К числу наиболее полезных «дел» спутников, космических кораблей и орбитальных станций с полным основанием следует отнести изучение и охрану с их помощью лесных богатств Земли.
Лес является одним из основных типов растительного покрова нашей планеты. Мировая годичная органическая продукция его — около 20 миллиардов тонн (вся биосфера, включая материки и океаны, «производит» в год около 83 миллиардов тонн органических веществ).
Лес — один из основных факторов устойчивости биосферы. Известны его климаторегулирующее, почво — и водозащитное значение для сельского хозяйства. Понятно поэтому то внимание, которое уделяется изучению лесов и проблемам лесоохраны. Не остается в стороне от этой работы и космонавтика.
Применение аэрокосмической съемки позволяет изучать с помощью дистанционных методов биологическую продуктивность природных комплексов, в частности, определять продуктивность древостоя, оценивать гидроклиматическую функцию леса, выявлять и оценивать различные охотничьи угодья, изучать структуру лесных водосборов, динамику снежного покрова, затопления поймы и русловой сети.
По материалам космических телевизионных и аэросъемок с использованием тематических карт уже выявлена структура ландшафтов Западной Сибири и Приангарья и составляется серия карт природных территориальных комплексов различного ранга, которые являются ландшафтной основой для картографирования болот и лесоболотных систем. В настоящее время составлена серия опытных вариантов лесоболотоведческих карт.
По изменению спектров древесного полога на аэрокосмических снимках выявляются участки леса, пораженные вредителями, а также определяются признаки, характерные для той или иной стадии патологических изменений в лесных насаждениях.
Необходимость проведения подобных исследований продиктована не только вопросами, о которых уже упоминалось. Грандиозные преобразования природы, ставшие ныне по плечу нашей стране, к примеру, проект, предусматривающий переброску части стока северных рек, требуют как весьма тщательного выбора методов и средств, так и продуманной системы наблюдений за потенциально возможными нарушениями равновесий в сообществах природных образований.
Предстоит решить и немало планетарных проблем. Известно, например, что в результате работы многочисленных промышленных установок на Земле наблюдается неуклонное повышение содержания углекислого газа в атмосфере, что в конечном счете, по мнению известного лесовода академика ВАСХНИЛ И. С. Мелехова, может привести к перегреванию биосферы, если подобная тенденция будет развиваться. Природа ответила на это нарушение сложившихся в процессе эволюции соотношений увеличением объемов крон древесно-кустарниковой растительности. Таким образом, пока природа стремится увеличением зеленой биомассы, поглощающей, как известно, в процессе фотосинтеза атмосферный углекислый газ и выделяющей кислород, остановить этот процесс. Но как будут дальше развиваться события? Для того, чтобы ответить на этот вопрос, необходимо тщательно следить (путем постановки соответствующих, периодически повторяющихся дистанционных наблюдений) за достаточно большими лесными регионами.
Ждут своего решения и текущие дела. У многих москвичей еще в памяти дымная мгла лета 1972 года. Совершенно очевидно, что быстрое картирование лесных пожаров, затронувших сразу несколько областей, во многом может помочь соответствующим государственным органам скорректировать стратегию восстановления лесных массивов. Такое картирование можно осуществить лишь используя орбитальный дистанционный метод.
Запуск орбитальных космических лабораторий вообще позволяет по-новому подойти к разрешению многих лесохозяйственных проблем. Подмечено, к примеру, что при прочих равных условиях количество лесных пожаров то в одной, то в другой области в иные годы значительно превышает средние показатели. Пока еще не установлены какие-то общие закономерности или явления, которые обусловливают повышение числа пожаров в данном регионе.
Однако, думается, систематическое использование дистанционных методов контроля и наблюдения за лесными массивами поможет ответить и на этот непростой вопрос.
Во время полетов на космических кораблях «Союз» и орбитальных станциях «Салют» космонавты не раз сообщали о наблюдаемых лесных пожарах и тем самым помогали их вовремя обнаруживать и устранять. Едва ли не в самый первый сеанс связи с Землей космонавты длительной экспедиции на «Салюте-6» В. Коваленок и В. Савиных, пролетая над восточными районами нашей страны, сообщили с борта станции:
— Слева наблюдаем очаг пожара, тайга горит. Срочно сообщите местным властям…
Это сообщение было принято операторами, находившимися на связи с космонавтами, и вскоре уже из подмосковного центра управления полетом срочная депеша пошла по каналам связи в район, где пылал лес, и еще через несколько минут над очагом огня появились первые вертолеты с пожарниками.
Пожарно-патрульную службу несут сегодня не только экипажи пилотируемых космических кораблей и станций, но и автоматические спутники серий «Метеор» и «Космос». По телекосмическим каналам в Гослесхоз СССР ежедневно поступает оперативная информация об очагах загорания лесов.
Однако в этом деле есть еще ряд нерешенных проблем, связанных, в частности, с методикой проведения дистанционных наблюдений.
Первая из этих проблем относится к профилактике лесных пожаров. Группа сотрудников Института леса и древесины имени В. Н. Сукачева Сибирского отделения Академии наук СССР разработала и предложила метод дистанционного определения пожарной зрелости таежных лесов путем измерения их радиотеплового излучения. В наземных и самолетных экспериментах были измерены яркостные температуры лесов и установлено, что они уменьшаются после выпадения осадков или искусственного дождевания. Ученые определили и сезонную динамику радиотеплового излучения лесов в зависимости от их увлажнения, а также вычислили, что яркостная температура лесных ландшафтов, соответствующая 290 градусам Кельвина, на волне 2,25 см уже указывает на пожароопасность.
Другая проблема — использование аэрокосмических снимков. Она связана с составлением карт послепожарной динамики лесов. Работы в этом направлении чрезвычайно важны прежде всего для уточнения многовековой роли пожаров в формировании лесов и еще потому, что под влиянием лесных пожаров меняются почвы. Известно, например, что при смене хвойных лесов на лиственные почвы меняются от собственно подзолистых до дерново-подзолистых. Вместе с тем можно предполагать, что прогноз восстановления лесов, построенный только на их приуроченности к тем или иным почвам, будет тоже далеко не полно характеризовать весь этот сложный процесс. Ведь на послепожарное восстановление растительности влияет целый ряд факторов, в том числе и взаимное расположение различных лесов в конкретном районе. Поэтому большой интерес представляет изучение послепожарной динамики лесов на ландшафтной основе, что возможно в настоящее время только по материалам аэрокосмической съемки.
К настоящему времени такой опыт имеется применительно к темнохвойным лесам Западно-Сибирской равнины. Для этой территории анализ динамики восстановления выявил следующие стадии послепожарного формирования темнохвойных лесов:
- первая — пожарища с полностью разрушенным древостоем;
- вторая — появление на пожарище травяно-кустарниковой растительности;
- третья — смена травяно-кустарниковой растительности сомкнувшимся лиственным молодняком;
- четвертая — возникновение у лиственного молодняка темнохвойного подрода;
- пятая — образование у лиственного молодняка второго яруса хвойных;
- шестая — появление смешанных темнохвойно-лиственных насаждений;
- седьмая — превращение смешанных темнохвойно-лиственных насаждений в смешанные темнохвойно-лиственные леса;
- восьмая — чистый темнохвойный лес.
Конечно, каждая из этих стадий для разных типов лесов имеет свои особенности, которые заключаются как в составе древесных пород и темпах смены стадий, так и в их характеристике. Кроме того, все этапы послепожарного развития леса имеют свои четко выраженные внешние различия, которые позволяют уверенно определять их на аэрокосмических снимках.
Опыт дешифрирования аэрокосмических снимков послепожарной динамики лесов показал, что на спектральных (крупного и среднего масштаба) определение контуров послепожарных стадий производится по различиям в их цветном изображении. Что же касается аэрокосмических снимков среднего, мелкого и сверхмелкого масштабов, то в качестве основного признака используются различия в тоне их изображения, изменяющегося от светло-серого, соответствующего второй стадии, до темного, который относится к восьмой. Другие стадии занимают по тону промежуточное положение и легко определяются опытным дешифровщиком. Основной причиной изменения тона изображения является постепенное увеличение в составе древостоев темнохвойных пород.
Интересы экономики лесного хозяйства все более настоятельно требуют дальнейшего совершенствования методов и технических средств картографии, сокращения сроков создания карт во всем диапазоне масштаба и их обновления через короткие промежутки времени, повышения точности съемки рельефа, увеличения информативной емкости. И здесь неоценимую помощь картографам приносят космические методы съемки.
Ныне имеются «космические фотографии» различных масштабов и видов значительной части территории нашей страны. Такие фотокарты служат основой для создания тематических карт для исследования недр, почвенно-растительного покрова, динамики природных процессов, для создания сельскохозяйственных, лесных и водных угодий. Ныне на основе космических снимков создаются фотокарты в масштабах 1:1 000 000 и крупнее для территории нашей страны.
А теперь вновь вернемся к картированию послепожарной динамики лесов. В настоящее время разработаны четыре типа карт.
Первый — крупномасштабные карты (масштаб 1:5 000—1:25 000), применяемые для текущего и перспективного планирования мероприятий по повышению пожароустойчивости лесных насаждений и ускоренного перевода их из одной стадии в другую. Кроме того, этот тип карт может использоваться для организации хозяйств по секциям с учетом восстановительной и возрастной динамики лесов и для оценки их актуальной и потенциальной продуктивности. Такие карты составляются, как правило, на основе обычных материалов с привлечением крупномасштабных аэрокосмических снимков.
Второй — среднемасштабные карты (масштаб 1:50 000—1:100 000), предназначенные для получения данных о горимости лесов, повторяемости пожаров и особенностях их распространения. Эти карты можно использовать для перспективного планирования противопожарного устройства лесов и разработки тактики и стратегии борьбы с потенциально возможными пожарами. Здесь в качестве учетных лесохозяйственных единиц используются урочища. Карты составляются на ландшафтной основе с использованием аэрокосмических снимков и таксационных характеристик лесохозяйственных выделов.
Третий — мелкомасштабные карты (масштаб 1: : 150000—1:300 000), предназначенные для лесопожарного расчленения территории лесничества и послепожарного формирования лесов. В границах местностей условия для распространения пожаров, их виды, интенсивность, повторяемость и особенности обусловленной ими послепожарной динамики лесов имеют специфичное содержание как по сравнению с более мелкими природно-территориальными комплексами (урочищами), так и при сопоставлении с более крупными комплексами (ландшафтами). Это обстоятельство позволяет определить мелкомасштабные карты как промежуточные между среднемасштабными и сверхмелкомасштабными. На них генерализуются особенности смены лесов, их природный состав, выделяются звенья восстановительно-возрастных рядов, прослеживаются закономерности размещения стадий внутри конкретной местности. На основе этих карт можно выделять крупные лесопожарные блоки (местности) и с учетом их специфики планировать организацию охраны от пожаров, комплекс мероприятий по противопожарному устройству лесов, повышению их пожароустойчивости.
Четвертый — сверхмелкомасштабные карты (масштаб 1:1 000 000—1:5 000 000), предназначенные для лесопожарного районирования крупных таежных территорий с учетом многолетней повреждаемости пожарами и обусловленной ими смены пород. Внутри контуров ландшафтов показываются коренная и производная растительность и их процентное соотношение. Передаются также закономерности размещения производных лесов в зависимости от природных особенностей ландшафтов, типа рельефа, расчлененности гидрографической сетью. Сверхмелкомасштабные карты разрабатываются на ландшафтной основе с использованием космических снимков.
Картографирование с использованием разномасштабных аэрокосмических снимков позволяет учитывать процессы послепожарного формирования лесов одновременно на больших площадях, способствует улучшению контроля за состоянием лесного фонда, создает возможность для эффективного планирования и организации охраны лесов, служит основой для прогнозных оценок их состояния по территории и во времени в зависимости от степени воздействия пожароопасных факторов.
В этом отношении большой интерес представляет также возможность оценки пожарной опасности лесов по их радиотепловому излучению. Известный опыт таких исследований накопили сибирские ученые. И это не случайно, ибо заболоченные и болотные таежные леса занимают обширные территории главным образом в Сибири и на Дальнем Востоке. Особенно много их встречается в слабоосвоенных и труднодоступных районах Западной Сибири, где сейчас активно ведется строительство нефтепромыслов и газопроводов. По мере увеличения числа этих пожароопасных объектов повышается вероятность возникновения крупных лесных пожаров, ликвидация которых будет неизбежно связана с большими трудностями и материальными расходами. Поэтому было крайне важно разработать надежный и оперативный метод предупреждения о пожарной зрелости заболоченных лесов. Существующие методы прогнозирования пожарной опасности, к сожалению, позволяют лишь весьма приблизительно оценивать ситуацию и не показывают динамику увлажнения и высыхания горючих материалов даже суходольных лесов, влагосодержание которых зависит только от атмосферных осадков.
Специалистам Института леса и древесины имени В. Н. Сукачева Сибирского отделения Академии наук СССР удалось установить, что падение уровня грунтовых вод ниже 30 сантиметров уже является тревожным сигналом значительного возрастания пожарной опасности. Ученые предложили целую систему соответствующих защитных мероприятий, включающую в себя не только своевременное выявление очагов лесных пожаров и изучение послепожарной динамики развития лесной растительности, но и, что особенно важно, строгий контроль за уровнем грунтовых вод, позволяющий заранее определять момент наступления так называемой пожарной зрелости заболоченных и болотных лесов с тем, чтобы вовремя сосредоточить в нужном месте необходимые противопожарные силы.
Эту же цель преследовали и исследования радиотеплового излучения таежных лесов, проведенные как в лабораторных, так и в полевых условиях. Объектами изучения являлись наиболее легко воспламеняемые элементы лесного ландшафта — мох, лишайник, хвоя и травяная ветошь. Измерения в полевых условиях производились радиометром на длине волны 2,25 сантиметра. Радиотепловое излучение измеряли с тестовых участков с однородным покровом, которые предварительно разбивали на опытные и контрольные площадки. Излучение принимали антенной подвешенной над ними и передвигаемой по канатной дороге. Увлажнение площадок производилось либо естественными осадками, либо искусственным дождеванием. Для проверки экранирования излучения и вычисления коэффициента поглощения проводили сравнение радиояркостной температуры увлажненной почвы и той же почвы, закрытой сухим напочвенным покровом. Для этих исследований, помимо тестовых участков, был также подготовлен и подробно описан маршрут по трассе (15 километров). Участок заболоченных лесов, через который проходила эта трасса, находился на Енисейской эрозионной равнине. Вот как подробно описали эту трассу сами исследователи, работавшие на ней: «Трасса начиналась от острова Еловый близ села Назимово Енисейского района Красноярского края, пересекала прирусловую пойму Енисея и его старую притеррасную болотно-темнохвойнотаежную пойму и пойменно-притеррасное мезотрофное болото. Потом она проходила через первую и вторую надпойменные террасы с пихтово-елово-кедровыми заболоченными лесами и болотами замкнутых западин, через третью террасу Енисея с преобладанием пихтовых и кедровых лесов, пересекала край боровой террасы с осиновыми и темнохвойными лесами и заканчивалась в березово-еловой пойме реки Бахрушина».
Измерение излучения производилось радиометром на длине волны 2,25 сантиметра с рупорной антенной, которая была установлена на самолете ИЛ-14, летавшем по трассе на высоте 200 метров со скоростью 260 километров в час.
Радиотепловая съемка по этому маршруту производилась в 1978 году во время пожароопасного сезона, причем для выявления сезонной динамики излучения полеты выполнялись периодически, в том числе и после дождей для изучения процессов высыхания.
Кроме выяснения динамики изменения радиояркостной температуры элементов лесного ландшафта в зависимости от их увлажненности, проведенные исследования дали возможность определить, способны ли болота, поймы рек, переувлажненные участки быть преградами распространяющемуся огню. Одновременно было установлено, что при использовании соответствующей аэрокосмической сканирующей аппаратуры, позволяющей достигать пространственного разрешения 500 метров и менее, можно составлять карты пожарной опасности лесных ландшафтов, позволяющие производить выбор наиболее оптимальных вариантов авиапатрулирования, а также прогнозировать распространение лесных пожаров, исследовать пожарную опасность с помощью сверхчастотной радиометрии с борта тех же космических летательных аппаратов.
«Слежение за пожарами, хотя и очень важная задача космического лесоведения, но далеко не единственная, — справедливо замечает академик А. Б. Жуков. — Существенную помощь оно может оказать также в борьбе с вредителями лесов. Космическое патрулирование лесов позволит не только составить подробные карты с указанием пород деревьев, их возраста, но и непрерывно следить за их жизнью, смотреть, как меняется динамика процессов, разыгрывающихся там, наблюдать за последствиями деятельности человека, в частности, в тех районах, где идет интенсивная вырубка лесов. С помощью аппаратуры, установленной на космических кораблях и спутниках, можно количественно определять величину снежного покрова перед началом таяния снегов, а при дальнейших съемках оценить сток воды на больших территориях и проанализировать водорегулирующую роль лесов с различным составом пород и на различных почвах. Космическая фотография позволит изучить более подробно причины, вызывающие эрозию почв, правильно оценить роль лесной растительности в борьбе с этим бедствием.
В целом анализ данных, которые в будущем мы станем получать с орбиты, даст возможность лучше понять закономерности, определяющие жизнь лесов, своевременно проводить те или иные лесотехнические работы, давать необходимые прогнозы».
Использование спутников и космических кораблей, оснащенных соответствующими научными средствами, тем более орбитальных станций как беспилотных, так и с экипажами, может очень многое дать для дальнейшего познания природы лесов. Уже одна только возможность съемки из космоса ландшафтов нашей планеты имеет большое значение для науки и практики, в частности, для лесного хозяйства. Лесоинвентаризационные работы могут быть при этом осуществлены быстрее и в десятки раз дешевле, чем наземными методами. Особенно важно то, что со спутников и орбитальных станций в продолжение длительного времени можно наблюдать и изучать леса на больших площадях. Вырубки, пожары, повреждение насекомыми, изменения в размерах и конфигурации болот — все это может фиксироваться независимо от доступности или отдаленности районов в наземном понимании.
С помощью спутников и орбитальных станций, особенно пилотируемых, возможно проведение комплексных исследований по изучению лесных водосборных бассейнов, речных регионов в районах с разной лесистостью и разным размещением лесов на территории водосбора, границ защитного предтундрового лесного пояса, выяснению его климатообразующей роли и т. п. Иначе говоря, с помощью космических средств мы можем многое узнать о лесе как о факторе окружающей среды в масштабе планеты.
Рассказывая сегодня о первых шагах по применению аэрокосмической съемки в лесном хозяйстве, нельзя забывать, что еще совсем недавно, каких-нибудь 25 лет назад, мы представляли себе использование космических средств в лесоводстве как мечту, которая будет осуществлена не очень скоро. Но создание мощных космических научных лабораторий на наших глазах превращает мечту в действительность.
Лес становится одним из интереснейших объектов изучения из космоса, и результаты проводимых с орбиты исследований, несомненно, будут содействовать дальнейшему развитию сельского хозяйства. Ведь, как уже говорилось, лес оказывает самое непосредственное и благотворное влияние на многие отрасли сельскохозяйственного производства.