Фотофакты. Как алтайские исследователи изучают Землю с помощью космических спутников

февраль 26, 2015

В день Российской науки, что отмечался 8 февраля, в Алтайском государственном университете торжественно открыли новый учебно-исследовательский Центр радиофизики, физики космоса и космических технологий. Теперь ученые-физики классического вуза могут не только обрабатывать информацию, передаваемую космическими спутниками, но и осуществлять подготовку молодых ученых со студенческой скамьи. Один из руководителей Центра, Роман Райкин, рассказал корреспонденту газеты "Маркер-Экспресс" о том, какую пользу принесет новая лаборатория студентам, и что нового она может дать нашему региону.

- Исследования в области физики космоса ведутся в Алтайском государственном университете в течение почти сорока лет. В 2001 году в нашем университете был открыт один из первых в России вузовских центров космического мониторинга, главной задачей которого являлось осуществление мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций на территории Алтайского края по заказу краевого управления МЧС. В режиме, близком к режиму реального времени, мы обрабатываем данные с природно-ресурсных спутников, оснащенных мультиспектральными приборами, способными обеспечить большой объем физической информации о состоянии атмосферы и подстилающей поверхности. Ключевой особенностью, определяющей ценность данных центра для лиц, принимающих решения, является оперативность – с большинства приборов данные принимаются несколько раз в сутки. На крыше высотного здания главного корпуса функционируют три станции приема производства ИТЦ "СканЭкс" (Москва). Мы принимаем данные среднего и низкого разрешения (хотя имеется техническая возможность приема данных высокого разрешения), преимуществом которых является возможность организации оперативного мониторинга всей территории края и сопредельных регионов для решения широкого спектра фундаментальных и прикладных задач.

- Для чего это необходимо?

- Так центр ведет работу по мониторингу и прогнозированию паводковой и лесопожарной обстановки. Ясно, что для этого необходимо не только наблюдение за изменением ситуации в районах, где возникли ЧС, но и постоянный анализ большой совокупности взаимосвязанной информации (например, о влагозапасе снежного покрова в бассейнах рек задолго до развития паводка), которая не получается напрямую из спутниковых данных, а требует сложной математической обработки и глубокого понимания физических процессов, сопровождающих прохождение излучения через земную атмосферу, его отражение от почвы, растительного покрова и прочего. К слову, избыток снега в этом году при неблагоприятных погодных условиях весной вновь может способствовать мощному паводку, по масштабам сравнимому с прошлогодним. Поэтому краю и необходим коллектив профессиональных исследователей, в первую очередь физиков, а также географов, биологов, химиков, экономистов, способных решать междисциплинарные задачи.
Открывшийся центр позволит нам эффективно обучать таких специалистов, которые с одной стороны, имеют фундаментальное университетское образование, а с другой – готовых сразу после завершения обучения включиться в работу по прикладным мультидисциплинарным проблемам. Возросли наши возможности и по переподготовке и повышению квалификации специалистов-экономистов и управленцев, испытывающих потребность в использовании данных дистанционного зондирования Земли из космоса при решении своих задач.

- Pяд СМИ заявил, что в вашем Центре будут прогнозировать погоду. Неужели вы отберете хлеб у синоптиков?

- Одной из задач, которую решает наш центр – это краткосрочный прогноз опасных гидрометеорологических явлений. По спутниковым данным мы можем указать зоны, в которых велика вероятность возникновения ураганных и шквалистых ветров, очень сильных осадков, аномально холодных или, наоборот, жарких температур воздуха. Эта информация используется специалистами ККУ "УГОЧС и ПБ в Алтайском крае", поэтому синоптики без хлеба не останутся.

- А чем занимаются в новой лаборатории студенты и аспиранты?

- Ну, прежде всего, конечно, учатся. Изучая достаточно обширный спектр курсов и модулей, связанных с физическими основами дистанционного зондирования Земли из космоса, теорией и математическим моделированием процессов прохождения излучения через вещество, высокопроизводительными параллельными вычислениями и др., они смогут воспользоваться реальными спутниковыми данными. Затем на серверах Центра и мощных суперкомпьютерах нашего партнера – Института вычислительных технологий СО РАН они смогут осуществить обработку этих данных как с помощью освоенных стандартизированных программных продуктов и ГИС, так и на основе самостоятельно разработанного программного обеспечения, реализующего новые алгоритмы и технологии. Думаю, не нужно объяснять, что "сырые" спутниковые данные невозможно без специальной многоэтапной обработки даже визуализировать, не говоря уже о том, чтобы получить информационные продукты, раскрывающие реальную содержательную информацию, необходимую конечным пользователям.

- И где же будут храниться эти данные?

- Одним из важных направлений деятельности студентов, аспирантов и молодых ученых, работающих в центре, является создание регионального геопортала Алтайского края, интернет-ресурса, на котором будут публиковаться данные, адаптированные под потребности различных пользователей – от органов власти и специальных служб до частных лиц. Этот геопортал станет частью информационной системы обеспечения органов власти края данными оперативного космического мониторинга территории, структура которой разработана нами в прошлом году по заказу Главного управления экономики и инвестиций Алтайского края. Разумеется, те наши студенты, которые выбрали данное направление в качестве темы для своих выпускных квалификационных работ и диссертаций, теперь получили дополнительные возможности по реализации своих идей в условиях хорошо оснащенного центра, предоставляющего все необходимое для плодотворной работы.

- А как ученые Центра продвинулись в работе над фундаментальными научными исследованиями?

- Как это и должно быть в случае университетской научной школы, помимо прикладных задач, наш коллектив под руководством профессора А. А. Лагутина эффективно работает и в направлении решения фундаментальных научных проблем. Это исследования регионального климата, для проведения которых также необходимы суперкомпьютерные ресурсы и "подпитка" климатических моделей данными спутникового мониторинга. Результатом этой работы стали важные выводы о возможном поведении климатической системы Западной Сибири в ближайшие годы. В частности, данные моделирования свидетельствуют, что на территории края в ближайшие пять средняя температура воздуха в приземном слое буден понижаться.

Другим фундаментальным направлением является астрофизика космических лучей. Это как раз та область, в которой коллектив кафедры радиофизики и теоретической физики ведет исследования с момента своего образования в середине семидесятых годов. Эксперименты показывают, что в космических частицах, потоки которых достигают Земли, будучи рожденными и ускоренными неизвестными источниками в далеком космосе, имеется аномальный избыток позитронов именно высоких энергий, что и получило название
"загадка космических позитронов". Эти данные могут быть объяснены распадом частиц темной материи,  гипотетической формы материи, которая не испускает электромагнитного излучения и не взаимодействует с ним, однако проявляет себя в гравитационном взаимодействии с обычной материей.

Темная материя в сумме с так называемой темной энергией составляют около 96% массы Вселенной. Поэтому объяснение этих загадочных феноменов представляет собой важнейшую проблему современной физики. В АлтГУ разработана модель аномальной диффузии космических лучей в межзвездной среде, которая позволяет успешно описать большую совокупность наблюдательных данных об избытке позитронов в космических лучах без необходимости учета вклада темной материи. Этот важный результат можно проиллюстрировать рисунком из нашей недавней статьи, на котором хорошо видно, что предсказания, полученные в рамках модели, подтверждаются экспериментальными данными с детекторов, размещенных, кстати, вновь на искусственных спутниках Земли.

- Сложно представить, что все это ваш коллектив сделал в одиночку...

- Конечно, нет. Нам оказал существенную поддержку инженерно-технологический центр "СканЭкс", занимающийся производством станций приема, хранения и обработки изображений Земли из космоса и передавший нам специализированное программное обеспечение. Созданный Центр использует сетевые и суперкомпьютерные ресурсы, а также хранилища данных совместной с Институтом вычислительных технологий СО РАН лаборатории. Финансирование создание центра осуществлялось в рамках двух программ: Программы развития деятельности студенческих объединений и Программы стратегического развития Алтайского государственного университета. Идея создания студенческой учебно-научной лаборатории физики космоса как части кластера лабораторий, реализующих потенциал развития молодежной науки в университете, принадлежит ректору АлтГУ С. В. Землюкову. Таким образом наш Центр — это продукт расширения и углубления сотрудничества, объединения разных направлений, связанных с физикой космоса и космическими технологиями.