Как исследователи космоса реставрируют древние фрески, диагностируют рак, предсказывают муссоны и помогают в расследовании крушения Ту-154.

Несмотря на то, что работы сотрудников Института космических исследований РАН направлены в первую очередь на использование космоса и Вселенной в интересах фундаментальной науки, некоторые исследования помогают и в делах земных. Алгоритмы обработки информации, которые используют ученые ИКИ, применимы в таких разных сферах, как медицина и искусствоведение, экология и климатология.

С камерой в монастырь

Среди современных технологий, которые применяют не только для изучения космоса, широко используется мультиспектральная съемка. Во время такой съемки помощью специальной камеры, установленной на спутнике, создается одновременно несколько изображений одной и той же территории в различных диапазонах спектра электромагнитного излучения. Анализ того, как отражающая способность поверхности изменяется в разных полосах спектрах, помогает экологам, агрономам, океанологам и геологам узнать о состоянии растительного и почвенного покрова, влажности задымлении и других характеристиках поверхности. Впрочем, этот метод можно применить и в довольно неожиданной области — реставрации древних фресок.

Так, мультиспектральная съемка помогла исследовать росписи собора Рождества Богородицы Ферапонтова монастыря. Ученые работали с фресками ведущего московского иконописца начала XVI века, продолжателя традиций Андрея Рублева, Дионисия. Исследователям удалось прочитать тексты в росписях алтарной части монастыря, которые ранее считались утраченными.

Сама реставрация проводится следующим образом. В начале ученые фотографируют рукопись с помощью специальных фотоаппаратов, которые делают изображения в очень широком диапазоне: от ультрафиолетового до инфракрасного. Так получается набор снимков широкого спектра с шагом длины волны 40 нанометров. Затем эти данные обрабатываются с помощью специальных алгоритмов. В зависимости от химического состава чернил и глубины их «проникновения» в пергамен ученые получают снимки в разных диапазонах длин волн. Таким образом, удается восстановить не только то, что было написано на исследуемом пергамене раньше, но и условия, в которых создавалась рукопись.

Следующий шаг ученых — исследовать уникальные палимпсесты из фондов Исторического музея. Палимпсест — это рукопись, написанная поверх стертого более раннего текста, который в данном случае написан глаголицей. Специалисты исследуют один из самых древних глаголических палимпсестов кирилло-мефодиевской традиции. Семь листов из древней рукописи были вплетены в качестве вставки с новым текстом в сербскую рукопись XIV века. Нижний смытый глаголический текст выполнен мелкой круглой глаголицей — самым древним видом глаголицы с буквами круглой формы. Вероятно, он был написан в X–XI веках в Болгарии и содержит канон на Рождество Христово. Прочитать текст полностью очень важно, поскольку во всем мире сохранилось менее двух десятков глаголических памятников.

Авторами метода являются сотрудники Института космических исследований (ИКИ) РАН, Московского государственного университета геодезии и картографии, Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» и Государственного научно-исследовательского института реставрации (ГосНИИР).

Что случилось над Черным морем

Падение самолета Ту-154 одного из летных отрядов Минобороны РФ стало одной из самых больших трагедий 2016 года. Лайнер вылетел из аэропорта Адлера 25 декабря в 5:20 по московскому времени и через две минуты пропал с радаров. Как выяснилось позже, самолет упал в Черное море. Обломки оказались разбросаны на значительной площади. Необходимо было определить место крушения лайнера. Радиолокационные изображения места крушения Ту-154 помогли разобраться в произошедшем.

Аппарат Европейского космического агентства Sentinel-1B передал на Землю снимок места трагедии, по которому специалисты сумели определить место крушения с точностью до десяти метров. Sentinel-1B оснащен инструментом C-SAR (C-band Synthetic Aperture Radar — радар C-диапазона с синтезированной апертурой), который призван следить за состоянием океанов, ледников и лесов.

На полученном изображении цифрой 1 отмечено предполагаемое место падения, расположенное на расстоянии 4,3 км от берега. Видно темную область, связанную с растеканием топлива по поверхности моря. Пятно 2 протяженностью 4,8 км появилось из-за нефтяного сброса. Цифрами 3 отмечены яркие белые пятна, говорящие о высокой шероховатости поверхности моря. Такими пятнами могли бы быть и мелкие обломки.

Кроме того, получаемые с орбиты данные ученые используют для обнаружения айсбергов и нефтяных разливов, а также для того, чтобы получать актуальные картографические данные при чрезвычайных ситуациях. В C-диапазоне, который находится в области частот в несколько гигагерц, разливы нефти и нефтепродуктов видны как темные пятна на более светлом фоне воды, хорошо отражающей радиоизлучение таких длин волн.

Из космической обсерватории в рентгеновский кабинет

Другое изобретение исследователей космоса — новый способ обработки рентгеновских маммограмм — снимков молочной железы, которые делают в основном для диагностики и предотвращения рака. Открытие стало возможным после многолетней работы, в ходе которой ученые визуализировали объекты в рентгеновском диапазоне для космических обсерваторий. Новый способ делает изображения онкологических опухолей и микрокальцинатов (ранних предвестников рака в молочной железе) более контрастными и резкими. В результате заболевание можно диагностировать раньше, чем при традиционной маммографии.

Существует множество методов и технических средств, предназначенных для диагностики рака груди, однако врачи все еще ошибаются. Характерно, что подавляющая часть маммографических обследований в мире идет в исследовательских, а не в клинических целях. В России доля маммографических обследований в научных целях ничтожна. До сих пор основным диагностическим методом является скрининговое обследование — рентгеновская маммография.

Раковая опухоль представляет собой очень плотное звездообразное образование. Однако плотными могут быть и доброкачественные образования. Предвестниками рака часто являются микрокальцинаты — отложения солей кальция в тканях молочной железы (также они образуются в почках, щитовидной железе и других органах). Скопление микрокальцинатов может быть единственным косвенным признаком рака молочной железы.

Сейчас микрокальцинаты выявляют с помощью рентгеновской маммографии, которая основана на том, что разные ткани поглощают рентгеновское излучение в зависимости от величины эффективного атомного номера. У микрокальцинатов он значительно больше, чем у здоровой ткани (Z=6,3–7,5 у здоровой ткани против 12-14 у микрокальцинатов). Особенно опасны микрокальцинаты размером менее 100 мкм, ведь их невозможно выявить при помощи рентгеновской маммографии. Однако злокачественная опухоль может развиваться и без микрокальцинатов. В этом случае важно получить изображение с отчетливым очертанием границ самой опухоли.

Метод двухэнергетической делительной маммографии, разработанный учеными ИКИ РАН, может справиться с этими двумя задачами. В методе сохранена использовавшаяся ранее техника с использованием излучения двух энергий. Она позволяет уменьшить влияние рассеянного рентгеновского излучения, из-за которого обнаружить микрокальцинаты было гораздо сложнее, и делает маммограммы четче.

Вместе с тем в новом методе используется эталон с известными распределениями плотности, толщины и эффективного атомного номера, что позволяет исключить из расчетных формул плотность ткани. Благодаря этому маммография может выявить скопления более мелких микрокальцинатов, что позволяет диагностировать опухоль на ранних стадиях.

Найти и обезвредить

Сотрудники ИКИ РАН поставили перед собой задачу найти источник неприятного запаха, на который жаловались жители восточных районов Московской области. При этом единственным источником информации о происходящем стали жалобы местных жителей с уточнениями, где и когда эти жалобы были зафиксированы.

«Хотя подобные задачи – поиски источников загрязнения – сейчас очень актуальны, насколько нам известно, это первая работа, где предпринята попытка найти источник загрязнения с помощью только математических методов, используя жалобы местных жителей. Эта информация гораздо более "неопределенна", чем данные точных измерений», – отметил один из авторов исследования, сотрудник ИКИ РАН Борис Балтер.

С помощью разработанной программы ученые проанализировали жалобы жителей востока Московской области, проживающих вдоль Горьковского шоссе, с сентября 2013 по июнь 2014 года.

Исследователи предположили, что количество жалоб примерно соответствует концентрации вещества в воздухе, которое, в свою очередь, зависит от розы ветров. Поэтому в исследовании ученые использовали данные метеорологических станций вблизи исследуемого района и учли предположительное время, которое требуется для того, чтобы запах дошел от источника к людям.

Территорию исследуемого района специалисты разделили на ячейки размером 1 км². Каждой ячейке ученые присвоили число, полученное с помощью статистических методов из количества жалоб и предположительной концентрации зловонного вещества. Затем при помощи статистических алгоритмов обработки данных ученые определили участки, где с наибольшей вероятностью находится источник. Оказалось, что там располагалась мусорная свалка.

Ученые проверили правильность выводов, «поиграв» с различными параметрами: временем распространения запаха, способами обработки метеорологических данных и другими. Результат всегда оставался довольно стабильным, а расположение источника сдвигалось лишь на 1 км. Таким образом, новый алгоритм вполне можно использовать, чтобы быстро оценивать экологическую ситуацию.

Хождение за три моря

Благодаря другому исследованию сотрудников ИКИ можно будет заранее прогнозировать возникновение муссонов в центральной Индии. Точный прогноз крайне важен для этой страны, поскольку цикл сельскохозяйственных работ очень крепко связан с сезоном дождей. Например, вспашка должна начаться за месяц до муссона.

С началом муссонов наступает сезон дождей. Это вызвано сезонными изменениями атмосферной циркуляции осадков, что в свою очередь связано с неодинаковым нагревом суши и моря. Ученые решили рассмотреть начало муссона как время внезапного перехода системы от одного состояния к другому. Чтобы обнаружить регионы, в которых критические условия для возникновения муссона зарождаются раньше, ученые предложили новый метод. Его суть сводится к тому, что, прежде чем система перейдет в новое состояние, величины некоторых переменных (приповерхностной температуры, давления и относительной влажности воздуха) начнут быстро и довольно сильно «раскачиваться». Если внимательно следить за ходом этих колебаний, то можно предсказать надвигающиеся критические перемены.

Для исследования ученым понадобились наземные и спутниковые данные о среднесуточной приповерхностной температуре, давлении и относительной влажности воздуха. Оказалось, что в пространственной организации муссона существует две области, ответственные за начало сезона дождей в центральной части Индии. Одна такая область расположена в районе горного хребта Восточные Гаты, другая — в Северном Пакистане. И если первая точка — это фактически центральный элемент муссона в Индии, то во второй области муссона как такового не бывает вовсе. Однако именно последняя область задает направление распространения муссона. В Северном Пакистане возникает антициклон, который сталкивается с сильным циклоном в Восточных Гатах, и в последней начинаются муссонные дожди.

Ученые обнаружили и второе важное свойство муссона. Оказалось, что перед началом муссона в Восточных Гатах, температуры в Восточных Гатах и в Северном Пакистане становятся равными. После этого температура в первой зоне падает, а во второй растет. Одинаковой в двух областях температура становится и накануне завершения муссона. Это свойство помогает ученым составлять долгосрочные прогнозы начала и завершения муссона в центральной Индии.

Исследователи успешно предсказали начало муссона за 40 дней. Дату завершения муссона специалистам удалось предсказать за 70 дней. Если учесть, что метеослужбы прогнозируют только на пять дней вперед, долгосрочный прогноз ученых оказался весьма успешным.