8.4.Спутниковое зондирование природных бедствий

Начало 21-го века отмечено усилением воздействий природных катастроф на окружающую среду и безопасность жизнедеятельности. Засуха в Австралии и пожары в 15 км от центра г. Сиднея , которые бушевали с конца декабря 2001 по начало января 2002 г. Необычайно низкая температура в центральной Европе (замёрзшие каналы в Венеции), снег в Греции, Турции, Израиле и даже в Саудовской Аравии в декабре 2001 г..В Пекине 24.12. 2002г. впервые за 125 лет метеонаблюдений выпал снег. Г. Сочи оказался без электричества перед новым 2002-м годом вследствие обрывов линий электропередач ( из-за мощного циклона и сильных снегопадов ). Многочисленные резкие перепады температуры воздуха до 25 С, и многие другие примеры погодных катаклизмов, приводят к чрезвычайным ситуациям и значительному материальному ущербу. Достаточно вспомнить жару за 40 С в августе 2003 г. во Франции (где за 2 недели августа погибло 11.5 тыс. человек), а в Испании и Португалии всё это сопровождалось опустошительными пожарами. В США за последние годы возросло число тайфунов и смерчей до 590.

Природные катастрофы в России связаны в первую очередь с наводнениями, например в г.Ленске, в Якутии и Иркутской обл. в мае 2001г. и в январе 2002 на Кубани в Краснодарском крае, летом того же года на Северном Кавказе. Такое же катастрофическое наводнение было в 2002г. в западной Европе, когда уровень подъёма воды в реках Влтавы, Эльбы был на 9 метров выше ординара.

Средний ежегодный ущерб от наводнений в России составляет около 3.25 млрд. долларов. Угрожающий характер в последние годы принимает и подтопление -им охвачены и города и сельско-хозяйственные угодия -около 9 млн. га. Опустыниванием охвачены земли 15 субъектов страны. Незакреплённые пески (особенно на Прикаспийской низменности) занимают территорию в 6.5 млн. га. Поэтому прогнозирование гидрометеорологических явлений не обходимо осуществлять на основе комплексного мониторинга включая спутниковый, а также с использованием численного моделирования погоды на компьютерах. Следует отметить, что оправдываемость прогноза на первые сутки составляет обычно 90% и даже более, тогда как надёжность для кратковременного прогноза на неделю- уже 70-80 %, а долгосрочного на месяц-квартал в лучшем случае 65 %.Что касается заблаговременности прогнозов чрезвычайных ситуаций связанных с образованием смерчей, торнадо и ураганов, то точность прогноза здесь минимальна и связана с масштабами их проявления при их образовании, стохастической структурой атмосферы, неоднородностью нижележащей поверхности. Например, в США торнадо более-менее уверено прогнозируется за 10 минут до его наступления иногда за часы или сутки после того как он или ураган набрал силу и фиксируется уже многими средствами мониторинга системы Земля-атмосфера[153-161] .

В 21 веке в ногу с научно-техническим прогрессом повысится полнота и достоверность данных наблюдений, что повлечёт и увеличение роста частоты регистрируемых экстремальных явлений.

Рис.8.12. Результаты классификации спутникового изображения нижележащей

поверхности и определения площади гарей в одном из регионов Сибири

Из сравнительно недалёкого прошлого остались в памяти такие экстремальные метеорологические проявления, как «Великий ураган» 10-16.10.1780 г. в районе островов Мартиника и Барбадос, который унёс жизни 22 тыс. человек или тропические циклоны (шторм при устойчивой скорости ветра более 17 м/с, сопровождающийся углублением минимума атмосферного давления в тропических широтах ) ,которые вызвали катастрофические наводнения ,например, в Бангладеш в 1970 г., когда погибло около 300 тыс человек и там же 26 апреля 1981 г. когда погибло 139 тыс. человек и 10 млн.чел. оказалось без крова. Другой пример например, ураган Эндрю при его прохождении над Мексиканским заливом и Южной Флоридой (США) 24 августа 1992 г. был зарегистрирован с помощью метеорологического спутника ИСЗ NOAA (рис.8.13.).Ущерб от этого урагана для восточного побережья США составил около 20 млрд. долларов.

Рис. 8.13. изображение урагана «Fran », проходящего над Мексиканским заливом, зарегистрированное 4.09.1996 прибором AVHHR с ИСЗ- NOAA-GOES-8 за 7 часов до того как глаз урагана достиг г.Нью-Иорка.

Статистические данные о тропических циклонах говорят ,что их среднегодовая встречаемость максимальна от 1 до 3 и более раз/год вблизи тропических побережий Атлантического, Тихого и Индийского океанов и коррелируют с данными наблюдения Эль-Ниньо (их число убывало над Атлантическим океаном, в дальней западной части Тихого океана и в Австралии, но возрастало в центральном регионе Тихого океана.

Наряду с циклонами мощные антициклоны вызывают засухи, пожары, гибель людей. Примером чего была побившая все рекорды метеонаблюдений жара в Западной Европе, которая привела к гибели только в августе 2003г. 11.5 тысяч человек во Франции, многочисленным пожарам в Португалии, Франции,Италии.

Поэтому спутниковый мониторинг атмосферных фронтов, циклонов и антициклонов является важной составляющей прогнозирования экстремальных проявлений погоды и связанных с ними чрезвычайных ситуаций.

Чрезвычайно важными метеопараметрами являются также интенсивность осадков, водозапас облаков и влагосодержание атмосферы , влажность почвы, толщина снежного покрова ,сплоченность льда [ 137 ]. Они могут быть определены с периодичностью в 5 дней и разрешением до 2 км в микроволновой области СВЧ спектра на основе пассивного зондирования с ИСЗ или с помощью активной радиолокации с помощью аппаратуры с синтезированной апертурой или многоспектральных комплесов установленных на спутнике и работающих одновременно, как в видимой, инфракрасной,( как например, на основе 36 каналов спектрорадиометра изображений среднего разрешения- MODIS в диапазоне 0.7-14.3 мкм) так и в микроволновой области спектра( PR -радар осадков на частоте 13.8 Ггц).Комплексное определение целого ряда параметров(таких как высота, тип, микрофизика, водозапас облаков, общее влагосодержание атмосферы) предоопределяющих возможные метеорологические катастрофы возможно с использованием одновременно работающих установленных на спутнике приборов как рамановский лидар работающий на длине волны - 0.355 мкм, ,MPL на -0.5235 мкм, ИК-радиометр = 9.9-11.5 мкм, микроволновых радиометрах MWR на частотах –23.8 Ггц, 31.46 Ггц, MMCR на частоте 34.86 Ггц[137].

Всероссийский научно-исследовательский институт ГОЧС совместно с КБ "Салют" проводил экспериментальные работы по обработке и анализу информации от различных космических аппаратов военного и гражданского назначения, с аппаратурой разных спектральных диапазонов и показал целесообразность использования космических средств для таких работ, как: предупреждение наводнений (паводки от таяния снегов, от ливневых дождей и тайфунов); установление факта чрезвычайной ситуации и оценка масштабов; оценка ущерба и контроль работ по ликвидации последствий бедствий.

Другим важным объектом мониторинга на основе аэрометодов являются: трансграничные переносы промышленных выбросов, выносы аэрозолей, пыльные бури, которые могут создать экстремальные ситуации для жизнедеятельности людей.

А эрозоль - крайне изменчивый компонент атмосферного воздуха как по своему химическому составу, так и по концентрации и размерам. Модой, преимущественно ответственной за оптическое состояние атмосферы, считают субмикронную фракцию (10 - 800 нм) аэрозоля как наиболее устойчивую и долгоживущую. Характерные значения концентрации субмикронной фракции аэрозоля составляют (2 - 10)10 ³ см-3 при модальном радиусе 0.1 - 0.35 мкм. Большую роль в этой фракции играет сажа, образующаяся из горячих паров углеводородов при высокотемпературных процессах горения. Как показывают многочисленные работы, обобщенные в [12], кристаллический углерод, присутствующий в тонкодисперсном аэрозоле в виде различного рода саж, играет важную роль в радиационном режиме атмосферы. Эти частицы объединяются в хлопья размером в несколько сотых микрона и оседают на поверхности пылинок, капелек и т.д., а затем удаляются из атмосферы вместе с носителями по истечении нескольких десятков часов, а порой и 1 - 2 недель. Плотность сажи в воздухе изменяется от 1 мкг/м³ в особо чистых условиях до 10 - 30 мкг/м³ в особо задымленных, а ее доля приближается к 10% от всей массы тонкодисперсного аэрозоля. Среднегодовое количество антропогенных аэрозолей, выбрасываемых в атмосферу, составляет 30 Мт [160-168].

Рис.8.14. Извержение вулкана зарегистрированное с ИСЗ

Регистрация извержений вулканов, фумарольных факелов иаэрозольных выбросов также возможна на основе аэрокосмических средств (рис.8.14). Однако, обнаружение предвестников землетрясений из космоса задача достаточно сложная, которая требует своего решения [160,161].

Поглощаемая атмосферой и земной поверхностью энергия составляет 10⁵ ТВт, , но распределение энергии происходит неравномерно, как в силу астрономических и географических факторов, так и по причине влияния распределения аэрозоля, облаков и парниковых газов в атмосфере Земли. Атмосферные аэрозоли (в пределах размеров в диаметре 0.05-4 мкм) могут способствовать как рассеянию , так и поглощению солнечного излучения , выступать как одни из составляющих приводящих к образованию парникового эффекта атмосферы154,167.Рост альбедо системы Земля-атмосфера связан с преобладанием рассеивающего аэрозоля, физические и химические свойства поглощающего аэрозоля (например, углеродосодержащие фракции) приводят к уменьшению альбедо, усилению поглощения и к потеплению атмосферы. Наиболее важной и интегральной характеристикой атмосферных аэрозолей является измеряемая с Земли или определяемая со спутника, самолёта их оптическая толщина «» на длине волны 0.5 мкм или 0.64 мкм (0.34 и 0.38 мкм для оценки поглощающего аэрозоля, главным образом за счёт минеральной пыли и сажи) в случае спутниковых измерений4,12-19 ].Измерения отражёной радиации на одном или в нескольких каналах одновременно позволяют по определённому алгоритму найти кажущуюся оптическую толщину аэрозоля над океанами и влажной частью суши с периодичностью в сутки, 8 дней или ежемесячно с разрешением 10 на 10 км /в надир/ и при усреднениях для картирования 0.5 и по широте и долготе.

Использование методов обращения спутниковых спектральных данных NOAA AVHRR (усовершенствованный радиометр сверхвысококого разрешения) [162-167 ] или уже упоминавшегося MODIS в трёх полосах 620-670,2105-2155нм и 3.93-3.99 мкм ) и экспериментально полученной зависимости между поглощением b = f ( ) и оптической толщиной позволяет оценить величины поглощаемой солнечной радиации , в частности, в местах пыльных бурь, антропогенных выносов, пожаров (на примере сахарских выносов вблизи западной Африки (в частности, в районе внутритропической зоны конвергенции ВЗК) аравийских пустынь, промышленных зон Европы, северной Америки, южного Китая и Японии, лесных и нефтяных пожаров, в атмосфере подверженной влиянию индустриальных центров Земли.

Что и было сделано [165] на основе полученной зависимости и спутниковых данных об  получены оценки аэрозольного поглощения над морскими акваториями в различных районах Земли (табл.4.2.).

Пыле-песчанный аэрозоль выносимый из Сахары на Атлантику, из Аравийских пустынь ,Кара-Кумов ,пустынь Китая и Монголии сопровождается сильным замутнением атмосферы (с оптической толщиной аэрозолей _аэр ~ 0.20-032) и поглощением солнечного излучения до 14%(минеральной пылью, окислами железа, в частности гематита).

Внутри материковые моря, такие как Чёрное, Азовское ,Балтийское, Аральское и Каспийское подвержены влиянию антропогеннных выносов из близлежащих индустриальных зон, солепесчанных потоков (в частности из Приаралья [166] ) и пустынь, что сопровождается ростом аэрозольной оптической толщины и поглощением до 10%.Антропогенное загрязнение атмосферы способствуют увеличению концентрации сильно поглощающих частиц аэрозоля (особенно, сажи) ,что предопределяет значения величин поглощении атмосферы над акваториями вблизи индустриальных регионов США, Европы и России, Японии и Китая с использованием данных о _аэр [160,161].Лесные пожары, пожары на нефтеразработках (например, в период войны в Персидском заливе в 1991 и 2003 г.) сопровождались в отдельных местах значениями аэрозольной оптической толщины до 2 и поглощением до 20% и более, когда в дневное время наступали сумерки.

Таблица 8.2.

Cреднегодовые регионально осреднённые оценки поглощательной способности b% атмосферы и аэрозольных оптических толщин  над водной поверхностью.

Регион	Среднегодовые	Величины :
		b%
Земля(целиком) Сев. Полушарие Южное полушарие Аравийское море Гвинейский залив Акватории вблизи США Карибское море Китайское море Японское море Балтийское море Каспийское море Азовское и Чёрное море Атлант. океан вблизи зап. части Африки Север Атлантического океана Сев.-зап. Тихого океана Юг Индийского океана	0.12 0.15 0.09 0.32 0.31 0.16 0.20 0.21 0.16 0.13 0.22 0.25 0.26 0.12 0.11 0.08	2 4 1 14 13 6 7 8 5 3 8 10 10 2 2 1

Связанная с затронутой темой проблема контроля за опустыниванием тоже по силам методам аэрокосмического мониторинга.Площадь "антропогенных" пустынь на планете в настоящее время составляет 9,1 млн. кв. км, около 35% аридных земель мира находятся на грани опустынивания, ежегодные темпы потери земель в результате опустынивания составляют примерно 50 тыс. кв. км [169,171].

На территории государств-участников СНГ площадь пустынь составляет около 2 млн. кв. км, из которых 19% подвержено сильному, 22% - среднему и 34% - слабому опустыниванию.

Ежегодно теряются огромные площади сельскохозяйственных угодий. Почвы деградируют вследствие потери плодородия, эрозии, засоления, пере увлажнения, заболачивания и опустынивания. Плодородные территории пропадают за счет строительства, устройства карьеров и водохранилищ. Вынос питательных веществ из почвы превышает их пополнение. Наши черноземы уже потеряли треть своего гумуса, а плодородный слой уменьшился на 1-15 см. До недавнего времени, когда сельскохозяйственные производители могли себе позволить использовать материалы сельхозхимии, почвы были сильно загрязнены удобрениями и пестицидами. Имеют место загрязнения солями тяжелых металлов. В целом же на земном шаре с середины прошлого века утрачена почти пятая часть плодородного слоя.

Актуальна проблема опустынивания, возникшая, в основном, в результате нерационального природопользования. Она рассматривается мировым сообществом как серьезнейшее нарушение во взаимоотношениях системы "человек-природа". Опустынивание особенно интенсивно проявляется на аридных (засушливых) территориях, занимающих более 30% земной суши с населением 900 млн. человек. На эти районы приходится около 20 млн. га орошаемых, 170 млн. га багарных земель и 3,6 млрд. га пастбищ.

Стратегия борьбы с опустыниванием и другими природными и техногенными бедствиями требует объединенных усилий государств с широким использованием достижений науки и техники в рамках создания в 21-м веке системы аэро-космического мониторинга чрезвычайных ситуаций планетарного связанными с метеорологическими катаклизмами и глобальными экологическими катастрофами- посильная и насущная задача международного сотрудничества.