Всемирная Глобальная Научная Программа «Будущее Земли»: радиационное поле Земли, космос, компьютинг

В последние годы практически каждый день приносит тревожные новости о капризах погоды и "изменениях" климата, стихийных бедствиях и природных катаклизмах. Фундаментальные основы для реализации Всемирной Глобальной Научной ПРОГРАММЫ "Будущее Земли" и прогнозирования БУДУЩЕГО ЗЕМЛИ как планеты (куда эволюционирует – к прообразу Марса или Венеры?) и цивилизации, включая последствия антропогенного и естественно-природного воздействия, были заложены в XX веке – это успехи МАТЕМАТИКОВ, изобретение компьютера, выход человека в космос и создание "Ракетно-ядерного щита"! Эта ПРОГРАММА «Будущее Земли» – вечная, пока существует человеческая цивилизация и жив интеллект человека, и её реализация – актуальная перспектива для МОЛОДЫХ!

В науке и технике, доставшимся России по наследству от СССР, создан и накоплен грандиозный научно-технический потенциал, который позволил под руководством МАТЕМАТИКОВ Героя Социалистического Труда (1951) Сергея Львовича Соболева (06.10.1908-03.01.1989, член-корреспондент c 01.02.1933, академик с 29.01.1939) создать 70 лет назад и успешно испытать 29 августа 1949 года ПЕРВУЮ "атомную" бомбу, дважды Героя Социалистического Труда (1954, 1986) Андрея Николаевича Тихонова (30.10.1906-08.10.1993, член-корреспондент c 29.01.1939, академик с 01.07.1966,) осуществить расчеты для ПЕРВОЙ "водородной" бомбы "Слойка", успешно испытанной 66 лет назад 12 августа 1953 года, трижды Героя Социалистического Труда (1956, 1961, 1971) Главного Теоретика космонавтики Мстислава Всеволодовича Келдыша (10.02.1911-24.06.1978, член-корреспондент c 29.09.1943, академик с 30.11.1946, Президент Академии наук СССР c 19.05.1961 по 19.05.1975) покорить космос. 65 лет назад была введена в строй в 1954 году ПЕРВАЯ в мире атомная станция (г. Обнинск), расчетами которой руководил МАТЕМАТИК профессор Евграф Сергеевич Кузнецов (13.03.1901-17.02.1966) под общим руководством Игоря Васильевича Курчатова (12.01.1903-07.02.1960, академик с 29.09.1943).

Я не случайно привожу даты жизни – какие же они были молодые, когда выполняли эпохальные проекты. И такое стало возможным только благодаря обеспечению преемственности в организации науки и созданию в июле 1925 года Академии Наук СССР на базе Императорской Российской Академии Наук (основана в 1724 году!), которая руководила не только наукой, но и стратегическими государственными проектами покорения атома и космоса! Без ВЕЛИКОЙ Академии Наук СССР не было бы ни победы в Великой Отечественной войне (1941-1945), ни создания «Ракетно-ядерного щита», который и ныне защищает страну, ни выхода в космос (если владеешь космосом – владеешь миром!).

Глобальный вызов "Повестки XXI-го века" – это не имеющая аналогов по масштабам в истории цивилизации Всемирная Глобальная Научная ПРОГРАММА "Будущее Земли" (World Global Research Projects Future Earth) [1, 2], основанная в 2015 году для координации международных исследований по устойчивому развитию окружающей среды и общества по совместной инициативе Международного совета по науке (ICSU), Международного научного совета по общественным наукам (ISSC) (после объединения в 2018 году переименованы в "Международный научный совет" (ISC), представляющий 133 страны, 29 международных научных союзов и 24 научные ассоциации) и при поддержке крупнейших международных правительственных организаций в сфере науки, образования и культуры – ЮНЕСКО, Программы Объединенных Наций по окружающей среде (ЮНЕП), Международного университета ООН, Международной метеорологической организации (WM0), Бельмонтским форумом, Сетью организаций по устойчивому развитию (SDSP) и др.

В ПРОГРАММУ "Будущее Земли" вошло большинство всех ранее существовавших международных программ по изучению глобальных изменений: Международная геосферно-биосферная программа (IGBP), Международная программа по общественному измерению глобальных изменений (IHDP), Всемирная программа по изучению климата (WCRP), Международная программа по изучению биоразнообразия (Diversitas), Партнерство наук о Системе Земли (ESSP), Глобальный анализ, интеграция и моделирование (GAIM), Синтез и интеграция Системы Земли (AIMES) и др.

65 лет назад, 14 февраля 1954 г., в кабинете М.В.Келдыша состоялось ПЕРВОЕ совещание, на котором ВПЕРВЫЕ обсуждался вопрос о возможности создания и запуска в космическое пространство ПЕРВОГО искусственного спутника Земли [3, 4]. В совещании участвовали ученики М.В.Келдыша кандидаты физ.-мат. наук Т.М.Энеев и Д.Е.Охоцимский, ставшие академиками за достижения в космосе; присутствовали С.П.Королев, П.Л.Капица, И.А.Кибель, М.К.Тихонравов, А.Ю.Ишлинский, С.Н.Вернов и целый ряд других людей – это были те ученые, конструкторы и инженеры - ведущие профессионалы и лучшие специалисты, кто был непосредственно связан с созданием космической техники, и те, кто мог высказать предложения по научным исследованиям, которые нужно было бы проводить со спутников. В соответствии с Постановлением ЦК КПСС и Правительства СССР "Об увековечивании памяти академика М.В.Келдыша" в июле 1978 года создан и функционирует Мемориальный Кабинет-музей академика М.В.Келдыша при Президиуме РАН [5].

О программе космических исследований заговорили в 1955 г. По указанию М.В.Келдыша из Академии наук СССР разослали письма в разные организации и ученым разных специальностей с одним вопросом "Как можно использовать космос?" Для убеждения руководителей СССР в необходимости освоения космического пространства и запусков космических спутников и кораблей М.В.Келдыш как уже признанный государственный деятель выделил две главные задачи: разведка и наблюдения Земли, вокруг которых сформировались многие научно-исследовательские проекты, определилась новая отрасль человеческой деятельности, в 1955 г. началось строительство космодрома "Байконур" и были созданы Министерство общего машиностроения и другие ведомства. Подтверждается стратегический выбор, сделанный русским гением М.В.Келдышем и актуальный в XX и XXI веках [6, 7].

В 2018 году признали, что в СССР была "КИБЕРНЕТИКА" и отметили 70-летие "ИНФОРМАТИКИ", для реализации которой основы были заложены в 1948 году, когда были созданы СКБ-245 (Первое управление Совета Министров, где курировали "ракетно-ядерный щит") и ИТМиВТ АН СССР и начались разработки промышленного производства серийных «математических» электронно-вычислительных машин (ЭВМ). Расчеты для ПЕРВЫХ бомб проводились на арифмометрах – это был научный подвиг МАТЕМАТИКОВ! Космос покоряли уже с помощью ЭВМ. 65 лет назад в 1954 году в Институте Келдыша была введена в строй ПЕРВАЯ серийная ламповая ЭВМ "Стрела", на которой проводились расчеты для запуска ПЕРВОГО спутника 04.10.1957, для полета ПЕРВОГО космонавта 12.04.1961, для миссии ПЕРВЫХ трех космических кораблей к Луне 60 лет назад в 1959 году и т.д. Следует отметить 55-летний юбилей запуска в 1964 году ПЕРВОЙ в СССР полупроводниковой ЭВМ "Весна" (Т.А.Сушкевич создала первую большую программу и приняла участие в сдаче ЭВМ) и 55-летний юбилей компьютерной графики в СССР (в 1964 году ПЕРВЫЕ графики в СССР построены Ю.М.Баяковским и Т.А.Сушкевич на ЭВМ "Весна"). 30 лет назад в Институте Келдыша в 1989 году ввели в строй ПЕРВУЮ в СССР многопроцессорную вычислительную систему (МВС-100 называют "суперкомпьютер").

Для реализации ПРОГРАММЫ "Будущее Земли" требуются новые поколения мощных и высокопроизводительных с огромными ресурсами суперкомпьютеров и хранилищ для big data. Такие центры создаются в США, Китае, Японии, ЕС... К сожалению, в России таких центров нет и в нацпроектах пока нет таких приоритетов... Так что в имеющихся условиях задача и обязанность УЧЕНЫХ эти проблемы поднимать и создавать основы для перспективных проектов СПАСЕНИЯ ПЛАНЕТЫ и ЦИВИЛИЗАЦИИ!

Позвольте напомнить имена пяти советских ПИОНЕРОВ КИБЕРНЕТИКИ: член-корреспондент АН СССР Ляпунов Алексей Андреевич (08.10.1911-23.06.1973) и его ученики академик РАН Журавлев Юрий Иванович (14.01.1935), академик РАН Лупанов Олег Борисович (02.06.1932-03.05.2006), член-корреспондент АН СССР Яблонский Сергей Всеволодович (06.12.1924-26.05.1998), а также профессор Шура-Бура Михаил Романович (21.10.1918-14.12.2008)! Это ОНИ создавали основы дискретной математики и фундаментальные основы искусственного интеллекта ИИ)!

Несомненно, что необходимо глубже и реалистичнее развивать исследования по проблемам искусственного интеллекта [8-17], цифровой экономики, нейронных сетей и т.п. применительно к задачам аэрокосмического мониторинга и дистанционного зондирования Земли. В 2019 году следует отметить 65-летие начала исследований искусственного интеллекта в СССР: историю искусственного интеллекта в нашей стране можно отсчитывать от 1954 года, когда в МГУ имени М.В.Ломоносова под руководством профессора А.А.Ляпунова начал работу семинар «Автоматы и мышление». Нужно вспомнить 45-летие созданного в 1974 году Научного совета по проблеме «Искусственный интеллект» при Комитете по системному анализу при Президиуме АН СССР, его возглавил Г.С.Поспелов. В 1988 году создается Ассоциация искусственного интеллекта (АИИ). Ее членами являлись более 300 исследователей. Президентом ассоциации был единогласно избран Д.А.Поспелов. В научный совет ассоциации вошли ведущие исследователи в области ИИ: В.П.Гладун, В.И.Городецкий, Г.С.Осипов, Э.В.Попов, В.Л.Стефанюк, В.Ф.Хорошевский, В.К.Финн, Г.С.Цейтин, А.С.Эрлих и другие ученые. Можно сказать, что уровень теоретических исследований по искусственному интеллекту в СССР был ничуть не ниже мирового. Нынешнее возрождение интереса к ИИ уже третье по счету и отличается от предыдущих как амплитудой, так и охватом, поскольку сейчас для решения задач ИИ имеются не только необходимые технические средства (вычислительная техника на основе сверхбольших микросхем-чипсетов, повсеместно распространившиеся беспроводные сети и интернет), но и далеко продвинувшиеся работы в этой области.

Радиационное поле – это солнечное и собственное излучение, которое численно можно смоделировать как решение многомерных скалярных и векторных краевых задач для кинетических уравнений переноса излучения в рассеивающих, поглощающих, поляризующих, преломляющих гетерогенных средах (атмосфера, облака, океан, земная поверхность, природные и технические объекты) в масштабах планеты [18-21].

Планета Земля – естественный пример динамической системы с нелинейными процессами, находящейся в непрерывных изменениях. Древние астрономы использовали свет для наблюдений за другими планетами и звездами. И не случайно наблюдения и исследования планеты Земля проводятся с помощью "световых технологий", поскольку скорость света такова, что исследуемый объект можно считать "стационарным" и в теории переноса излучения практически решаются стационарные кинетические уравнения без временной зависимости.

С одной стороны, солнечное излучение в диапазоне спектра длин волн 0.2-4 мкм –- один из неотъемлемых факторов жизнеобеспечения человека, животного и растительного мира на Земле, а также одна из определяющих компонент земной экосистемы и биосферы, для поведения которых характерно взаимодействие отдельных компонент с проявлением синергизма (обратных связей, которые иногда приводят к взаимоусилению различных процессов). Поле солнечного излучения влияет на механизмы изменчивости (динамические процессы: циркуляция, конвекция, турбулентный перенос; радиационные и фотохимические процессы) геофизического, метеорологического, климатического состояния Земли, которые обладают сложными нелинейными связями, затрудняющими предсказание возможных эффектов, оценку их величины и значимости.

С другой стороны, электромагнитное излучение, регистрируемое разными средствами, является основным источником информации о строении и физических свойствах планетных атмосфер и поверхностей при дистанционном зондировании. Для пассивных систем наблюдений источниками излучения являются внешний солнечный поток коротковолнового диапазона спектра (ультрафиолетовый, видимый, ближний инфракрасный) и собственное излучение планеты длинноволнового диапазона спектра (инфракрасный, миллиметровый), когда применимо квазиоптическое приближение теории переноса излучения. В активных системах в качестве источника инсоляции могут использоваться лазерный или прожекторный луч.

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.

С позиции 60-летнего опыта речь идет о "радиационных" задачах ПРОГРАММЫ "Будущее Земли". Сложнейшие проблемы эволюции, климата, экологии, глобального мониторинга и дистанционного зондирования Земли с гиперспектральными подходами и нанодиагностикой сред и объектов предлагается рассматривать как сопряженные [22-24]. Радиационное поле Земли – единое физическое поле (электромагнитное излучение) и объединяющий фактор динамической системы Земля, непрерывно изменяющейся и неповторяющейся. При этом в момент измерений НЕВОЗМОЖНО проконтролировать "оптическую погоду"! Потому исследования можно проводить только на основе моделей и "сценарного" подхода!

Без МАТЕМАТИКИ и КОМПЬЮТИНГА нельзя реализовать ПРОГРАММУ «Будущее Земли»!

Посвящается УЧИТЕЛЯМ Т.А.Сушкевич в год 60-летия её научной деятельности [21] и 55-летия публикации первой статьи [25] в области теории переноса излучения и её приложений. Три составные части космических исследований, дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и радиационного форсинга – три "прикладных" МАТЕМАТИКА:
– Мстислав Всеволодович Келдыш – Главный Теоретик Космонавтики, покорение космоса, первая Программа ДЗЗ в 1962 г.;
– Андрей Николаевич Тихонов (30.10.1906-08.10.1993) – основоположник научной школы по обратным и некорректным задачам (ОНЗ);
– Евграф Сергеевич Кузнецов [?] – основатель отечественной научной школы по теории переноса излучения, нейтронов и заряженных частиц и исследованию радиационного поля Земли (наш советский Чандрасекар [?]), в 1952 г. создал в ФЭИ математический отдел, а в 1955 г. создал уникальный отдел "Кинетические уравнения" в Институте Келдыша, в котором с 1961 по 2008 гг. работала Т.А.Сушкевич (с 2008 г. в отделе "Динамические системы").

Исследование выполняется при частичной финансовой поддержке РФФИ (проекты № 17-01-00220, № 18-01-00609).

Литература

1. Future Earth. Global Research Projects. http://futureearth.org
2. Постановление Президиума РАН \No~103 от 29.05.2018 О создании Комитета РАН по международной программе "Будущее Земли". http://www.ras.ru/presidium/documents/
3. Прикладная небесная механика и управление движением. Сборник статей, посвященный 90-летию со дня рождения Д.Е. Охоцимского / Составители: Т.М. Энеев, М.Ю. Овчинников, А.Р. Голиков. // Труды ИПМ им. М.В. Келдыша РАН. М.: ИПМ им. М.В. Келдыша, 2010. 368 с.
http://keldysh.ru/memory/okhotsimsky/index.htm
4. Сушкевич Т.А., Стрелков С.А., Максакова С.В. 60 лет от первого совещания по ИСЗ до современных систем дистанционного зондирования и мониторинга Земли из космоса: информационно-математический аспект (история и перспективы) // Оптика атмосферы и океана. 2014. Т. 27, № 7. С. 573-580. https://elibrary.ru/item.asp?id=21946245
5. Мемориальный Кабинет-музей академика М.В.Келдыша при Президиуме РАН http://keldysh.ru/MVKeldysh/; https://keldysh.ru/memory/keldysh/index.htm
6. Сушкевич Т.А. Главный Теоретик М.В. Келдыш и Главный Конструктор космонавтики С.П. Королев покорители космоса // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8, № 1. С. 9-25. http://jr.rse.cosmos.ru/article.aspx?id=819
7. Сушкевич Т.А. М.В. Келдыш организатор международного сотрудничества в космосе и первой советско-американской Программы «Союз-Аполлон» (ЭПАС) // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8, № 4. С. 9-22.
8. Соболев С.Л., Китов А.И., Ляпунов А.А. Основные черты кибернетики // Вопросы философии. 1955. № 4. С. 136-148.
http://www.kitov-anatoly.ru/naucnye-trudy/izbrannye-naucnye-trudy-anatolia-ivanovica-v-pdf/pervaa-pozitivnaa-stata-o-kibernetike
9. Келдыш М.В., Ляпунов А.А., Шура-Бура М.Р. Математические вопросы теории счетных машин // Вестник АН СССР. 1956. № 11. С. 16-37.
10. Келдыш М.В., Ляпунов А.А., Шура-Бура М.Р. Математические вопросы теории счетных машин // В кн.: Сессия АН СССР по научным проблемам автоматизации производства, 15-20 октября 1956 г. М.: Изд-во АН СССР, 1957. С. 100-130.
11. Келдыш М.В., Ляпунов А.А., Шура-Бура М.Р. Математические вопросы теории счетных машин // В кн.: Келдыш М.В. Избранные труды. Математика. Под. ред. К.И. Бабенко. А.В. Забродина, Н.Н. Ченцова. М.: Наука, 1985. С. 421-442.
12. Келдыш М.В., Ляпунов А.А., Шура-Бура М.Р. Математические вопросы теории счетных машин // В кн.: Ляпунов А. А. Проблемы теоретической и прикладной кибернетики. М.: Наука, 1980. С. 34-54.
13. Колмогоров А.Н. Очерки истории информатики в России / Редакторы-составители Д.А.Поспелов и Я.И.Фет. Новосибирск: Научно-издательский центр ИГГМ СО РАН, 1998. 664 с.
http://www.kolmogorov.pms.ru/pospelov-stanovlenie_informatiki.html
14. Рудаков К.В. Математические основы технологий обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта //
Общее собрание Отделения математических наук РАН, 12 ноября 2018 г. Москва, Математический институт им. В.А. Стеклова РАН.
http://www.mathnet.ru/php/presentation.phtml?option_lang=rus&presentid=22121
15. Рудаков К.В. Новые методы интеллектуального анализа данных // Лекторий РАН. 13 апреля 2016 года. Центральный дом ученых РАН, Москва.
https://www.youtube.com/watch?v=fA0jiG2znx8
16. Рудаков К.В. Обучаться на прецедентах // Стимул – журнал об инновациях в России. 2019.
https://stimul.online/articles/science-and-technology/obuchatsya-na-pretsedentakh/
17. Симонов Н.С. Три волны ИИ // Стимул – журнал об инновациях в России. 2019. https://stimul.online/articles/science-and-technology/tri-volny-ii/
18. Кузнецов Е.С. Избранные научные труды (в связи со 100-летием со дня рождения) / Отв. редактор и составитель Т.А. Сушкевич. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. 784 с. (при поддержке РФФИ)
19. Чандрасекар С. Перенос лучистой энергии / Пер. с англ. издания Oxford, 1950, под ред. Е.С. Кузнецова. М.: Изд-во иностранной литературы, 1953. 432 с.
20. Сушкевич Т.А. Нобелевский лауреат С. Чандрасекар: к 65-летию первой монографии по переносу лучистой энергии (Посвящается 65-летию ИПМ имени М.В. Келдыша и памяти профессора Е.С. Кузнецова, основателя отечественной научной школы и создателя отдела «Кинетические уравнения») // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2018. № 228. 32 с.
21. Сушкевич Т.А. Математические модели переноса излучения. Москва: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. 661 с.
22. Моисеев Н.Н. Как далеко до завтрашнего дня. Свободные размышления. 1917-1993. М.: «Аспект пресс», 1994. 304 с. (Глава X. Эпопея ядерной зимы… Карл Саган и первые сценарии ядерной войны) Электронная книга http://www.ccas.ru/manbios/kak_daleko_r.html
23. Кароль И.Л., Катцов В.М., Киселев А.А., Кобышева Н.В. О климате по существу и всерьез. Санкт-Петербург: Главная геофизическая обсерватория им. А.И.Воейкова, 2008. 55 с.
24. Сушкевич Т.А., Стрелков С.А., Максакова С.В. Земля, космос и суперкомпьютинг: сопряженные радиационные задачи (Посвящается 65-летию ИПМ имени М.В.Келдыша и памяти математика-легенды М.В.Келдыша) // Препринты ИПМ им. М.В. Келдыша. 2018. № 167. 20 с. http://keldysh.ru/papers/2018/prep2018_167.pdf
25. Масленников М.В., Сушкевич Т.А. Асимптотические свойства решения характеристического уравнения теории переноса излучения в сильно поглощающих средах // ЖВМ и МФ. 1964. Т.4. №1. С.23-34.

Ключевые слова: Всемирная Глобальная Научная Программа «Будущее Земли», космос, радиационные поля, природные среды, экология, климат, мониторинг, ДЗЗ, гиперспектральный подход, нанодиагностика, компьютинг