Наноспутники против вулканов: как новые технологии спасают от природных катастроф
Космическое агентство NASA отправило на орбиту наноспутник NACHOS, который будет следить, не собирается ли какой-нибудь вулкан проснуться. Миниатюрный аппарат по качеству наблюдений может поспорить с большими и дорогими спутниками.
Жизнь на вулкане
Вулкан, извергавшийся в историческое время, считается действующим. В этом есть смысл: вулканы живут так долго, что многие века для них могут быть лишь кратким отдыхом от трудов праведных. По данным на 2017 год, в радиусе 100 км от того или иного действующего вулкана живут 800 млн человек, или более 10% населения планеты. При этом вулканическое пламя регулярно озаряет новостные сводки. В базе данных EM-DAT упоминаются 35 извержений, случившихся за последние семь лет — по пять в год. Это при том, что в базу попадают только события, в которых погибло не менее 10 человек или пострадало не менее 100.
Некоторые из этих катастроф потрясают своим размахом. Так, прошлогоднее извержение канарского вулкана Кумбре-Вьеха обошлось в $1 млрд. С тех пор, как эксперты стали подсчитывать ущерб от таких бедствий, было лишь одно столь же дорогостоящее извержение. Оно случилось с вулканом Невадо-дель-Руис (Колумбия) в 1985 году. На второй ступени этого скорбного пьедестала — вулкан Сент-Хеленс (США), в 1980 году нанесший $860 млн ущерба. Третье и четвертое места занимают недавние катастрофы: извержение Кальбуко в Чили в 2015 году ($600 млн) и Килауэа на Гавайях в 2018-м ($500 млн).
Стоит иметь в виду, что материальный ущерб не слишком коррелирует с количеством пострадавших. От «миллиардного» извержения на Канарах пострадало около 6900 человек, 6550 из которых попали в этот список потому, что лишились крова. А вот из-за вулкана Тааль на Филиппинах в 2020 году пострадало 737 000 человек, при том, что ущерба он причинил «всего» на $66 млн.
К счастью, лишь для восьми из 35 извержений последних лет сообщается о человеческих жертвах (но эта статистика может быть неполной). Особенно смертоносными оказались вулканы Анак-Кракатау в Индонезии и Фуэго в Гватемале. В 2018 году каждый из них унес более 450 жизней.
Огнедышащие горы бывают и куда более кровожадными. Уже упоминавшееся извержение Сент-Хеленс 1985 года стоило жизни 25 000 человек (большинство погибли при сходе порожденных извержением селей). Это сравнимо с количеством жертв знаменитого извержения Кракатау в 1883 году. Тогда погибло 36 000 человек, в основном от удара цунами.
Абсолютный рекорд по числу жертв — 92 000 — принадлежит вулкану Тамбора в Индонезии. В 1815 году он поднял в воздух такие тучи затмевавшего солнце пепла, что следующий, 1816 год и поныне остается самым холодным за всю историю метеонаблюдений. Он получил прозвище «год без лета». Большая часть жертв Тамборы умерла от голода из-за неурожаев.
Всего же за последние пять веков извержения прямо или косвенно погубили примерно 280 000 жизней. В среднем это около 550 человек в год. Не много по сравнению с ДТП, войнами или пандемиями, но вряд ли это соображение утешило бы семьи погибших.
Пламя потепления
Учащаются ли извержения вулканов со временем? В целом по планете — нет, но в некоторых регионах — да. Согласно некоторым исследованиям, жителям Исландии предстоит все чаще сталкиваться с «файер-шоу». И виной тому глобальное потепление. Склоны огнедышащих гор северного острова пребывают в хрупком равновесии между давлением раскаленных газов снизу и давлением ледников сверху. Но лед в последние десятилетия усиленно тает, так что исландские вулканы буквально распирает изнутри. Тем, кто думает, что Исландия далеко и ее дела никого не касаются, стоит вспомнить 2010 год, когда весь мир был вынужден выучить название Эйяфьядлайёкюдль.
В теплых гаванях тропических морей тоже не все благополучно. Извержение Килауэа на Гавайях в 2018 году (обошедшееся, напомним, в $500 млн) могло быть вызвано обильными дождями. Так, во всяком случае, утверждается в статье в Nature. Подземный жар испарял просочившуюся влагу, и пар увеличивал давление в недрах вулкана. Это в конце концов и привело к катастрофе, полагают исследователи.
Многие климатологи считают, что по мере потепления климата будет расти число экстремальных погодных явлений, в том числе необычно обильных ливней. Это и само по себе чревато человеческими жертвами и огромным ущербом, а уж тем более, если к буйству воздушной и водной стихий присоединится подземная.
Жар и трепет
Никто не в силах предотвратить или остановить извержение вулкана. Но ученые могут вовремя предупредить о нем, а власти — организовать эвакуацию. Рекордное по материальному ущербу извержение на Канарах, по данным EM-DAT, не стоило жизни вообще никому (другие источники сообщают об одном погибшем). Население попросту вовремя вывезли из опасного района.
Есть целый набор признаков, предвещающих извержение. Во-первых, это легкое изменение рельефа. Под давлением магмы земля буквально вспучивается, немного поднимаясь над обычным уровнем. Во-вторых, в воздух выбрасываются вулканические газы. Состав грунтовых вод тоже меняется. Наконец, катастрофе часто предшествуют небольшие землетрясения. Растет и температура грунта, причем исследования последних лет показали, что «подогрев» включается за несколько лет до извержения.
Все эти признаки можно заметить, если поставить на опасную гору датчики. Но на суше сотни действующих вулканов. Многие из них труднодоступны. Многие к тому же расположены в бедных странах, не всегда готовых оплачивать наблюдения. Наконец, автоматика автоматикой, но зачастую без участия человека не обойтись, а восхождения на вулканы небезопасны.
Иное дело — спутники. С орбиты можно измерить и температуру грунта, и «вспучивание» поверхности, и содержание вулканических газов в атмосфере. Кроме того, большое видится на расстоянии: орбитальный аппарат может зафиксировать явление, охватывающее десятки квадратных километров вокруг вулкана. Наконец, спутник может наблюдать любую точку, над которой пролегает его орбита, независимо от того, в какой стране она находится и легко ли до нее добраться.
Основная проблема орбитальной вулканологии в том, что это дорогое удовольствие. Во всяком случае, так было до появления NACHOS.
Мал золотник, да зорок
Аббревиатура NACHOS расшифровывается как Nanosat Atmospheric Chemistry Hyperspectral Observation System, то есть «Наноспутниковая система для гиперспектральных атмосферных наблюдений». NACHOS миниатюрен, его масса — всего 6 кг. Говоря более точно, это кубсат, то есть наноспутник из стандартных кубических блоков объемом 1 л каждый. Эта технология пользуется большой популярностью: на начало 2022 года запущено уже 1663 кубсата.
Но если кубсаты давно стали обыденностью, то прибор на борту NACHOS — настоящая новинка. Он способен сканировать атмосферу Земли с высоты 480 км с разрешением всего 0,4 км2. Другими словами, инструмент может отличить друг от друга по составу воздуха соседние площадки размером 1 км × 400 м. Раньше такое разрешение было достижимо только на больших и дорогих спутниках. Еще одно ноу-хау — алгоритмы, способные обработать солидный объем данных на миниатюрном бортовом компьютере.
Цель орбитального стража — сернистый газ (SO2) и диоксид азота (NO2). Первый — повсеместный продукт вулканических выбросов. Вообще-то вулканические газы по большей части состоят из банального водяного пара, а на втором месте углекислый газ, но столь распространенные вещества никак не могут быть маркерами «дыхания магмы». А вот сернистый газ достаточно специфичен для этого. Диоксид азота тоже встречается в вулканических газах, но присутствует он и в промышленных выбросах. Так что NACHOS станет еще и контролером качества воздуха.
Наноспутник был доставлен на борт МКС грузовым кораблем Cygnus NG-17, стартовавшим 19 февраля. В мае грузовик отстыкуется от станции и возьмет курс на Землю. Прежде чем войти в атмосферу, он выпустит NACHOS в свободный полет. На тестирование всех систем уйдет три месяца, а потом начнутся собственно наблюдения. Разработчики ожидают, что спутник прослужит около года. Все это время он будет постепенно снижаться из-за сопротивления остатков воздуха, пока не войдет в плотные слои атмосферы и не сгорит. Поясним, что у кубсатов обычно нет двигателей, поэтому они не могут корректировать орбиту.
Уже в конце 2022 года в космос должен отправиться второй точно такой же аппарат. Если пробные миссии пройдут удачно, то, учитывая дешевизну кубсатов, «небесный дозор» может стать регулярным и массовым. И тогда можно будет надеяться, что грозное дыхание Земли больше никого не застанет врасплох.