В 2015 году мировая научная общественность отмечает дни памяти крупнейших ученых, которые стояли у истоков создания великого научного наследия теории переноса излучения в природных средах и её приложений в космических проектах, астрофизике, климатологии, метеорологии, дистанционном зондировании Земли, глобальном мониторинге опасных объектов и последствий природных и техногенных катастроф и т.д. Речь идет об отечественных достижениях мирового уровня и современном развивающемся в России научном потенциале, который в должной мере обеспечивает методические основы теоретико-расчетных исследований радиационных процессов и радиационных полей в регионе Арктики с использованием суперкомпьютеров и распределенных вычислительных инфраструктур с сетевым компьютингом.
света и частиц), Людвиг Больцман (основатель молекулярно-кинетической теории, кинетическое уравнение переноса излучения и частиц), Нобелевский лауреат Субрахманьян Чандрасекар (перенос лучистой энергии), Нобелевский лауреат Чарльз Као (передача света и информации через волоконно-оптический кабель), Нобелевские лауреаты Арно Пензиас и Роберт Вильсон (открытие реликтового космического электромагнитного микроволнового излучения) и др.
Восприятие света в различных культурах эволюционировало сквозь века. Можно
вспомнить вклад арабского ученого XI века Ибн аль-Хайсама в искусство эпохи Возрождения,
который в 1015 г. основал теорию влияния естественного света и цветных лучей на зрение.
Альтернативная энергия, медицина, сельское хозяйство, искусство, кинематограф, исследование
космоса, астрофизика, нанодиагностика, нанотехнологии, фотоника, лазеры... Области применения
световых технологий можно перечислять долго. Гигантский научно-технический прогресс и
беспрецендентный рост влияния человека на природу в XX веке ещё в 70-е - 90-е годы привели
ученых всего мира, занимающихся анализом нарастающих антропогенных и
естественноприродных воздействий на окружающую среду, к выводу: всемирная система мониторинга и
иерархия моделей - главные инструменты изучения и предсказуемости изменений природных
процессов и разделения естественных и антропогенных воздействий на сложнейшую
динамическую систему, какой является планета Земля. В теоретических и прикладных исследованиях
внедрился термин «Глобальная система» : необходимы анализ и синтез знаний о развитии
планетарной цивилизации. Особую значимость приобретает проблема адекватной оценки роли и
веса моделируемых подсистем в долгосрочной эволюции всей «Глобальной системы», в том
числе связанных с радиационным полем Земли [
С 2004 года более 40 стран участвуют в международном проекте GEOSS – Глобальная Система Наблюдений Земли (ГСНЗ). В повестке дня современной цивилизации ведущее место занимает освоение и покорение региона Арктики. Этот фундаментальный международный проект по сложности и масштабности почти такого же масштаба, как проект освоения и покорения космоса, и для его реализации чрезвычайно важно использовать приобретенный опыт и в теории и в практике при создании комплексных систем ПРО и ПВО, включая системы оперативного наблюдения и глобального мониторинга, принятия решения и управления с использованием суперкомпьютеров, информационных технологий и технологий Интернет, ГРИД, «облачных», ГЛОНАСС и т.п. компьютинга. Немало аналогий : объект исследования труднодоступен, проект освоения комплексный и междисциплинарный, высокотехнологичный и фундаментальный, международный и цивилизационный, остро стоят несколько ключевых для планеты Земля вопросов, хотя история изучения Арктики насчитывает сотни лет. Почему изменяются океанические течения? Почему тает лед? Какова угроза «всемирного» потопа и «ледникового периода»? Как могут измениться климат и биосфера за полярным кругом под влиянием естественноприродного и антропогенно-техногенного воздействия? Какие угрозы связаны с увеличением добычи углеводородов на шельфе океана и последствиями расширения сферы нефте-газовой отрасли? Как обеспечить круглогодичный Северный морской путь для судов? Ответы на вопросы можно получить, только если всем миром вплотную заняться «Программой Арктика». 2. Постановка задачи
В связи с ростом риска естественно-природных и техногенных аварий, проведения военных операций и возможных крупномасштабных террористических актов экологическая и технологическая безопасность переходят в разряд стратегических и важнейших социальноэкономических факторов, а математические модели становятся эффективным инструментом повышения качества и оперативности экологического прогнозирования и выявления, в упреждающем режиме, предпосылок экологических катастроф на основе компьютерного моделирования «сценариев» и дают значительный социально-экономический эффект за счет предупреждения и своевременного принятия мер по снижению их отрицательных последствий.
В течение тысячелетий человечество изучает звезды и планеты солнечной системы путем
визуальных, а позднее фотографических и фотоэлектрических наблюдений. Только планета
Земля до середины 20-го века оставалась недоступной. Лишь по отраженному свету от
поверхности Луны (пепельный свет) представлялось возможным оценить интегральное излучение
Земли. Широкие возможности исследований радиационных характеристик Земли появились в
результате создания ракетной и космической техники [
Солнечное излучение - 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. В.И. Вернадский : «Солнцем в корне переработан
и изменен лик Земли... уже ясно огромное значение в биосфере коротких ультрафиолетовых
волн солнечной радиации, длинных красных тепловых и промежуточных лучей видимого
светового спектра. В строении биосферы... можем выделить ее части, играющие роль
трансформаторов для этих трех различных систем солнечных колебаний» [
Информационно-математическое обеспечение обязательная составная часть любого космического проекта. При подготовке аналитических обзоров изданы препринты [8-10], в которых собраны наиболее значимые публикации и пионерские издания, содержащие результаты и достижения в области ДЗЗ (более 800 ссылок до 1999 г.). Сейчас это воспринимается как история науки и научный потенциал. Освоение космического пространства послужило фактором формирования новых научных направлений, связанных с вычислительной математикой, математическим моделированием радиационного поля Земли, теорией переноса изображения, теорией видения, теорией обработки и распознавания образов, нанодиагностики и т.д.
В зависимости от длины волны, или частоты колебаний, и особенностей взаимодействия с веществом весть спектр электромагнитных волн делится на следующие основные диапазоны: радиоволны, микроволновое излучение, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение и жесткое гамма-излучение. Электромагнитное излучение способно распространяться практически во всех средах и в соответствии с приложениями может описываться разными физико-математическими моделями – это могут быть уравнения Максвелла, уравнение Гельмгольца, уравнение Ландау, уравнение Власова, уравнение Лиувилля, уравнение Шрёдингера, уравнение Фоккера-Планка, уравнение ЧепменаКолмогорова-Смолуховского, уравнение диффузии или квазидиффузии, уравнения Боголюбова, кинетические уравнения Больцмана, интегральное уравнение переноса и их приближения. В 1955 году в Институте Келдыша профессор Е.С. Кузнецов [3] создал единственный в мире отдел «Кинетические уравнения», в котором проводились исследования всех типов уравнений и классов моделей кинетической теории в разных приложениях, в том числе в атомных, реакторных и термоядерных проектах, высоко- и низкотемпературной плазме, атмосферной оптике, оптике океана, космических проектах, астрофизике и т.д. В настоящее время в России сохранились две научные школы, сформированные при выполнении стратегических атомных и космических проектов по созданию «ракетно-ядерного щита», освоения космоса и разработки ПРО: в ВЦ СО РАН (н. ИВМиМГ) Г.И. Марчук и Г.А. Михайлов [6] основали школу по методам статистического моделирования и Монте-Карло, а в ИПМ им. М.В.Келдыша РАН специализируются по детерминированным аналитическим и численным методам решения задач теории переноса, в том числе с параллельными алгоритмами на многопроцессорных вычислительных системах и суперкомпьютерах. Эти коллективы занимают лидирующие позиции в мировой науке, а подходы, методы и алгоритмы взаимно дополняют и вместе создают всеобъемлющий научный потенциал, достаточный для решения стоящих задач.
Сложность задачи заключается в непрерывной динамической изменчивости и стохастичности модели среды, большом разнообразии процессов трансформации энергии Солнца, вариантов визирования и способов измерений. Имеем дело с краевыми задачами для интегродифференциального или интегрального кинетического уравнения, описывающего перенос излучения в рассеивающих, поглощающих, излучающих, преломляющих, поляризующих средах с 1D, 2D или 3D плоской или сферической геометрией. Учитывая масштабность, многопараметричность, многовариантность земных условий, а также размерность фазового объема задач (от 2 до 7 переменных) несомненно требуется широкое использование информационных технологий и суперкомпьютеров, освоение которых начали в 1989 году. 3. Параллельные алгоритмы
Для космических проектов и космических наблюдений с первых шагов освоения космического пространства необходимо было разрабатывать инструментарий решения двух основных классов многомерных задач теории переноса излучения, актуальность которых возросла [7]: - для 2D и 3D сферической оболочки (сферическая Земля с атмосферой, сушей, океаном), - для 3D плоского слоя (система «атмосфера - земная поверхность, океан»), с двумя типами источников: - внешний параллельный поток солнечного (коротковолнового) излучения, - собственное (длинноволновое, инфракрасное, миллиметровое) излучение планеты. Используются и апробированы следующие алгоритмы распараллеливания вычислений: 1) распределенные вычисления по физическим моделям (для ГРИД- и «облачных» систем): - многоспектральные (по спектру длин волн, до двух миллионов полос поглощения); - по оптико-геофизической погоде (по коэффициентам общей краевой задачи); - по источникам излучения; 2) распределенные вычисления на основе методического распараллеливания - декомпозиции краевых задач: - по моделям переноса излучения, т.е. по приближениям теории переноса излучения; - по подобластям гетерогенной среды; - по параметрам вектора функций влияния; - по параметрам вектора пространственно-частотных характеристик; - по компонентам векторных функционалов; 3) алгоритмическое распараллеливание для многомерных моделей: - однократное рассеяние по характеристикам; - многократное рассеяние по интегралам столкновений; - по квадрантам угловых разностных сеток; - по подобластям с разными сеточно-характеристическими схемами. 4. Информационно-математическая система
Создаваемая информационно-математическая система содержит три группы программных комплексов, соответствующих трем этапам решения задачи.
Первая группа программ - формирование оптико-метеорологических моделей среды: программы работы с архивом и базами данных моделей атмосферы, облаков, дымов, земной поверхности, океана; банк спектров поглощения атмосферных газов; банк характеристик аэрозольного рассеяния и поглощения; формирование модели атмосферы; пакеты данных к программам расчета радиационных характеристик и т.д.
Вторая группа программ – библиотека программ численного решения уравнения переноса излучения быстрыми приближенными и репрезентативными высокоточными методами.
Третья группа программ - обработка и диагностика результатов расчетов: расчет функционалов; аналитическая аппроксимация и параметризация табличных функций; компьютерная графика и визуализация; решение обратных задач по восстановлению параметров среды и т.д. Реализация функции управления и сетевого взаимодействия комплексом программ производится с помощью оболочек (wrapper"s), написанных на языке описания сценариев Perl. Комплекс математических моделей, методов и программного обеспечения представляет собой открытую развиваемую систему математического моделирования.
Разработана универсальная вычислительная среда, включающая пакеты программ NACREM (New Automatic Code Radiation Earth – M-layers) для численного решения общих краевых задач теории переноса излучения в плоских гетерогенных системах и расчета радиационных характеристик (угловых, пространственных и спектральных распределений энергетической яркости и функций влияния, сферические и полусферические плотности и потоки излучения, коэффициенты диффузии и анизотропии полей излучения и т.п. функционалы) с учетом аэрозольномолекулярного рассеяния и поглощения, сильной анизотропии рассеяния, а также средства автоматизации, написанные на языке описания сценариев Perl, для организации распараллеливания расчетов, архивации и тематической обработки результатов расчетов для широкой области приложений. Этот комплекс адаптирован к использованию на высокопроизводительных ПК и многопроцессорных вычислительных системах, в том числе на суперкомпьютерах в МСЦ. Комплекс математических моделей и методов представляет собой открытую развиваемую систему математического моделирования. Аналогов не существует. 5. Заключение
Космические средства создают уникальные условия для диагностики и мониторинга земных объектов и явлений в глобальном масштабе, а тем более в условиях Арктики. При дистанционном зондировании Земли из космоса фактически решаются обратные задачи, когда физические, химические, биологические, геометрические характеристики объектов наблюдения определяются с использованием функциональной зависимости между ними и измеряемыми параметрами. Для установления таких зависимостей необходимы полигонные испытания и решения прямых задач математического моделирования, в которых устанавливается чувствительность радиационных полей к параметрам и свойствам среды и объектов.
Это долгосрочная стратегия в области международной космической деятельности и «computer science». Основная фундаментальная проблема связана с развитием нового направления в науке, разработкой методов и средств для экспертизы, прогнозирования и критериев оценки опасности процессов, обусловленных глобальными изменениями климата, биосферы, экологии и последствиями катастрофических явлений, замена натурных испытаний вычислительным экспериментом и имитационным моделированием. В перспективе экологическая и технологическая безопасность не только в масштабах России, но и всей планеты переходит в разряд стратегических и важнейших социально-экономических факторов, а математические модели становятся эффективным инструментом исследований и решения научных и практических задач.
В перспективе целесообразно разработать тематическую информационно-математическую систему с библиотекой компьютерных кодов и компьютинга для моделирования электромагнитных задач и распространения света на основе разных физико-математических моделей в разных приближениях в разных средах для разных приложений. В настоящей работе ограничиваемся проблемами моделирования неравновесных радиационных процессов в природных средах Земли, находящихся в динамическом состоянии, в рамках классической кинетической теории Больцмана на основе интегро-дифференциального уравнения, которое может быть получено из классической системы уравнений Максвелла путем статистического усреднения с учетом только парных столкновений или взаимодействий.
Статья посвящается 90-летию основания Академии наук СССР (1925 г.) и памяти последнего Президента АН СССР академика Гурия Ивановича Марчука в связи с 90-летием со дня его рождения (08.06.1925 - 24.03.2013), академика Виктора Викторовича Соболева в связи со 100летием со дня его рождения (02.09.1915 - 07.01.1999), академика Василия Сергеевича Владимирова (09.01.1923 - 03.11.2012) и моего учителя профессора Евграфа Сергеевича Кузнецова (13.03.1901 – 17.02.1966), с которыми я встретилась, когда мне было всего 20 лет, и которые оказали колоссальное влияние на формирование моего пути в науке и работе. Литература 5. Соболев В.В. Перенос лучистой энергии в атмосферах звезд и планет. М.: Изд-во ГИТТЛ, 1956. 391 с. 7. Сушкевич Т.А. Математические модели переноса излучения. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. 661 с. 20. Сушкевич Т.А. Проблемы и перспективы дистанционного зондирования. Посвящается 50летию начала космической эры // Будущее прикладной математики: Лекции для молодых исследователей. Поиски и открытия. М.: Книжный дом “ЛИБРОКОМ”, 2009. С. 31-58. Information and mathematical software for the aerospace systems of remote sensing and the radiation forcing on the Earth's climate to predict the consequences of development of the Arctic region and computing Tamara Sushkevich, Sergey Strelkov and Svetlana Maksakova In 2015 the world scientific community celebrates the day of memory of the greatest scientists who stood at the origins creation of the great scientific inheritage of the theory of radiation transfer in a natural and artificial environments and its application in space projects, as well as in astrophysics, climatology, meteorology, remote sensing, global monitoring of dangerous objects and consequences of natural and anthropogenic disasters, etc. The report will talk about national achievements at the world level in the theory of radiation transfer in a natural environments and on developing in modern Russia's the modern scientific potential, which adequately provides the methodological basis for the theoretical and computational researches of the radiation processes and the radiation fields in the Arctic region with the use of supercomputers and distributed computing infrastructure with a network computing.