CC BY
36
УДК 528.942
В.И. Кравцова1, Ю.Ф. Книжников2
ОТ ИДЕЙ ЛОМОНОСОВА ДО СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ3
В статье прослежены связи между идеями Ломоносова, его инструментальными разработками, научно-организационной картографической деятельностью, с одной стороны, и современными технологиями дистанционного зондирования и аэрокосмических исследований — с другой.
Ключевые слова: Ломоносов, приборы, индикация, динамика, картография, астрономия, дистанционное зондирование
Введение. Уникальная энциклопедичность М.В. Ломоносова определила тот факт, что многие из аспектов даже такого современного направления исследований Земли и планет, как дистанционное зондирование, восходят к идеям, инструментальным разработкам и практической деятельности нашего великого соотечественника. Это касается и создания инструментов для обзора местности, и идей индикационных исследований, столь сильно развитых в современном дешифрировании аэрокосмических снимков, и изучения динамики природных объектов, ставшего особенно актуальным сегодня, в эпоху глобальных изменений, и отношения к картам и атласам как государственно важным документам и источникам просвещения. Ломоносов обращался к территориям и проблемам, и ныне привлекающим внимание больших научных коллективов, например, к исследованию Севера, динамике Каспия, исследованию планет, которые выполняются теперь на основе дистанционного зондирования.
От оптических приборов для обзора местности к современному инструментарию дистанционного зондирования. Ломоносову принадлежит множество инструментальных разработок, нацеленных на обеспечение наземных, подземных, морских, астрономических исследований. Эти разработки обеспечивали дистанционные, т.е. бесконтактные исследования, хотя его время и начало воздушных съемок разделял век и больше двух веков — до космических съемок.
Для горизонтального обзора местности Ломоносов построил специальный оптический прибор — го-ризонтоскоп, представляющий собой перископ с механизмом, обеспечивающим круговое наблюдение [2]. До него таких приборов не было, и лишь в наше время они получили распространение, в частности в военном деле.
Для маркшейдерии он усовершенствовал конструкцию висячего компаса и разработал новый графический метод обработки результатов измерений висячими маркшейдерскими инструментами с созданием
плана по материалам съемки; принципы этого метода актуальны и сейчас.
Ломоносов впервые сконструировал и ввел в практику научного исследования рефрактометр — прибор для измерения показателя преломления света, который позволял определять характеристики прозрачного вещества [2]. Эта идея Ломоносова вошла в мировую научную практику лишь в конце XIX в., когда с помощью рефрактометра стали исследовать явления преломления света в призме, которые легли в основу спектрометрических методов, и явления полного внутреннего отражения (интерференцию). Спектрометрия широко применяется не только как метод лабораторных исследований химического состава вещества, например в почвоведении, геохимии, она стала ведущим методом в аэрокосмических исследованиях, где получила мощное развитие многозональная, а затем и гиперспектральная съемка с помощью многозональных и гиперспектральных сканеров, сканирующих радиометров, видеоспектрометров, в которых наряду с другими средствами спектрального расчленения светового потока используются и призменные диспергирующие системы.
Для обеспечения безопасного кораблевождения Ломоносов построил ночезрительную трубу, с помощью которой можно в сумерки и ночью различать скалы и корабли. Ломоносов, происходивший из поморов и в молодости ходивший с отцом на рыболовецких судах в Белое море и Северный Ледовитый океан, много сделал для мореходной астрономии, создав более двух десятков оригинальных инструментов. Эта деятельность Ломоносова была особенно активна в связи с его идеей поисков прохода в Восточную Азию через Северный Ледовитый океан, изложенной в работе «Краткое описание разных путешествий по северным морям и показание возможного проходу Сибирским океаном в Восточную Индию»» и в двух «Прибавлениях» к ней, а также в связи с подготовкой полярных экспедиций 1765 и 1766 гг. под руководством адмирала В.Я. Чичагова. «Инструкцию» для этих экспедиций
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра картографии и геоинформатики, лаборатория аэрокосмических методов, вед. науч. с., докт. геогр. н., e-mail: valentinamsu@yandex.ru
2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра картографии и геоинформатики, лаборатория аэрокосмических методов, зав. лаб., профессор, докт. геогр. н., e-mail: mail@lakm.geogr.msu.su
3 Работа выполнена при поддержке гранта «Научные школы» (НШ-3405.2010.5), Минобрнауки РФ (ГК № 14.740.11.0200).
Ломоносов успел составить и подписать вместе с членами Адмиралтейств-коллегии за месяц до смерти, а инструментарием энергично занимался во время подготовки плавания.
В «Реэстре» возвращенных в Адмиралтейств-кол-легию после плавания приборов перечислено 25 инструментов, подготовленных Ломоносовым и частично им изобретенных или усовершенствованных [8]. Большая их часть — приборы для определения местоположения: астрономический квадрант (устройство для измерения вертикальных углов), 3 гадлеевых квадранта, 3 грегорианские трубы, 6 зрительных труб (в том числе «ночезрительные»), астрономические часы с секундными стрелками. При планировании экспедиции эти инструменты по рекомендации Адмиралтейств-коллегии надлежало заказать в Англии, однако сроки их изготовления и стоимость были слишком велики, поэтому решили обойтись внутренними ресурсами. Сохранились сделанные собственноручно Ломоносовым чертежи изобретенных и изготовленных им приборов.
Задачи практической астрономии, ее применения в морской навигации, которыми занимался Ломоносов, оказались чрезвычайно актуальны и в наши дни, когда в космической навигации для определения пространственного положения спутника используются отслеживающие положение звезд и сравнивающие его с картами звездного неба звездные датчики, которые в наше время на спутниках сверхвысокого разрешения вместе с GPS-приемниками обеспечивают определение координат спутника с точностью до 3 м!
Интересно, что в записях ученого фигурирует фотометрическая труба, созданная для сравнения силы света звезд [2]. Это направление исследований — измерение идущего от изучаемых объектов потока излучения (собственного или отраженного солнечного) — стало фундаментальной основой дистанционного зондирования. Фотометрия, основанная на измерениях оптической плотности изображения на аэрокосмических фотографических снимках, а в более широком понимании — радиометрия, т.е. измерение поступающего от объекта потока излучения на основе определения яркости по цифровым сканерным снимкам, — стала в наши дни главным направлением количественных методов дистанционного зондирования.
Истоки индикационного дешифрирования. Энергично занимаясь приборосозидательной деятельностью, Ломоносов тем не менее подчеркивал, что познание невозможно без теории, обеспечивающей проникновение в сущность вещей: «Велико есть дело — достигать по глубину земную разумом, куда рукам и оку достигнуть возбраняет натура: странствовать размышлениями в преисподней, проникать рассуждением сквозь тесные расселины и вечною ночью полученные вещи и деяния выводить на солнечную ясность» [6, с. 363]. Это высказывание удивительно точно определяет суть таких широко применяемых в современной географии методов, как индикационные иссле-
дования и индикационное дешифрирование аэрокосмических снимков. Используя эти методы, современные исследователи, опираясь на косвенные признаки, основываясь на взаимосвязях объектов, выстраивая логические цепочки зависимостей, стремятся понять и отдешифрировать, на первый взгляд, невидимые объекты и явления, сделать их очевидными,; это кредо современного географического дешифрирования аэрокосмических снимков выходит из высказываний Ломоносова.
Другой широко применяемый при географическом дешифрировании и составлении карт по снимкам метод — «метод географических аналогий» (именно этот термин употребил Ломоносов в «Кратком описании...»). Учитывая «натуральный закон» асимметрии речных берегов — крутых западных и пологих восточных в Северном полушарии (который впоследствии сибирский натуралист П.А. Словцов, а затем К.Э. Бэр объяснили вращением Земли и влиянием силы Кориолиса) и опираясь на наблюдения крутых северных и пологих южных берегов Балтийского и Белого морей, Ладожского озера, а также на аналогии в очертании суши Старого и Нового Света, Ломоносов сделал правильное заключение: «Американский берег Ледовитого моря протянулся вогнутою излучиною, так что северную полярную точку кругом обходит», т.е. что неизвестный в его время Северный Ледовитый океан имеет «вид несколько овальный» и что «против весьма отмелого Сибирского берега, нискими тундристыми мысами простирающегося, лежит крутой и приглу-бой берег Северной Америки». Этот вид географического анализа находит отклик в широко применяемых при работе с аэрокосмическими снимками приемах географической интерполяции и экстараполяции результатов, полученных при дешифрировании эталонов.
Исследования динамики природных явлений. В современных аэрокосмических исследованиях значительная роль отводится изучению изменений природных и социально-экономических объектов. Особо заметный толчок таким исследованиям дала проблема потепления климата — в связи с необходимостью изучать последствия потепления и прогнозировать их созданы специальные спутниковые программы мониторинга состояния Земли и изучения глобальных изменений, такие, например, как программа НАСА EOS (Earth Observing System), предусматривающая до 2014 г. запуск 21 спутника для съемки и наблюдений разных аспектов жизни Земли. В рамках этой программы с 1999 г. успешно функционируют спутники Terra, Aqua, Aura, данные с которых доступны ученым всего мира и широко используются для глобального мониторинга динамики атмосферы, вод океана, состояния растительного покрова Земли, его нарушений антропогенной деятельностью, пожарами и т.п.
Главная тема научно-исследовательских работ географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова на следующее пятилетие включает изучение геосистем в связи с глобальными изменениями. Аэро-
космические исследования динамики представляют основу тематики работ лаборатории аэрокосмических методов географического факультета с 1990-х гг. Необходимость исследовать динамику природных явлений прозорливо подчеркивал Ломоносов, который проводил идею закономерного развития природы: «Твердо помнить должно, что видимые телесные на земле вещи и весь мир не в таком состоянии были с начала от создания, как ныне находим, но великие происходили в нем перемены, что показывает история и древняя география, с нынешнею снесенная, и случающиеся в нашем веке перемены земной поверхности» [6, стр. 396].
Подчеркнем, что даже многие из конкретных объектов, изменения которых изучают географы теперь, были указаны Ломоносовым. Так, он высказал идею о последовательном чередовании наступания и отступания морей в прошлом Земли, о постоянном перемещении береговой линии. В исследованиях лаборатории аэрокосмических методов это направление реализовано в виде мониторинга деградации Аральского моря по космическим снимкам. Такой мониторинг регулярно выполняется с 1980-х гг. по материалам съемок последовательно сменявшихся космических систем (Ресурс-Ф, Ресурс-О, Terra/MODIS) с картографированием по космическим снимкам положения береговой линии и определением сокращения площади водного зеркала. В береговой зоне Каспийского моря результаты мониторинга по космическим снимкам, продолжавшегося в период подъема уровня моря в 1978—1995 гг. и его некоторого снижения и стабилизации в 2000-х гг., показали изменения береговой зоны низких побережий осушного типа, расширение тростникового пояса ветровой осушки, его смещение в сторону суши при подъеме уровня моря, последнее сменилось обратным смещением при снижении уровня. В процессе этих исследований выявлено, что тыловая граница тростниковой осушки, т.е. граница между тростниковой осушкой и сушей, более чутко реагирует на колебания уровня моря, чем фронтальная граница между тростниковой осушкой и морем, и именно тыловая граница тростниковой осушки требует особого внимания как при организации мониторинга, так и при разработке охранных мероприятий.
Государственное значение картографии. После того как Ломоносов был назначен советником канцелярии Академии наук, в 1758 г. ему было поручено «смотрение за Географическим департаментом» [4]. Фактически возглавляя Географический департамент в течение 9 лет, он стремился укрепить его в качестве учреждения, имеющего функции государственного значения в деле картографирования страны. Благодаря этому географический департамент Академии наук стал основным картографо-геодезическим учреждением России той эпохи. Ломоносов приложил большие усилия для подготовки нового географического атласа России [5], который должен был восполнить недо-
статки выпущенного в 1745 г. силами Академии наук первого национального атласа страны — Атласа Российского, состоявшего из 19 карт. Чтобы получить необходимую информацию для нового национального атласа, Ломоносов планировал несколько экспедиций по созданию астрономо-геодезической сети, а для сбора топографических сведений с мест разработал анкету — «географические запросы», организовав это важное дело от лица правительства [3]. Таким образом, благодаря деятельности Ломоносова было обеспечено понимание государственной важности картографии, чего, кстати, мы не наблюдаем сейчас, когда Федеральная служба геодезии и картографии в качестве самостоятельного федерального органа исполнительной власти ликвидирована и поочередно переводилась в ведомственное подчинение Минэкологии, Минземстроя, Минтранса, а теперь упразднена и ее функции переданы Росреестру Минэкономразвития России, когда ведущим ученым Московского университета приходится обращаться в государственные органы с разъяснением роли картографии, как это сделал профессор А.М. Берлянт, обратившись через журнал «Геодезия и картография» с открытым письмом к президенту Российской Федерации.
Новый национальный атлас Ломоносову при жизни создать не удалось, но его стараниями был заложен прочный фундамент последующих успешных работ географического департамента в XVIII столетии [5].
Разработанные Ломоносовым документы по географическому департаменту определяли научно-организационные и методические основы составления карт [10].
По мнению Ломоносова, одной из главных задач географического департамента была подготовка квалифицированных геодезистов и картографов. Понимая, как нужны для составления карт хорошие чертежники, он отбирал для этого студентов среди учеников грамматической школы при Академии. Многие из этих учеников всю жизнь посвятили изготовлению карт [1].
М.В. Ломоносов развивал и научные идеи картографии, призывая «обширность наших стран измерить» и показать их, «собрав на малы чертежи». В «Новом регламенте Академии» (1764) он выдвинул важнейшую идею о систематическом обновлении географических карт через каждые 20 лет, это чрезвычайно актуально в наше время, когда обширные территории покрыты крупномасштабными топографическими картами, старение которых ощущается особенно остро [10].
Важные соображения высказаны Ломоносовым и в части организации географических экспедиций, планировавшихся с целью получения новых материалов для создания карт; в них просматриваются идеи о разносторонних и комплексных исследованийях. Хотя главной задачей экспедиций, предпринимавшихся в связи с созданием нового атласа, было выполнение астрономических наблюдений для определения местоположения, инструкции рекомендовали также вести метеонаблюдения, записывать «натуру
мест», а анкеты включали и вопросы экономической географии (кстати, этот термин тоже введен Ломоносовым). Экспедициям рекомендовалось также снимать камерой-обскурой «гор великих и знатных проспекты» [4] — вид исследований, впоследствии трансформировавшийся в широко применяемую в горных районах и до нашего времени фототеодолитную съемку. Подготавливая полярные морские экспедиции, Ломоносов в своих записях об их инструментальном оснащении указывал на насущную необходимость снабжения экспедиции картами. Для командиров судов, направлявшихся в плавание с целью поиска Северного морского пути в Восточную Азию, были куплены три экземпляра Атласа Российского 1745 г. и Полярная карта Ломоносова.
Поучительна история создания Ломоносовым этой карты, к работе над которой он возвращался несколько раз, будучи истинным патриотом и понимая государственную важность изыскания прохода в Восточную Азию через Северный Ледовитый океан. В 1757 г. он составил циркумполярную карту, которая была представлена в географический департамент Академии наук. Она послужила основой для «Нордской» (Полярной) карты, приложенной к работе «Краткое описание разных путешествий по северным морям и показание возможного проходу Сибирским океаном в Восточную Индию» [7]. Заканчивая эту работу, Ломоносов в 1763 г. поручил студенту геодезии Илье Авра-мову вычертить карту, ставшую известной в литературе как первая циркумполярная карта Ломоносова [9]. Первые циркумполярные карты — карты центральной части Северного полушария Земли — появились в последней трети XVI в. в атласах А. Ортелия и Г. Мер-катора в связи с упорными поисками европейцами северо-западного морского прохода севернее Евразии в Тихий океан, но они носили полуфантастический характер.
Уже в середине XVII в. русские узнали, что из Северного Ледовитого океана можно попасть в Тихий океан, но первые достоверные карты Сибирской Арктики появились лишь в середине XVIII в. в результате открытий, сделанных Великой северной экспедицией. На карте Ломоносова не было Арктического материка, изображенного на картах Меркатора и Ортелия (в его существовании сомневался и Кирилов). На карту нанесены пунктиром два предполагавшихся маршрута полярной экспедиции. Маршрут из Архангельска к мысу Желания на Новой Земле и далее через «Океан Сибирский» к Берингову проливу и Камчатке был предложен первоначально Ломоносовым в «Кратком описании...». Другой маршрут, протягивающийся от Колы западнее Шпицбергена и севернее Гренландии к Берингову проливу, соответствует предложенному в «Первом прибавлении. ». На карту нанесен также маршрут «фантастического» плавания португальца Д. Мельгера, описанный французским географом Ф. Бюашем, который Ломоносов показал, считаясь с авторитетом Парижской академии наук [8].
К 1949 г. сохранился лишь один экземпляр карты, выставленный в подлиннике в рукописном отделе Государственной публичной библиотеки имени М.Е. Салтыкова-Щедрина в Санкт-Петербурге. Впервые эта карта была опубликована Ю.М. Шокальским в 1911 г. в качестве приложения к его статье о М.В. Ломоносове и его «Краткому описанию». Однако вскоре после составления первой карты Ломоносов убедился, что в карте есть весьма существенные ошибки. Получив копии географического чертежа участника тихоокеанского плавания казака С. Глотова, Ломоносов решил создать новую, более точную полярную карту, он перенес материалы Глотова на градусную сетку, проделал расчеты положения островов с учетом сведений о направлении и скорости движения судов между ними. Эта карта найдена в архивах и описана историком Б.П. Полевым [5]. Позже Ломоносов создал и третью полярную карту, представленную Екатерине II, эта карта до сих пор не найдена [9].
Внимание к изучению полярных областей и созданию их карт обострилось в наше время, когда активизировались исследования Арктики, действуют многочисленные программы по научным исследованиям и экономическому развитию Российского Севера и Арктики в целом. В числе других в этом направлении можно указать на выполняемые в последние годы работы лаборатории аэрокосмических методов кафедры картографии и геоинформатики географического факультета МГУ, ведущей в рамках международного проекта PPS Arctic исследования динамики северной границы леса в условиях потепления с применением дистанционных методов. Главная задача проекта — создание циркумполярной карты растительности Арктики, состояния экосистем переходной зоны тайга—тундра, динамики северной границы леса с использованием материалов аэрокосмических съемок, для чего развиваются методы дешифрирования обзорных снимков малого разрешения на основе эталонных исследований по снимкам сверхвысокого разрешения.
Близко к картографической деятельности Ломоносова стоят и его изыскания в области цветоведе-ния. И хотя его основные разработки в этой области связаны не с картографией, а с изобразительным искусством--с изготовлением смальты для мозаик,
они носили фундаментальный теоретический характер. В работе «Слово о происхождении цвета» он изложил новую теорию, повлиявшую на развитие цве-товедения, где он защищал волновое представление о цвете. Новое учение о цвете выдвинуто им на основе собственного опыта получения голубого, желтого и красного цвета при разных пропорциях исходных веществ [2].
Исследования планет и мысли о Вселенной. Астрономические наблюдения, которыми занимался Ломоносов, не ограничивались астрономо-геодезическими определениями местоположения пунктов местности и задачами морской навигации, а распространялись и в область исследования планет. Ломоносову при-
надлежит крупное астрономическое открытие — открытие атмосферы Венеры по эффекту рефракции при наблюдении прохождения ее по диску Солнца (1761) [2]. До Ломоносова астрономы отмечали существование темных и светлых пятен на Венере, например Д. Кассини наблюдал их в 1667 г., а в 1726 г. Ф. Бьякини составил первую карту Венеры, отображающую «континенты», «океаны» и другие детали. Открытие Ломоносова и последовавшие за ним наблюдения планеты позволили установить, что наблюдавшиеся на диске планеты темные и светлые пятна отражают атмосферные явления и не связаны с деталями рельефа.
Лишь в наше время стал известен состав атмосферы Венеры, где облака на 80% состоят из серной кислоты, давление почти в 100 раз превосходит давление земной атмосферы, а температура на поверхности составляет почти 500°С. За истекшее время на Венеру были доставлены отечественные автоматические межпланетные станции Венера-9, -10, а также Венера-13, -14, передавшие на Землю телевизионные панорамы поверхности; радиолокационная съемка планеты сквозь плотный облачный покров выполнена в 1983 г. с космических аппаратов Венера-15, -16. Радиолокационная съемка северного полушария планеты до широты 25—35° с разрешением 1—2 км, с перекрытием полос съемки севернее 60° с.ш. позволила использовать стереомоделирование при дешифрировании снимков, а при одновременной альтиметриче-ской регистрации высоты поверхности дала материалы для составления в ЦНИИГАиКе фотокарты северного полушария Венеры в масштабе 1:5 000 000 на 27 листах, а также для геолого-морфологических карт, в ре-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Багров Л. История русской карторафии / Пер. с англ. Е.В. Ламановой. М.: ЗАО Центрполиграф, 2005. 523 с.
2. Большая советская энциклопедия. 2-е изд. Т. 25. Ломоносов. М.: Гос. науч. изд-во БСЭ, 1954.
3. Геодезия. Картография. Геоинформатика. Кадастр. Энциклопедия. Т. 1. М.: Геодезкартиздат, 2008.
4. Дик Н.Е. О проекте географических экспедиций М.В. Ломоносова // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 1960. № 1. C. 67—68.
5. Кусов В.С. Неоконченные работы М.В. Ломоносова по картографированию России // Там же. 1989. № 1. С. 37—44.
зультате был издан комплексный Атлас Венеры, за создание которого профессор Ю.С. Тюфлин удостоен высшей международной фотограмметрической награды — золотой медали Брока.
Но открытие атмосферы Венеры было важно и для других аспектов астрономии, например для определения точного расстояния от Земли до Солнца. Ломоносову же принадлежат замечательные по глубине высказывания о физической природе Солнца, о бесконечности Вселенной и ее развитии.
Продолжением мыслей Ломоносова стали достижения современной космической астрономии с использованием межпланетных станций, прежде всего беспримерный, начатый в 1977 г. полет аппаратов Voyager-1, -2, достигнувших в 1979 г. Юпитера, в 1981 г. Сатурна, в 1986 г. Урана, в 1989 г. Нептуна, а в 2004— 2005 гг., через 27 лет полета, пересекших ударную волну в солнечном ветре, вошедших в гелиослой и приблизившихся к границам Солнечной системы.
Из открытия атмосферы Венеры вытекало и еще одно следствие — возможность существования других обитаемых миров, на это также указывал Ломоносов. Современный отклик на это предположение Ломоносова — старт в 2009 г. космического аппарата Kepler, главная задача которого — поиск внесолнечных зем-леподобных планет.
Заключение. Таким образом, первоистоки многочисленных аспектов современного дистанционного зондирования можно проследить в трудах и деятельности Ломоносова в области приборостроения, географии, картографии, астрономии; эти труды имели большое значение для дальнейшего развития русской географии и всей отечественной науки.
6. Ломоносов М.В. Избранные философские произведения. М.: Госполитиздат, 1950. 750 с.
7. Ломоносов М.В. Полн. собр. соч. Т. 6. М.; Л. Изд. АН СССР, 1955.
8. Перевалов В.А. Ломоносов и Арктика. М.; Л.: Изд-во Главсевморпути, 1949. 504 с.
9. Полевой Б.П. О второй полярной карте М.В. Ломоносова // Геодезия и картография. 1985. № 2. С. 50—53.
10. Постников А.В. Развитие картографии и вопросы использования старых карт. М.: Наука, 1985. 214 с.
Поступила в редакцию 03.02.2011
V.I. Kravtsova, Yu.F. Knizhnikov FROM LOMONOSOV'S IDEAS TO THE MODERN TECHNOLOGIES OF REMOTE SENSING
The paper discusses the links between Lomonosov's ideas, instrumental design and scientific and organizational activities in the sphere of cartography and modern technologies of remote sensing and aerospace research.
Key words: Lomonosov, instruments, indication, dynamics, cartography, astronomy, remote sensing.
