Допустим, вы находитесь на необитаемом острове в поисках зарытого сокровища. Вы потеряли карту и у вас закончились подсказки. Теперь у вас есть два варианта: вы можете ходить с лопатой, выкапывая ямы наугад и надеясь на лучшее, или вы можете запустить над головой дрон, оснащенный специальными камерами, которые могут «видеть» сквозь песок или обнаруживать магнитное притяжение ценных монет.
Это не пиратский ход, а существующая технология, называемая дистанционным зондированием. Это то, что инженеры и ученые используют для картирования ресурсов Земли, даже не касаясь земли. От отслеживания состояния леса до поиска воды глубоко под землей — их спутники и дроны меняют то, как люди понимают нашу планету.
Что такое дистанционное зондирование?
Наши глаза видят только видимый свет, например, цвета радуги. Но солнце излучает множество других типов электромагнитной энергии, которые мы не можем видеть, например, инфракрасный и ультрафиолетовый свет.
Все на земле, включая камни, воду, деревья и т. д., по-разному отражает эти энергии. Отражения называются спектральными сигнатурами; они своего рода отпечатки пальцев материалов, из которых сделаны эти предметы.
Изучая этот свет, датчик, установленный на борту спутника, может посмотреть на участок земли и сказать: «Он отражает много ближнего инфракрасного света, но поглощает красный свет. Следовательно, это должно быть здоровое растение». Это основная идея дистанционного зондирования.
Как «выглядят» разные материалы?
Фермеры и лесники используют спутники для проверки здоровья растений. Здоровые листья полны хлорофилла, который поглощает красный свет для фотосинтеза и отражает ближний инфракрасный свет, чтобы избежать перегрева.
Ученые используют формулу, называемую нормализованным разностным индексом вегетации, чтобы определить, здорово ли растение, на основе его спектральных характеристик. Если спутник наблюдает сильное отражение в ближнем инфракрасном диапазоне, урожай здоров. Если отражение этой части спектра падает, растения могут испытывать жажду или болеть.
Согласно обзору, опубликованному в журнале Журнал экологии растений в 2008 году, анализируя спектральные характеристики, исследователи смогли различать различные растительные сообщества и виды деревьев во всех лесах.
Такое картографирование является первым важным шагом в расчете биомассы леса, который, по сути, представляет собой взвешивание деревьев из космоса, чтобы понять, сколько углерода они накапливают, чтобы помочь в борьбе с изменением климата.
Как спутники картографируют воду?
Для картирования водных объектов из космоса ученые в основном используют два взаимодополняющих метода: оптическое индексирование с использованием отраженного солнечного света и радар с синтезированной апертурой с использованием активных радиоволн.
Метод оптического индексирования использует тот факт, что вода отражает видимый зеленый свет, поэтому глубокая вода часто выглядит сине-зеленой, но сильно поглощает ближний инфракрасный и коротковолновый инфракрасный свет. Эти показания объединяются в нормализованный разностный индекс воды (NDWI).
Таким образом, в данных дистанционного зондирования индекс имеет высокое положительное значение над водными объектами и отрицательное значение над сушей. Более новая версия, называемая модифицированным NDWI, или MNDWI, использует только коротковолновый инфракрасный свет. В городах этот вариант часто предпочитают, поскольку он позволяет лучше различать воду и тени, отбрасываемые высокими зданиями.
Конечно, у оптических камер есть недостаток: они не видят ни сквозь облака, ни ночью. Для картирования воды в таких условиях, включая наводнения во время шторма, ученые используют радар с синтезированной апертурой (SAR). Чтобы понять, как работает эта технология, см. Индуистский статья «Что делает спутник NASA-ISRO SAR таким особенным?» от 27 июля 2025 г.
В глазах SAR такие поверхности, как почва, трава и здания, которые рассеивают радиоволны во всех направлениях, выглядят яркими. Однако спокойная вода очень гладкая, почти как зеркало, и выглядит черной как смоль. Таким образом, ища эти черные спички на радиолокационном изображении, ученые могут составить карту паводковых вод даже во время циклона.
Спутники также могут оценивать качество воды. Мутная вода отражает свет иначе, чем чистая вода, а вода, полная водорослей, имеет особую спектральную характеристику. Это помогает экологам отслеживать загрязнение окружающей среды или вредное цветение водорослей.
Вот и все об особенностях над земной поверхностью; как ученые и инженеры используют спутники, чтобы найти то, что находится под землей?
Как спутники отображают особенности недр?
Эксперты ищут подсказки на поверхности или используют различные виды физики.
Ценные минералы, такие как медь, золото и литий, часто образуются глубоко под землей, но геологические силы выталкивают некоторые из них на поверхность в течение миллионов лет. Даже если это всего лишь следы в почве, гиперспектральные сенсоры смогут их обнаружить.
Когда солнечный свет падает на объект, он отражается. Обычная камера может сгруппировать это отражение в комбинацию трех основных цветов: красного, зеленого и синего. Например, гиперспектральный датчик использует призму или решетку, чтобы разделить этот свет на сотни очень узких, непрерывных цветов и измерить интенсивность света на каждой отдельной частоте по всему спектру.
В результате эти датчики могут создавать спектральную подпись для каждого пикселя изображения.
Таким образом, в то время как «обычный» спутник может посмотреть на лес и сказать: «Это зеленый. Это дерево», гиперспектральный датчик может посмотреть на тот же лес и сказать: «Это баньян. У него дефицит азота. А скала рядом с ним — известняк, а не гранит».
По данным исследования 2023 года, проведенного в Обзоры рудной геологииГеологи также используют эти датчики для составления карт зон изменений — областей, где тепло и жидкости из глубоких подземелий изменили химический состав поверхностных пород.
Нефть и газ задерживаются глубоко в земле, но небольшие количества часто просачиваются вверх через очень маленькие трещины – процесс, называемый микропросачиванием. Когда этот газ достигает поверхности, он меняет химический состав почвы и может даже слегка пожелтеть листья растений, вызывая у них стресс.
Спутники могут обнаруживать эти тонкие изменения в состоянии растительности и цвете почвы, давая геологоразведочным компаниям представление о том, где бурить.
Что делать, если микропросачивания нет?
Если нет утечки, спутниковые датчики не смогут напрямую «увидеть» нефть или газ. Однако спутники по-прежнему имеют решающее значение в таких ситуациях, поскольку вместо поиска нефти геологи используют спутники для поиска контейнера с нефтью.
Нефть и газ не просто лежат в больших подземных озерах, они также заперты в порах горных пород и обычно естественным образом сжимаются в определенные формы, называемые ловушками. Наиболее распространенной ловушкой является антиклиналь, где слои горных пород изгибаются вверх, образуя купол или арку.
Спутники НАСА Landsat или японский усовершенствованный космический датчик теплового излучения и отражения радиометра (ASTER) на борту спутника НАСА Терра делают снимки обнаженных слоев горных пород на поверхности Земли. И если геологи увидят на поверхности слои, свернутые в форме купола, есть большая вероятность, что они сложены таким же образом и глубже под землей.
Другой метод использует тот факт, что нефть образуется, когда органические материалы закапываются глубоко и «приготовляются» под воздействием земного тепла в течение миллионов лет. Это происходит в глубоких впадинах, называемых осадочными бассейнами.
Над океанами спутники измеряют высоту морской поверхности с невероятной точностью. Крупные подводные геологические структуры, которые могут содержать нефтяные ловушки, обладают гравитационным притяжением, которое фактически накапливает над ними воду. Нанося на карту эти выступы в океане, ученые могут составить карту каменных структур под морским дном.
Нефть содержится в осадочных породах, таких как песчаник или известняк, которые обычно не обладают магнитными свойствами. Однако порода фундамента глубоко под ней, такая как гранит или вулканическая порода, является магнитной. Поэтому спутники измеряют магнитное поле Земли, чтобы определить, где находится очень глубокое магнитное основание.
А там, где фундамент глубокий, это значит, что сверху может находиться толстый слой осадочных пород с перспективой на нефть. Фактически, когда нет микропросачивания, спутники не могут сказать «здесь есть нефть», а скорее говорят, что «здесь есть геологическая структура, способная удерживать нефть».
Как спутники отслеживают грунтовые воды?
Поскольку вода тяжелая, большой подземный водоносный горизонт на самом деле имеет более сильное гравитационное притяжение, чем сухая порода.
С 2002 по 2017 год НАСА проводило свою миссию «Восстановление гравитации и климатический эксперимент» (GRACE) с двумя спутниками, которые преследовали друг друга вокруг Земли. Когда ведущий спутник пролетал над тяжелым подземным водоносным горизонтом, сила тяжести тянула его немного быстрее, изменяя расстояние между двумя спутниками.
Измерив это изменение расстояния, ученые могли бы взвесить воду под землей.
Одно известное исследование 2009 года, опубликованное в Природа использовали данные GRACE, чтобы показать, что уровень грунтовых вод в Северной Индии падал угрожающими темпами, поскольку их добывали для орошения посевов.
Дистанционное зондирование делает разведку ресурсов быстрее, дешевле и экологически безопаснее. Вместо того, чтобы бурить тысячи скважин в поисках нефти или воды, мы можем ориентироваться на конкретные районы.
Это также помогает нам защищать ресурсы: наблюдая за лесами и водоносными горизонтами из космоса, мы можем быть уверены, что не истощаем их быстрее, чем природа успевает их пополнить.
комментарии