением в горах, для более надежного выделения поверхностных деформаций, вызванных сейсмическим событием, следует производить сопоставление космических изображений, сделанных до и после землетрясения. Возможность таких сопостав-лений обеспечивается регулярностью получения сканерных снимков систем «Ландсат» и «Спот». На основе пространственного распространения поверхно-стных деформаций, выявленных по материалам дистанционных съемок, составляются карты плотности распределения сейсмодислокаций. А, так как между плотностью размещения сейсмодислокаций и строением очага существует непосредственная связь, то полученные данные позволяют получать объективную картину размещения сеймогенных нарушений земной поверхности. Серьезной угрозой для освоения горных территорий являются ледники и ла-вины. При оценке лавиной опасности в труднодоступных высокогорных районах, выявлении мест скопления крупных снежных масс и путей их схода также широко используется сочетание аэрои космических съемок. Первые обеспечивают детальность изучения отдельных лавинных очагов, вторые — выявление площадных закономерностей формирования лавиноопасных склонов и определение потенциальной лавиной опасности.

Весьма грозным явлением в горах являются ледники. Кроме паводковых явлений, вызванных быстрым таянием ледников, опасность представляют быстрые периодические подвижки ледников, которые происходят у ряда так называемых «пульсирующих» ледников. Обычно ледники движутся с очень небольшой скоростью, составляющей несколько метров в год. Но пульсирующие ледники могут перемещаться со скорость в несколько десятков или сотен метров в сутки. Такой ледник может сметать все на своем пути, перегораживать реки, в долинах которых образуются подпрудные озера и накапливаются массы воды. В случае прорыва естественной плотины эти воды угрожают наводнениями в нижележащих районах. Через какое-то время ледник останавливается, его окончание начинает разрушаться и отступать, в то время как в верховьях ледника накапливается новая масса льда. Это так называемая стадия восстановления продолжается до тех пор, пока снова не накапливается значительная масса льда (критическая), что провоцирует новую стадию подвижки. Обе эти стадии характеризуются пульсацией. Период пульсации, включающий обе стадии у разных ледников различный — от десяти до ста лет, различаются характер и масштабы подвижек — от кратковременных обвалов льда и быстрого продвижения до перераспределения ледовых масс в пределах ледника и незначительного перемещения его вперед. Причиной быстрых подвижек пульсирующих ледников считается нарушение динамического равновесия в них, которое вызывается превышением массы льда поступающей с верховьев над расходом за счет таяния его нижних частей.

Аэрокосмические методы могут быть эффективно использованы для исследования пульсирующих ледников. Для горных ледников используются съемки, имеющие пространственное разрешение 50−100 м на местности. Для этого подходят сканерные снимки, полученные с ИСЗ «Ландсат». На этих снимках опознаются наиболее крупные пульсирующие ледники по особенностям их морфо-логии, к которым относятся изогнутые петли срединных морен, каплевидная форма окончания ледника, подпрудные озера или их следы и другие признаки. На снимках с разрешением 5−10 метров фиксируются более достоверно и детально элементы морфологии, а в случае повторных съемок возможно выявление изменений морфологии ледника, изменений рисунка срединных морен, что позволяет судить о продвижении сложных ледников вплоть до определения скорости движения льда. Аэрокосмические методы позволили выявить на Памире несколько сотен пульсирующих ледников нескольких типов, которые представляют около 10% ледников Памира. Результаты этих исследований необходимы для реализации мониторинга всех ледников этой труднодоступной горной системы .

Как показывает опыт использования материалов дистанционных съемок, решение геоэкологических проблем локального уровня наиболее эффективно при совместном использовании всего комплекса дистанционных методов, включающих как разномасштабные космические материалы, так и традиционные аэро-фотоснимки. Все чаще в практике таких исследований применяются появившиеся сравнительно недавно цифровые снимки и системы спутниковой привязки результатов аэровизуальных и наземных наблюдений.

Рассмотрим пример использования этого комплекса материалов при оперативных исследованиях причин и последствий катастрофических процессов, связанных с ледниками. Речь идет об исследованиях последствий схода ледника 20 сентября 2002 года в долине р. Геналдон в Северной Осетии. Эту катастрофу специалисты рассматривают как крупнейшую в России гляциальную катастрофу. Гигантская по объему ледово-каменная масса от верховьев ледника Колка на скорости около 100−150 км/ч пронеслась по долине почти 17 км и остановилась у Кармадонских ворот, южного эскарпа Скалистого хребта. При этом к северу от хребта, на расстояние в 13 км был выброшен по долине Геналдона мощный селевой поток.

В период с 22 сентября по 9 ноября один из участников УМЦ старший научный сотрудник, заведующий лабораторией аэрокосмических методов геологического факультета МГУ Никитин М. Ю. принимал участие в работах по изучению зоны бедствия от очага формирования лавинных масс до зоны разгрузки. Во время этих полевых исследований проводилась цифровая фотои видеосъемка, а затем привлекались имеющиеся к этому моменту аэрокосмические материалы. Полученные плановые и перспективные материалы явились основой для анализа причин движения ледника и динамики деградации ледово-каменных масс в последующее время. Анализ плановых и перспективных снимков с борта вертолета, сделанных М. Ю. Никитиным 7 октября, и непосредственные наблюдения на местности позволяют проследить ход этой катастрофы. Причиной катастрофически быстрого продвижения ледника послужил ледовый обвал со склонов горы Джимарай-хох, при котором обрушившаяся масса льда выбила часть льда ледника Колка. Это вызвало подвижку ледника Колка. Ледниковый поток, вместивший большой объем каменного материала, спустился по долине до Кармадонских ворот, породив грязекаменый сель, который остановился лишь за 2 км от с.Гизель.

Место возникновения катастрофы находится в зоне Казбекско-Джимарайского вулканического массива. Обрушение большей части висячего ледника произошло с северо-восточного склона г. Джимарай-хох с абсолютной высоты 4300−4400 м.

Дешифрирование обзорных космических снимков показывает наличие здесь крупного тектонического нарушения, выраженного в виде линеамента.

О сейсмической составляющей причин катастрофической подвижки говорят данные сейсмостанции Северной Осетии, которая за 5 минут до схода ледовых масс зарегистрировала проявления сейсмической активности. Через 3 мин 33 с сейсмослужбой РСО-Алания был отмечен еще один сейсмоудар, вероятно, означающий остановку ледовых масс у подножья Скалистого хребта в 17 км от точки падения ледовых масс на ледник Колка.

Более детальный анализ аэрофотоматериалов позволяет предположить, что основной причиной катастрофического обвала могло быть обрушение крупного блока скальных пород из-под большого по площади ледового поля, опорой которого он и являлся. Объем обрушившейся скальной массы сопоставим с ледовой. В районе тектонического нарушения в верховьях долины последующими аэровизуальными наблюдениями была зафиксирована сильная загазованность. Возможное выделение газа в наиболее вероятном его варианте, следует рассматривать как активную дегазацию тектонического нарушения, вскрытого в районе схода каменно-ледовой массы. Это обычное явление для зон активных вулканов, одним из которых является Казбек (последнее извержение происходило около 3000 лет назад). аэрокосмический геоэкология природная среда Эффект падения массы в миллионы тонн с высоты 1100 м на дно долины сравним со взрывом большой мощности, в результате которого окружающие склоны получили удар равносильный воздействию землетрясения силой, как минимум, в 6 баллов по 12 балльной шкале. Таким образом, обрамление из висячих ледников испытало мощный сейсмоудар, они пришли в движение и обрушились на поверхность долинного ледника Колка.

Таким образом, применение комплекса аэрокосмических методов при изучении катастрофического явления в районе одного из пульсирующих ледников, позволило выдвинуть гипотезу о тектонической причине, вызвавшей подвижку блоков земной коры, обрушение масс горных пород, что инициировало дальнейшие катастрофические события с человеческими жертвами.

Все эти и многие другие аспекты применения аэрокосмических методов при решении геоэкологических проблем находят отражение в преподавании целого ряда дисциплин геоэкологического цикла бакалаврской и магистерской подготовки (геологии, географии, ландшафтоведения мониторинга окружающей среды, методов геоэкологических исследовании) .

На экологическом факультете Российского университета дружбы народов студенты начинают знакомиться с материалами аэрокосмических съемок уже на первом курсе на занятиях физической географией, при изучении различных генетических форм рельефа (флювиальных, гляциальных и эоловых). Подготовлены результаты дешифрирования снимков, сделанных с интервалом в 10−20 лет, которые планируется использовать при создании учебной ГИС территории экологической практики в Малинках. Сопоставление этих материалов позволит наглядно демонстрировать результаты изменений природных экосистем при увеличении антропогенной нагрузки. На втором курсе студенты, уже освоившие элементарные приемы работы со снимками, и знающие их характеристики, проводят геологическое дешифрирование самых различных структур земной коры в различных ландшафтных условиях, от пустынных районов до тундры, от горно-складчатых областей до равнин. Итогом этих работ является построение элементарных схем оценки геоэкологического состояния той или иной территории. Наиболее доступным объектом исследования является территория города Москвы, в частности, районы расположения РУДН. Эти районы являются своеобразными эталонами для дешифрирования различных компонентов антропогенного ландшафта. Результатами работ являются схематические карты оценки геоэкологической ситуации в отдельных районах Москвы путем сопоставления положительных и отрицательных факторов, влияющих на состояние окружающей среды и выявленных при дешифрировании дистанционных материалов. Эти работы являются частью занятий по ландшафтоведению.