31 июля. День двадцать второй
В этом интервью вы узнаете, почему Дмитрия Ковалева, ведущего инженера кафедры информационных систем и технологий САФУ, называют метеорологическим шаманом и почему облачность — злейший враг ледового эксперта.
Проект, с которым Дмитрий Ковалев работает в рейсе «Арктического плавучего университета», называется «Исследование высокоширотной ионосферы на границе приполярного аврального овала». Этот проект осуществляется уже шестой год совместно с Институтом прикладной геофизики академика Е. К. Федорова.
— Чтобы объяснить, почему и как я оказался на борту «Профессора Молчанова», я должен отступить немного назад. В 2013 году я второй год работал в Центре космического мониторинга Арктики. Мы занимались дешифровкой и тематической обработкой спутниковых снимков, и по этим результатам вели экологический и ледовый мониторинг.
Вокруг Земли вращается огромное количество спутников, которые можно разделить на определенные группы или, правильней, группировки. Например, есть спутники связи — те, которые обеспечивают нам интернет на борту, телевещание и прочее. Есть навигационные спутники, всем известные GPS и ГЛОНАСС. Третья группа — метеорологические спутники, одни из основных спутников, это, например, NOAA. Погодные спутники бывают геостационарными и полярно-орбитальными. Четвертая большая группа — спутники дистанционного зондирования земли (ДЗЗ).
Возьмем для примера ДЗЗ. Поскольку наш целевой регион — Арктика и Северный морской путь, то возникает первая большая проблема — полярная ночь. Вторая проблема — большинство дней, более трехсот, в году облачные. Обычный оптический арктический спутник ДЗЗ представляет собой просто телескоп, к которому прикреплен очень сложный «фотоаппарат». В отличие от обычного фотоаппарата он снимает не только в привычных нам видимых цветах, но и в цветах, которые мы не видим: инфракрасный, ультрафиолетовый и т. д. Например, есть обзорный спутник «Terra», «фотоаппарат» которого (MODIS) снимает в тридцати шести спектральных каналах. Выбирая определенное сочетание каналов и выполняя с ними различные математические преобразования и операции, можно увидеть наличие или отсутствие определенных групп растительности, можно классифицировать морской лед по типам и так далее. Оптическим спутникам очень мешает облачность, поэтому есть еще и радарные спутники, которые в отличие от оптических активны: они излучают радиоволны, а потом ждут отражения. Таким спутникам облачность или полярная ночь не страшна.
Почему все считают, что я связан с метеорологией? На самом деле, я с ней не очень связан, если бы не одно «но». Поскольку моя работа и задача в Центре — тематическое дешифрирование космических снимков, и мы ищем, например, разливы нефти, терпящие бедствие суда, участки максимальной напряженности льда, тяжелые даже для прохождения ледоколами, то мне очень здорово мешает погода, в частности облачность. Всегда важно знать, будет облачность или нет. Чтобы заказать снимок определенного участка, нужно за 24, а лучше за 48 часов спланировать этот снимок с оператором спутника. Чтобы он качественно получился, я должен точно знать, что в момент, когда будет пролетать спутник, ожидается ясная, малооблачная погода. Для этого мне и приходится заниматься метеопрогнозами.
Я использую специальную программу, которая способна запрашивать информацию с серверов NOAA на предмет тех данных, которые мне необходимы: температура, влажность воздуха, скорость и направление движения воздушных масс, атмосферное давление. Далее принятые данные визуализируются в метеокарту, например, можно посмотреть, какая будет облачность и направление ветра в определенный момент времени. Более простым аналогом такой программы является сайт windy.com, которым часто пользуются яхтсмены-любители.
Прогнозы, которые приходят на мостик в виде телеграмм, к сожалению, напоминают что-то вроде лотереи: на моей памяти они ни разу близко не совпали с реальностью.
Почему Константин Сергеевич называет меня шаманом? Я получаю огромный массив данных, и понятно, что любая модель весьма условна и не передает всех нюансов той или иной территории, это ведь общая атмосферная модель, на весь земной шар. Я знаю, как скорректировать данные, чтобы прогноз был более достоверным для конкретного участка, могу прогнозировать так называемые «окна спокойствия». Например, окно спокойствия в плюс/минус полчаса для полевой высадки имеет огромное значение. Как-то раз я сказал, что мне нужно немного подшаманить с цифрами, и тогда я могу сказать точно, сможем ли мы здесь высадиться и во сколько надо вернуться обратно, на борт. Вот и прилепилось, теперь меня поддразнивают метеорологическим шаманом.
— Как можно вычислить окна спокойствия?
— Есть и определенные математические зависимости, есть и результаты наблюдений за разные месяцы и разные годы в схожих условиях, накоплен большой архив данных, есть тенденции, и я могу на основе всей этой информации сделать прогнозы об ожидаемом периоде затишья.
— Откуда вы получаете метеоданные?
— Программа получает информацию с сайта, на который выкладывается информация со спутника. Она обрабатывается теперь без участия человека, автоматически. Система достаточно совершенна, она ни разу не подводила меня и экспедицию АПУ с 2013 года.
— Кому выгодно выкладывать эти данные?
— Данные публикуются оператором спутника регулярно на некоммерческой основе. Есть и те, кто покупает данные, но они уже получают их более оперативно, а так данные обновляются и уточняются каждые три часа. Зайти на сайт, просто набрав ссылку в браузере, не получится. Чтобы получить доступ к серверу со спутниковыми данными, нужно писать специальный запрос на этот сайт, для чего используется либо язык программирования, либо специальное программное обеспечение.
— Для чего вы обрабатываете снимки со спутника?
— Чаще всего мы делаем это на заказ, это коммерческие снимки. Оператор спутника и мы получаем за это деньги. Кроме того, прием и обработка ведутся в научных и образовательных целях. Проводится регулярный мониторинг большого количества разных объектов, а не только льда на территории Северного морского пути. В зону мониторинга так же входят многие порты, например, Новороссийский. Иногда возникает ситуация, когда танкеры сбрасывают нефтепродукты в воду. На снимках это хорошо видно, можно определить не только, когда это сделано, но и модель танкера, по ней, по времени прохождения и координатам можно определить владельца. Неоднократно мы выступали в роли экспертов по запросам прокураторы и в Архангельске, и в других городах.
Еще мы проводили мониторинг, например, алмазных месторождений по заказу добывающей компании. Для нее дешевле изучить детальный снимок с разрешением 70 сантиметров, где видно расположение отвалов породы, движение самосвалов и прочее, чем отправлять на место вертолет.
— В чем отличие от гугл-карт?
— Разница между гугл-картами и тем, что мы делаем, в том, что гугл-картинка уже приведена к естественным цветам, это просто рисунок, ничего, кроме того, что мы уже видим, вытянуть из этого рисунка нельзя. Мы же принимаем космоснимок, содержащий большое количество спектральных каналов в специальном формате. И этот «сырой» снимок нужно довести до того, что мы называем продуктом. Например, мне нужно найти заболевания растений, ветровалы, то есть когда ураган повалил деревья, и нужно определить участок, куда отправлять бригаду для работы. Это намного дешевле, чем собирать экспедицию, вертолеты и прочее. Поэтому и называется — дистанционное зондирование Земли.
Если я ищу разливы нефти, то использую одно сочетание каналов и определенные алгоритмы обработки, если ищу болезнь растений — совершенно другое, ветровалы — третье, заболоченные участки — четвертое и так по всем тематическим задачам.
— Можно ли восстановить прошлые события, обработав спутниковые снимки? Например, можно ли найти пропавшего человека, проследить его маршрут?
— Тут нужно понимать, что, во-первых, на снимках обзорных спутников отдельного человека не видно, разве что крупное скопление людей. Нужно гораздо более высокое разрешение. Все это пока на уровне научной фантастики. Но в будущем, полагаю, возможно. Вообще, есть такая система экстренного реагирования, когда спутники разных стран объединяются в единую группу и дают комплексный выброс информации. Чтобы это произошло, должно произойти масштабное событие, например, массированный розлив нефти, колоссальный пожар или выброс пепла из проснувшегося вулкана. Тогда все спутники объединяются в некую «мировую сеть» и совместными усилиями устанавливают, что и когда произошло и как развиваются события.
— Можно ли допустить такую ситуацию — информация со спутника, которая лежит в открытом доступе, используется в не очень хороших целях?
— Даже в голову такое не приходило...
— Например, по программе видна облачность...
— ...и можно спилить и вывезти пол гектара леса. Теоретически такое возможно. К нам было подобное обращение из прокуратуры. На определенном участке был завезен качественный песок под строительство такого-то числа, а такого-то числа песка на месте уже не было. Мы искали детальные снимки за этот период. Нашли: видны машины, номеров которых, конечно, не разглядеть, но можно установить модель, движение, в каком направлении ехали. Эти данные потом приобщались к уголовному делу.
— Как работа с дешифровкой снимков помогает вашей научной деятельности?
— На «Профессор Молчанов» я попал как ледовый эксперт. Поскольку экспедиция 2012 года показала, что данные, которые приходили в виде телеграмм, не помогают навигации. Было много неудачных попыток прохода к ЗФИ и работы в Карском море. Срывались высадки, терялось время, маршрут был заведомо заблокирован непроходимыми ледовыми полями. Стало понятно, что судно практически не имеет нормальных средств доставки метео-информации с Земли. В 2013 году был предпринят эксперимент — пригласить меня в качестве ледового эксперта, и первый опыт оказался позитивным. Мы смогли предсказать, через какие проливы можно пройти, удалось высадиться на острове Хейса, который обычно закрыт в это время.
— И еще одно слово в названии вашего проекта — ионосфера.
— Когда я говорю ионосфера, все пугаются обычно, потому что мало кто знает, что это такое и зачем нужно. Ионосферой принято считать ту область атмосферы, которая тянется от 50 км и выше. Важно понимать, что ионосфера нестабильна, живет своей определенной жизнью и оказывает на нас не прямое, а скорее опосредованное влияние. Во-первых, есть утилитарная задача — без ионосферы мы не могли бы осуществлять радиосвязь на дальние расстояния. Так как ионосфера действует как отражатель, то мы можем связываться с людьми на противоположной части земного шара. Ионосфера и помогает, и мешает в распространении радиоволн. Для космического аппарата на орбите ионосфера создает почти непреодолимый заслон, чтобы отправить и получить сигнал, нужна определенная энергия и определенные частоты, которые пропускает ионосфера (частоты называются окнами прозрачности). Ионосфера связана с геомагнитным полем, и эта связь взаимная. Магнитные аномалии и магнитные бури, вспышки и повышенная солнечная активность — все это тесно связано и влияет на наше здоровье. Почему Арктика и ионосфера? Арктика — это целевой регион, где сейчас активно развивается инфраструктура, промышленность, добыча нефти, и чтобы осуществлять транспорт и логистику, нужна качественная связь. Необходимо уметь обходить подводные камни верхней атмосферной оболочки Земли.
Еще одно — если нашу Землю рассматривать как обычный магнит, то магнитное поле в районе экватора в целом однородно, а в районе полюсов есть своеобразная воронка, эти области называются областями приполярного каспа. Я изучаю проекцию воронки магнитного поля Земли, которая и является границей аврального овала (зона полярных сияний). Эта граница может расширяться, сужаться, она ведет себя по-разному в зимнее и летнее время, утром и вечером. Поведение и сложная морфология ионосферы оказывает влияние и на навигационные спутниковые системы. В настоящее время задача точного определения координат имеет приоритетное значение при навигации, строительстве, мониторинге ледников, авиаперевозках в Арктическом регионе. В связи с активным освоением Арктики данные об ионосфере особенно важны: они позволяют уточнить расчетные алгоритмы, что в свою очередь позволяет повысить точность определения координат.
