Исследование температурного режима территории Семипалатинского полигона с использованием пространственно-временной агрегации длинных рядов спутниковых измерений

Мамаш Елена Александровна; Аюнов Дмитрий Евгеньевич; Кихтенко Владимир Андреевич; Смирнов Валентин Валентинович; Чубаров Дмитрий Леонидович

УДК 528.88

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ТЕРРИТОРИИ СЕМИПАЛАТИНСКОГО ПОЛИГОНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ АГРЕГАЦИИ ДЛИННЫХ РЯДОВ СПУТНИКОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

Елена Александровна Мамаш

Институт вычислительных технологий СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, кандидат физико-математических наук, и. о. зав. лабораторией, тел. (383)334-91-77, е-mail: elenamamash@gmail.com

Дмитрий Евгеньевич Аюнов

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат физико-математических наук, ведущий программист лаборатории естественных геофизических полей, тел. (383)333-03-99, e-mail: AyunovDE@ipgg.sbras.ru

Владимир Андреевич Кихтенко

Институт вычислительных технологий СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, младший научный сотрудник, тел. (383)334-91-08, е-mail: kikht@ict.nsc.ru

Валентин Валентинович Смирнов

Институт вычислительных технологий СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск,

пр. Академика Лаврентьева, 6, инженер-исследователь, тел. (383)334-91-08, е-mail: valentin.smirnov@gmail.com

Дмитрий Леонидович Чубаров

Институт вычислительных технологий СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, научный сотрудник, тел. (383)334-91-15, е-mail: dchubarov@ict.nsc.ru

В статье обсуждается эффективность использования новых технологий доступа к большим архивам спутниковых данных для изучения температурных режимов территорий посредством анализа длинных временных рядов спутниковых данных на примере территории Семипалатинского полигона.

Ключевые слова: дистанционное зондирование, MODIS, MOD11, температурный режим, Семипалатинский полигон.

STUDY OF LAND SURFACE TEMPERATURE ON SEMIPALATINSK NUCLEAR TEST RANGE VIA SPATIAL-TEMPORAL AGGREGATION OF LONG SERIES OF SATELLITE MEASUREMENTS

Elena A. Mamash

Institute of Computational Technologies SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 Acad. Lavrentjev avenue, Ph. D., Laboratory - Center of Monitoring of Social and Economic Processes and Environment, tel. (383)334-91-77, е-mail: elenamamash@gmail.com

Dmitry E. Ayunov

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Ave, Ph. D., Laboratory of natural geophysical fields, tel. (383)333-03-99, e-mail: AyunovDE@ipgg.sbras.ru

Vladimir A. Kikhtenko

Institute of Computational Technologies SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 Acad. Lavrentjev Ave, tel. (383)334-91-08, e-mail: kikht@ict.nsc.ru

Valentin V. Smirnov

Institute of Computational Technologies SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 Acad. Lavrentjev Ave, tel. (383)334-91-08, e-mail: valentin.smirnov@gmail.com

Dmitri L. Chubarov

Institute of Computational Technologies SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 Acad. Lavrentjev Ave, tel. (383)334-91-15, e-mail: dchubarov@ict.nsc.ru

We evaluate an approach to the study of regional land surface temperature trends using a large archive of satellite remote sensing data. We apply this technology and toolset to the study of temperature anomalies observed around the Semipalatinsk nuclear test range.

Key words: remote sensing, MODIS, MOD11, land surface temperature, Semipalatinsk nuclear test range.

Весной 1997 г. в процессе мониторинга снежного покрова территории Казахстана были обнаружены температурные аномалии в районе Семипалатинского испытательного полигона (СИП) - на космических снимках серии NOAA AVHRR четко выделялись бесснежные зоны, характеризующиеся повышенной температурой подстилающей поверхности. Основной интерес вызывал вопрос о возможных причинах возникновения аномалии. Обсуждались, главным образом, две гипотезы происхождения температурной аномалии - природные тектонические процессы и последствия ядерных взрывов.

По результатам этих исследований можно сделать следующие выводы.

1. Бесснежное пятно существует с середины января до середины марта с вариациями площади и температуры в различные годы, аномальная зона вытянута с северо-запада на юго-восток, а ее ось совпадает с Главным Чингизским разломом. Выделены два устойчивых очага повышенных температур, несовпадающие с площадками подземных ядерных взрывов. Делается вывод в пользу гипотезы о естественной природе этой «глобальной» температурной аномалии, хотя имеется ряд вопросов для дальнейших комплексных исследований [1-3].

2. Предположение о том, что источником восходящих газообразных тепловых потоков могут являться продукты радиолиза и «тлеющих» реакций деления радиоактивных частиц в сильно увлажненном почвенном слое [4].

3. Выявлены устойчивые «локальные» тепловые аномалии на дневной поверхности в области откольных зон подземных ядерных взрывов, имеющих «возраст» до 20 и более лет [5].

В результате проведенных исследований остались нерешенными и неподтвержденными до конца предположения о существовании «глобальной» тепловой аномалии, ее связи с «локальными» аномалиями, и природе этих аномалий. Существование «аномальных» бесснежных зон можно наблюдать по сей день, например, на приведенных на рис. 1. космических снимках, выполненных сенсором MODIS, установленным на спутниках Terra/Aqua.

В настоящее время данные сенсора MODIS являются одним из наиболее популярных источников спутниковой информации, в EOSDIS накоплен доступный архив данных, начиная с 1999.

Для сенсоров Terra/Aqua MODIS характерны узкие спектральные каналы

в диапазоне 0.405-14.385 мкм, что позволяет получать различные характеристики подстилающей поверхности и атмосферы в том числе, продукты, связанные с детектированием термальных аномалий и мониторингом температуры подстилающей поверхности. Полное название линейки продуктов с температурой поверхности, MODIS MOD11. Ранее анализ спутниковой информации, касающейся аномалии на СИП [1-3], по причинам, связанным с трудоемкостью обработки больших объемов спутниковой информации, ограничивался привлечением отдельных сцен.

С целью интеграции различных типов данных мониторинга в информационной системе, построенной на основе активного архива ИВТ СО РАН, предложена оригинальная технология доступа к архивам спутникового и наземного мониторинга, основанная на реляционной модели данных и реализован прототип системы извлечения данных. Технология имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционной технологией работы со спутниковыми данными [6]:

• работа с данными эквивалентна работе с таблицами значений, не требует использования специализированного программного обеспечения, в том числе выгрузки и анализа отдельных снимков - одним запросом обрабатывается группа снимков, выбранных по заданным признакам;

• пользователю предоставляется возможность исследования многолетней динамики процессов как в отдельно взятой точке, так и на выделенном полигоне;

Рис. 1. Бесснежное пятно на территории СИПа (конец октября - начало ноября 2014 г.)

• математическая и статистическая обработка данных происходит производится ядром СУБД в момент выполнения SQL запросов;

• возможность быстрой оценки основных статистических характеристик используемой в работе выборки спутниковых данных, и ее качества.

Для изучения тепловых режимов, связанных с исследованием существования тепловой аномалии на территории СИП была использована предложенная технология доступа к длинным рядам пространственно-временной информации. На рис. 2а построено распределение максимальных значений средних температур марта в районе полигона за 13 лет, с 2001 по 2013 гг., где граница многолетней аномалии хорошо согласована с осью Главного Чингизского разлома. В качестве исходных данных использовались восстановленные значения температуры поверхности Земли (сенсор Terra/MODIS, продукт MOD11). Существование области повышенных температур также подтверждается и для бесснежных участков, обнаруженных осенью 2014 года (рис. 1). На рис. 2б можно видеть, что локализация области высоких температур вполне соответствует бесснежным зонам, приведенным на рис. 1.

Рис. 2 а. Средняя ночная температура (LST, MOD11) в районе Семипалатинского полигона за 12 лет (март, 2001-2013гг); б - Распределение максимальных средних температур на момент существования бесснежного пятна (конец октября-начало ноября 2014 г.)

Важным этапом анализа при обнаружении температурных аномалий является качественная оценка полученных результатов, в том числе выявление возможных причин возникновения аномалии. Это потребует, во-первых, более детального исследования особенностей использования спутниковых продуктов типа MOD11, а, во-вторых, привлечения дополнительных источников данных, особенно серий регулярных наземных измерений.

По ранее полученным результатам разовых наземных исследований аномалия не подтвердилась [7]. Превышения температуры грунтов на 10 °С фикси-

руемого по космоснимкам [1-3] в пределах аномалии не было отмечено, что может быть связано с краткосрочностью исследований. На следующем этапе работы, предполагается установить регулярные поверхностные температурные наблюдения [8] на нескольких показательных участках полигона, различающихся типом растительно-почвенного покрова, рельефа, геологического строения, зон разломов и т.д. Сравнение полученных результатов наблюдений с данными спутниковых измерений позволит дать оценку обоснованности утверждения о существовании тепловой аномалии на территории СИПа.

Актуальным является вопрос исследования локальных тепловых аномалий, приуроченных к эпицентральным полостям подземных ядерных взрывов. Предполагается, что аномалии обусловлены подземным горением углистых пород, это создает реальную опасность внезапных выбросов подземных газообразных продуктов, сопровождающихся их возгоранием. Существующие на данном этапе непосредственные наблюдения [8] обращают внимание на температурные особенности изученной части полигона. В скважинах площадки Бала-пан температура пород на 20 м выше (>8 °С) среднегодовой «фоновой» температуры (6-7 °С), характерной для северной части Центрального Казахстана. Выделяются аномально разогретые пункты, в которых температура на глубине 20 м превышает 9,5-10 °С, отличающиеся также большим температурным градиентом. Возникает задача определения границ применимости данных дистанционного зондирования для выделения локальных тепловых аномалий, в том числе обусловленных выходом газов на поверхность через зоны разломов и трещиноватости.

Таким образом, с одной стороны, показана эффективность использования новых технологий доступа к большим архивам спутниковых данных для изучения температурных режимов территорий посредством анализа длинных временных рядов спутниковых данных. С другой стороны, возникает сопутствующая проблема интерпретации полученных результатов, выделения факторов, влияющих на формирование температурных показаний, валидации результатов на базе наземных измерений, постановки и решения задачи выделения локальных тепловых аномалий с целью обнаружить участки возможной дегазации на СИП и тем самым подтвердить необходимость дальнейших наземных исследований.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Sultangazin U. Monitoring of temperature Anomalies in the former Semipalatinsk Nuclear Test Site / U. Sultangazin, E. Zakarin, L. Spivak, et al. // Acad. Sci. Paris - 1998. - Vol. 326, Serie IIb. - Metodologie, instrumentation. - P. 135-140.

2. Спивак Л.Ф. Космический мониторинг температурного режима района Семипалатинского испытательного полигона: 10 лет наблюдений / Л.Ф. Спивак и др. // Вестник НЯЦ РК, 2006. - Вып. 2. - С. 97-103.

3. Zakarin E. Geoinformation Modeling of Radionuclide Transfer from the Territory of the Semipalatinsk Test Site / E. Zakarin, L. Balakay, B. Mirkarimova, et al. // FP6 EC CA - Enviro-RISKS Scientific Report 08-06, Copenhagen 2008. - 40 p.

4. Мелентьев М. И. О природе региональной тепловой аномалии в районе Семипалатинского испытательного полигона, выявленной по данным дистанционного космического зондирования / М.И. Мелентьев, А.Е. Великанов // Геофизика и проблемы нераспространения. 2003. Вып. 2.

5. Андреев А. И. Идентификация мест выхода газообразных радиоактивных продуктов из горного массива на дневную поверхность по проявлениям тепловой аномалии в эпи-центральной зоне подземного ядерного взрыва // Вестн. ТОГУ - 2008. - №1(8).- С. 37-44.

6. Кихтенко В.А. ^Уаик: технология доступа к архиву спутниковых данных / В.А. Кихтенко, Д.Л. Чубаров, В.В. Смирнов // XII Всероссийская открытая конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (Москва, 10-14 ноября 2014), тезисы докладов. - Москва: ИКИ РАН. - 2014. - С. 117

7. Айдарханов А.О. Комплексное исследование температурных аномалий на территории бывшего Семипалатинского испытательного ядерного полигона / А.О. Айдарханов, В.Н. Дмитропавленко, С.Б. Субботин и др. // Ядерная и радиационная физика: Материалы 5-ой Междунар. конф. Т. III: Радиационная экология. Ядерно-физические методы в медицине и промышленности. - Алматы: ИЯФ НЯЦ РК, 2006. - С. 143-154

Дучков А.Д. Результаты исследований температурного поля в наблюдательных скважинах Семипалатинского полигона (Восточно-Казахстанская область) / А.Д. Дучков, Д.Е. Аюнов, М.Е. Пермяков // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 2, ч. 1. - С. 42-47.