Космос, Земля и суперкомпьютинг: сопряженные задачи экологии, климата, мониторинга и дистанционного зондирования Земли, гиперспектральный подход и нанодиагностика природных сред (посвящается 65- летию ИПМ им. М.В. Келдыша РАН)

Abstract

Сложнейшие задачи эволюции, климата, экологии, глобального мониторинга и дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) с гиперспектральными подходами и нанодиагностикой природной среды и объектов впервые предлагается рассматривать как сопряженные. Электромагнитное излучение — единое физическое поле, объединяющее радиационное поле Земли с радиационно-активными компонентами. Например, извержение вулканов и трансграничный перенос загрязнений, которые влияют на экологию и состояние окружающей среды, могут быть обнаружены методами ДЗЗ, а далее через перенос лучистой энергии, зависящей от загрязнителей природных сред, может влиять на климат и в конечном итоге на тренд эволюции Земли как планеты. Непреодолимая сложность проблемы состоит в том, что для исследований планеты не допустимы натуральные эксперименты и возможны только мониторинг и наблюдения разными средствами, с одной стороны, а с другой стороны на момент измерений радиации невозможно восстановить весь набор оптико- геофизических и оптико-метеорологических параметров системы «атмосфера-суша-океан», от которых зависит радиация, и не возможно повторить условия наблюдений, так как среда непрерывно изменяется и никогда не повторяется. И только математическое моделирование «больших» прямых и обратных задач теории переноса излучения с параллельным суперкомпьютингом позволяет провести теоретико-расчетные исследования столь сложных проблем и получить качественные и количественные оценки для анализа и прогнозов, а также для разных тематических приложений на основе «сценариев». The most complex problems of evolution, climate, ecology, global monitoring and remote sensing of the Earth (ERS) with hyperspectral approaches and nanodiagnostics of the natural environment and objects are proposed to be considered as conjugate for the first time. Electromagnetic radiation is a single physical field that combines the radiation field of the Earth with radiation-active components. For example, the volcanic eruptions and transboundary transport of pollution that affect the ecology and the state of the environment can be detected by remote sensing, and then through the transfer of radiation energy dependent on environmental pollutants can affect the climate, and ultimately, the trend of the evolution of the Earth as a planet. The insurmountable difficulty of the problem lies in the fact that the natural experiments are not allowed for the study of the planet, and only monitoring and observation by different means are possible, on the one hand, and on the other hand, at the time of the radiation measurements it is impossible to restore the entire set of optical-geophysical and opticalmeteorological parameters of the “atmosphere-land-ocean” system, on which the radiation depends, and it is not possible to repeat the conditions of observations, since the environment is constantly changing and never repeats. And only mathematical modeling of “big” direct and inverse problems of the radiation transfer theory with parallel supercomputing allows to conduct the theoretical and computational research of such complex problems and to obtain qualitative and quantitative estimates for analysis and forecasts, as well as for different thematic applications based on “scenarios”.