Российские космические средства и международные системы предупреждения о чрезвычайных ситуациях: перспективы интеграции

Актуальность проблем предупреждения о чрезвычайных ситуациях связана с теми катастрофическими последствиями и огромным материальным ущербом, которые эти чрезвычайные ситуации могут принести.

Предупрежден — значит, вооружен

Из истории хорошо известны случаи образования гигантских цунами в результате вулканической деятельности или землетрясений в океанских глубинах. В 1883 году при взрыве вулкана Кракатау в Зондском проливе между островами Ява и Суматра гигантская волна смыла в море более 36 тысяч человек. Через тринадцать лет в Японии волны высотой 15 м привели к смерти нескольких тысяч человек. В 1933 году у японского побережья Санрику, где высота волн достигала 24 м, погибло три тысячи жителей.
Самое разрушительное цунами в новейшей истории произошло 26 декабря 2004 года в Индийском океане у берегов Индонезии и Таиланда. В результате землетрясения образовалась гигантская волна, которая унесла жизни около 300 тысяч человек и причинила огромный материальный ущерб. По оценкам ООН, это событие стало крупнейшей природной ката­строфой, постигшей человечество за последние 100 лет.
С момента возникновения волны до удара цунами по Шри-Ланке, где зарегистрировано наибольшее число жертв и разрушений, а также по восточному побережью Индии, Бангладеш и Мальдивским островам прошло почти два часа. Если бы признаки приближения цунами были обнаружены, а население своевременно предупреждено, многих жертв удалось бы избежать. Пятилетней давности трагедия еще раз напомнила о необходимости новых подходов к мониторингу природной среды, выявлению предвестников и прогнозированию крупномасштабных чрезвычайных ситуаций.
Существенную роль здесь могут сыграть космические системы предупреждения о чрезвычайных ситуациях и обеспечения ликвидации их последствий. Современные космические средства обладают целым рядом уникальных свойств, среди которых наиболее важны в данном случае глобальность наблюдения и возможность оперативной, своевременной передачи информации.

Стихия всегда идет на «вы»

Все многообразие чрезвычайных ситуаций по характеру происходящих физических явлений можно условно разделить на четыре группы. Первая группа — это литосферные процессы (землетрясения, вулканы, цунами). Вторая — процессы метеорологические (тайфуны, ураганы, грозы). К третьей группе относятся геолого-географические явления (сели, обвалы, оползни, лавины). Наконец, чрезвычайные ситуации четвертой группы — это антропогенные процессы (потоки электромагнитного излучения, индустриальные выбросы, пожары, аварии, деградация почв, земель и городской среды обитания).
Предвестниками чрезвычайных ситуаций, обусловленных литосферными процессами, могут служить явления, происходящие в ионосфере, а также изменение рельефа и температуры поверхности Земли. К ионосферным предвестникам сейсмических явлений относятся, например, изменения оптического излучения атомарного кислорода, электрических и магнитных полей, концентрации заряженных частиц в ионосфере. Эти явления могут быть зарегистрированы спутниковыми радиофизическими методами, например по изменению радионавигационных сигналов, прошедших через ионосферу.
Изменение рельефа перед началом землетрясения может составлять от нескольких сантиметров до десятков сантиметров. Перемещения земной коры можно регистрировать методом дифференциальной интерферометрии с использованием радиосигналов навигационных спутниковых систем или при их совместном использовании с данными высокочувствительных радиолокационных станций.
Наконец, значимым признаком предстоящего землетрясения является повышение температуры поверхности Земли в районе будущего очага в радиусе десятков километров на 3-5°С. Современные инфракрасные системы космического базирования уверенно регистрируют подобные тепловые аномалии.
Характерными признаками чрезвычайных ситуаций, обусловленных метеорологическими процессами, являются градиенты температурных полей, обуславливающие формирование и перенос воздушных масс, вариации температуры подстилающей поверхности, образование в атмосфере грозовых, спиральных и вихревых структур. Все это хорошо регистрируется при обработке изображений, получаемых с помощью инфракрасной, гиперспектральной и радиометрической аппаратуры метеоспутников.
Имеются предвестники и у геолого-географических чрезвычайных ситуаций. К ним относятся: изменения рельефа земной поверхности, увлажненности породы, плотности, рыхлости, подвижности почвенных и подпочвенных структур, вариации объема снега на склонах гор, изменения уровня вод в реках, озерах, на ледниках, наконец, формирование нависающих геологических структур. Все эти признаки могут регистрироваться в результате обработки данных, полученных с помощью оптико-электронной бортовой аппаратуры в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне, а также информации космических радиолокаторов.
К чрезвычайным ситуациям антропогенного характера, оказывающим влияние на состояние окружающей среды, относятся: проливы нефтяных продуктов на суше и в водных акваториях, выбросы газообразных продуктов в атмосферу в результате работы промышленных предприятий, загрязнение атмосферы за счет работы авиационных двигателей и при запусках ракет, техногенное загрязнение сельскохозяйственных угодий, водоемов, городских территорий, мощное радиоизлучение искусственных источников и многие другие факторы. Они хорошо распознаются, в частности, по изменениям отражательной и излучающей способности наблюдаемой поверхности, свойств прохождения радиосигналов через ионосферу. В ряде случаев космические аппараты реги­стрируют и электромагнитное излучение искусственного происхождения.

Мировой патруль

Оперативно полученная информация от космических средств существенно улучшает качество прогноза стихийных бедствий и техногенных катастроф. При этом глобальный оперативный мониторинг эффективен только при создании международных космических систем предупреждения о чрезвычайных ситуациях и обеспечения ликвидации их последствий. В настоящее время в мире реализуется ряд подобных проектов. Среди них — международный проект «Глобальная система систем наблюдения Земли» (GEOSS), совместная программа стран Евросоюза «Система глобального мониторинга в интересах окружающей среды и безопасности» (GMES), проект Азиатско-Тихоокеанского регионального форума космических агентств «Страж Азии» (Sentinel Asia), наконец, проект «Международная система мониторинга стихийных бедствий» (DMC).
Особо следует отметить программу UN Spider, учрежденную резолюцией Генеральной Ассамблеи ООН 14 декабря 2006 г. и направленную на использование возможностей Организации Объединенных Наций для обмена космической информацией в целях предупреждения о чрезвычайных ситуациях, экстренного реагирования и ликвидации их последствий.
Существенный вклад в решение рассматриваемых проблем вносит основанная в 1950 году Всемирная Метеорологическая Организация (ВМО). ВМО — одна из основных международных организаций, работающих под эгидой ООН. Помимо глобального мониторинга погоды она решает и задачи предупреждения о чрезвычайных ситуациях в атмосфере, в океане и на суше.
Российская Федерация является активным членом ВМО и согласно соответствующему договору обязуется создавать и эксплуатировать национальную космическую систему гидрометеорологического обеспечения (КС ГМО), являющуюся неотъемлемой частью глобальной метеосистемы.
С запуском в 2009 году полярно-орбитального космического аппарата «Метеор-М» №1 Россия на практике возобновила выполнение своих международных обязательств перед ВМО. А после планирующегося запуска метеоспутника «Электро-Л» №1 будут реализованы обязательства по поддержанию геостационарной составляющей международной метеорологической системы, в которую уже входят геостационарные и среднеорбитальные КА ДЗЗ США, Китая, ESA, Японии и России.

Российские спутники для глобального дозора

Остановимся на перспективах развертывания российской орбитальной группировки космических аппаратов дистанционного зондирования Земли, данные с которых могут использоваться в интегрированных системах предупреждения о чрезвычайных ситуациях и обеспечения ликвидации их последствий. В состав отечественной орбитальной группировки до 2020 года войдут космические аппараты природно-ресурсного назначения, метеонаблюдения и океанографического обеспечения, высокодетальной съемки и картографии и космические аппараты для мониторинга чрезвычайных ситуаций.
Сегодня на орбите функционирует российский космический аппарат природно-ресурсного направления «Ресурс-ДК». В рамках Федеральной космической программы планируется создание еще нескольких аппаратов этого типа.
17 сентября 2009 г. с космодрома «Байконур» был успешно выведен на орбиту средневысотный КА «Метеор М». В его задачи входит гидрометеорологическое наблюдение, исследование природных ресурсов Земли и экологический мониторинг.
В ближайшее время на геостационарную орбиту должен быть запущен метеоспутник нового поколения «Электро-Л», обеспечивающий оперативное получение изображений облачности и подстилающей поверхности Земли для оценки хода глобальных атмосферных процессов, проведение гелиогеофизических измерений, сбор и ретрансляцию гидрометеорологической и служебной информации. Целевая аппаратура этого космического аппарата позволит оперативно обнаруживать и прогнозировать такие стихийные природные явления, как ураганы, тайфуны, наводнения и другие.
Роскосмос реализует также проект создания системы оперативного краткосрочного прогноза землетрясений. В 2006 году был осуществлен запуск экспериментального малого КА «Вулкан-Компас-2». В настоящее время накопленный опыт используется при создании КА «Канопус-В», который предназначен для обнаружения признаков и мониторинга природных и техногенных чрезвычайных ситуаций, включая землетрясения, лесные пожары, стихийные гидрометеорологические явления, крупные выбросы загрязняющих веществ и так далее. Космический аппарат массой около 400 кг планируется вывести на солнечно-синхронную орбиту.
Программа по созданию КА «Канопус-В» № 1 выполняется совместно с созданием белорусского космического аппарата БКА. Эти спутники будут функционировать совместно, образуя интегрированную систему. Совместный запуск КА «Канопус-В» № 1 и БКА запланирован на второй квартал 2010 года. В перспективе данная система будет расширена за счет запуска еще трех российских КА типа «Канопус-В» (запуски в 2012 и 2014 гг.)
Значительный вклад Россия вносит в развитие системы КОСПАС-САРСАТ, которая предназначена для сбора данных о терпящих бедствие морских и воздушных транспортных средствах по всей территории Земли для организации поисково-спасательных работ. Российский сегмент системы должен включать не менее двух КА и соответствующую наземную инфраструктуру. В настоящее время запущены два малогабаритных КА «Стерх» нового поколения, а в дальнейшем технические средства КОСПАС-САРСАТ предполагается устанавливать на геостационарных космических аппаратах «Электро-Л», «Луч-5» и космических аппаратах системы ГЛОНАСС. Модернизация системы позволит повысить точность определения координат терпящих бедствие объектов до 100 м и менее и добиться оперативности получения аварийного сообщения менее 10 секунд.
Важным вопросом является обеспечение оперативной передачи информации о чрезвычайных ситуациях в центры управления, обеспечение функционирования сегментов систем, средств индивидуальной и служебной связи. С этой целью целесообразно использовать системы космической связи на базе многоспутниковых низкоорбитальных группировок типа российской системы «Гонец» или американских КС «Ирридиум» или «Глобстар».
Не менее важны при прогнозировании чрезвычайных ситуаций и ликвидации их последствий возможности глобальных навигационных систем типа ГЛОНАСС или GPS.
Уже реализованные с использованием спутниковой навигации технологии мониторинга деформационных параметров в эпицентральной области по анализу аномальности изменений позволяют прогнозировать вероятное время сейсмического события. Применение навигационной аппаратуры ГЛОНАСС/GPS в комплексе с технологиями мониторинга деформационного поля и методами дистанционного зондирования Земли для прогноза сейсмической активности имеет существенные преимущества перед наземными методами в части точности, площадного охвата, возможности автоматизации измерений и взаимодействия с другими измерительными комплексами.
Одной из главных задач ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций является четкая оперативная организация и координация проводимых работ. При оказании помощи пострадавшим и оставшимся без крова в условиях разрушения местной инфраструктуры особую важность приобретают также вопросы рационального распределения ресурсов и логистики. Создание единой мобильной информационно-навигационной диспетчерской системы на основе навигационной аппаратуры ГЛОНАСС/GPS существенно повысит эффективность управления работами по ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций. Заблаговременная реализация такого подхода в рамках системы управления функционированием потенциально опасных объектов также позволит значительно повысить эффективность целевых работ, оперативно выявлять возникновение нештатных ситуаций и принимать эффективные предупреждающие меры и управляющие решения на ранних стадиях развития ситуации.
Возвращаясь к обсуждению роли космических средств в борьбе с чрезвычайными ситуациями, следует также отметить, что в настоящее время специалистами Российской академии космонавтики имени К. Э. Циолковского в инициативном порядке разработан проект создания специализированной Международной аэрокосмической системы мониторинга чрезвычайных ситуаций (МАКСМ), включающей целый ряд космических аппаратов на различных орбитах, а также авиационные средства.

Орбиты разные, но цель — одна

Интеграция России и других стран в рамках создаваемых международных структур взаимодействия является одной из основополагающих задач международного сотрудничества в области предупреждения о чрезвычайных ситуациях и обеспечения ликвидации их последствий.
Безусловный интерес представляет дальнейшее развитие работ по инте­грации России в систему GEOSS, которая выступает как «система систем», объединяя существующие и будущие системы наблюдения Земли из космоса с сохранением их национальной принадлежности и внутренней структуры управления. Наша страна принимала непосредственное участие в разработке и корректировке десятилетнего (2005-2015 гг.) плана создания GEOSS. Четкое определение архитектуры системы, протоколов и механизмов обмена оперативными данными имеет основополагающее значение для успешного функционирования GEOSS, и эти вопросы должны решаться в ходе равноправных переговоров между всеми участниками проекта.
Будучи европейским государством, Россия заинтересована в участии в системе глобального мониторинга в интересах охраны окружающей среды и обеспечения безопасности (GMES). Здесь сотрудничество между нашей страной и Евросоюзом должно строиться с учетом потребностей российских и европейских пользователей космической информации и возможностей эффективного применения современных и перспективных космических аппаратов. К ним относятся, в частности, российские КА «Ресурс-ДК», «Метеор-М», в перспективе — «Канопус-В», «Электро-Л», «Ресурс-П» и другие, а также такие европейские спутники, как Spot, Rapid Eye, TerraSar, SkyMed и Envisat.
Учитывая существенную азиатскую составляющую российской территории и внешней политики, представляется целесообразным участие России в Системе предупреждения о катастрофах и стихийных бедствиях «Страж Азии». В настоящее время для целевых задач в рамках данной системы могут быть использованы данные с отечественных космических аппаратов дистанционного зондирования Земли, а также с планируемого спутника радиолокационного зондирования «Аркон-2М». В свою очередь, для российских потребителей будет представлять интерес информация с таких аппаратов, как ALOS (Японское космическое агентство JAXA), Terra+Aqua (NASA) и ряда других.
Вопрос участия России в международной системе мониторинга стихийных бедствий DMC целесообразно рассматривать в связи с созданием и последующей эксплуатацией отечественного КА «Канопус-В», который так же, как и все спутники системы DMC, создается с использованием ряда технических решений английской компании SSTL (недавно вошедшей в состав EADS Astrium) и предназначен для решения аналогичных мониторинговых задач.
Следует подчеркнуть, что для изучения предвестников землетрясений в российских проектах предполагается установка отдельных научных приборов на большинстве запускаемых российских КА, что позволит набирать статистику в целях повышения достоверности прогноза.

В заключение необходимо отметить следующее. Далеко не всегда для решения актуальных и прогнозируемых на среднесрочную перспективу задач мониторинга чрезвычайных ситуаций и парирования их последствий необходимо развертывание специализированных космических средств или создание специализированных многоспутниковых систем. Речь должна идти об интеграции возможностей космических средств различного целевого назначения, создаваемых в рамках Федеральной космической программы России, других национальных и международных программ, о реализации протоколов и наземных сетей обмена целевой информации (как это реализуется, например, в программе ООН UN Spider. С учетом особенностей космических средств дистанционного зондирования рост уровня международного взаимодействия приведет к получению синергетического эффекта за счет роста покрытия, сокращения срока реагирования (перенацеливания космических средств) при использовании спутниковых каналов передачи данных и технологий ГЛОНАСС/GPS, наконец, обеспечит справедливое участие в программах использования данных дистанционного зондирования при борьбе с чрезвычайными ситуациями развивающихся стран. Россия осознает всю важность данного направления космической деятельности и будет в дальнейшем активно участвовать в планировании и реализации международных проектов в области создания и использования космических средств обеспечения и проведения мониторинга и парирования последствий чрезвычайных ситуаций природного и антропогенного характера.

Анатолий Перминов, д.т.н., руководитель Федерального космического агентства,

Геннадий Райкунов, д.т.н., генеральный директор  ФГУП ЦНИИмаш