Знание-сила, 2006 № 04 (946)

Географическое зеркало

Оторвавшись от телеэкрана с передачей о последней катастрофе (землетрясении, наводнении, цунами или чернобыле), люди с укоризной косятся на ученых: "Почему не предупредили?" Пророчествовать — не дело исследователей. С них достаточно того, что они более или менее точно могут сказать, если здесь сделать это, то потом будет то-то. Например, если на высокой пойме сибирской реки построить дома, то наверное лет через 50 или раньше они будут снесены паводком (конечно, катастрофическим — как в городе Абакане в 1969 году). Если строить нефтепровод в местности, где бывают землетрясения (например, в бассейне Байкала), то стоит прикинуть, куда потечет нефть в случае его разрыва, и что от этого будет.

Спросят ли ученые прислушаются ли к их голосу — другое дело.

Да и заявлять "потом": — А я что говорил?! — занятие сомнительное. Можно и по шапке заработать: почему говорил, а не кричал?

Люди строят каналы и нефтепроводы там, где это им нужно.

Города, ГЭС и АЭС возводят там, где выгодно. Бомбят там, где делать этого не следует. (А где следует?)

Люди живут не "по науке" — может, и к лучшему.

Хотелось бы, правда, чтобы они жили "по уму" и прикидывали, что будет в результате их деятельности с тем пространством, где они вознамерились что-то создавать.

Со знанием о пространстве у людей не слишком хорошо. У географов — тоже. Сведений о пространстве все больше и больше: создавали, к примеру, почвенные карты, климатические, геологические, появились сначала аэрофотоснимки, потом космические. У картографов есть столько замечательных способов представлять сущее на земле! И к тому же представлять "количественно", в виде линий равных величин, именуемых изо... (Рельеф рисуют "горизонталями", но на самом деле они — тоже изо-, изогипсы, линии равных высот). Изолиниями изображают плотность населения, количество осадков, среднегодовые температуры и многое другое — лишь бы поместилось.

Не помещается. Составляются специализированные карты, а карту географическую "разгружают", отказываясь от представления того, что сочтено несущественным. Что существенно, определяют заказчики: чиновники, военные, дорожные строители и политики.

Само пространство довольно быстро меняется, как под воздействием человеческой деятельности, так и "самостоятельно". Площадь Каспийского моря то увеличивается, то сокращается. Аральское море исчезло и гора Магнитная тоже.

Географическая карта уже не в силах представить все сведения о земной поверхности. Но они нужны!

Обобщить, например, состояние пяти сфер географической оболочки: атмосфера, гидросфера, литосфера (верхние слои), биосфера и антропосфера. В прежние времена сама природа умудрялась кое-что обобщать. Например, так называемые природные зоны представляли собой определенное обобщение данных о климате, высоте над уровнем моря и животном мире; обо всем этом можно было судить по характеру растительности. Сейчас природные зоны исчезают, степь и лиственные леса практически уже исчезли..

В середине 80-х годов один геолог, чтобы составить прогноз силы (магнитуды) и места (но не времени) землетрясений, вознамерился обобщить все, какие есть, количественные данные о состоянии земной коры. Характеристик оказалось всего 5-6: карты мощности земной коры, ее верхней границы (рельефа), плотности теплового потока (самым плотным он был около действующих вулканов), мощности осадочных пород, аномалий силы тяжести и некоторые другие. Все эти карты составлены в изолиниях, линиях равных величин того или иного свойства земной коры. Ни одной из характеристик не было придано особого значения, особой роли. Все признаки были сочтены равными. К тому же они не были взаимозависимы.

Как сопоставить метры высоты над уровнем моря с киловаттами теплового потока и даже с метрами мощности осадочных пород? Можно, оказывается, найти "общий знаменатель". Это проценты от наблюдаемых максимальных величин.

Девятый шаг кластеризации (около 80 типов)

Но даже в этом случае свести воедино шесть карт в изолиниях, как-то их совместить и провести на этом основании районирование, классификацию земной коры совсем не просто.

Во-первых, каждый участок — уникальный. Двух одинаковых не оказалось. Что ни говори, разнообразия земной коры все собранные сведения не затушевывали.

Если бы характеристик было только две, можно было бы построить простой график с двумя осями. На него наносить точки, соответствующие участкам. Некоторые из них были бы дальше друг от друга, другие — ближе. На графике они образовывали бы некие "поля". Такие поля можно назвать классами, типами коры и присвоить им соответствующие номера.

Труднее построить график с тремя осями и получать уже не "поля", а "облачка" точек в трехмерном пространстве. Труднее, но представить себе можно. Четырех-, пяти-, а то и шестимерное пространство и вообразить-то нельзя, не то, что точки в нем расставлять. По счастью, у помянутого исследователя оказался родственник, тоже геолог, но к тому же хорошо разбиравшийся в информатике и программировании.

Компьютер с этой задачей справляется. Как — не знаю, но справляется. На его компьютерном языке это называется кластерный метод. Он не первый год используется и в медицине, и в биологии, и в других областях.

Кластерами называют облачка точек в многомерном пространстве. Если речь идет о классификации поверхности, то каждый кластер - это какой- то тип поверхности, объединяющий ее участки с близкими значениями всех характеристик.

И для компьютера этот путь не прост, приходится идти шагами. На первом — он объединяет только те точки, которые уж совсем близко друг от друга. Число кластеров (типов, групп) оказывается близким общему числу рассмотренных участков. На втором шаге он объединяет уже те точки, что подальше. На третьем — еще дальше. Какие-то могут располагаться так далеко от соседей, что долго будут уникальными и образовывать самостоятельный кластер. У нашего исследователя на пятом-шестом шаге число кластеров (типов коры) сократилось до первых десятков.

Ну и что можно было бы с этим сделать?

Полученные на втором шаге полтысячи типов земной коры нанесли на карту и сопоставили ее с картой эпицентров известных землетрясений.

Одиннадцатый шаг кластеризации (6 типов). Исчезла граница Балтийского щита, но зато четче обозначились границы Украинского. Контуры Прикаспийской впадины сохранились в почти неизменном виде

Обычно логика сейсмологов такова: там, где произошло землетрясение определенной силы, оно может повториться. На этом принципе строились карты сейсмических районов. (Увы, землетрясения случаются не только там, где они уже однажды были зарегистрированы. Более того, сильное землетрясение, случившееся 200-300, а то и более лет назад на необжитой местности, могло не оставить следов в памяти людской).

Эта логика была дополнена следующим соображением. Если в каком- то участке с типом коры № такой-то зарегистрировано землетрясение с магнитудой 6, то и другие участки с этим типом коры способны породить землетрясение той же силы. Даже если до сих пор там было все спокойно.

(С такой логикой можно пойти и дальше. Если участков с типом коры № 48, где зарегистрировано землетрясение определенной магнитуды, не один, а три или четыре, то вероятность такого же землетрясения в других участках с типом коры Ns 48 возрастет. А если их пять... Их так и стали называть — учителями).

И оказалось, что поставленную задачу такой метод решает хорошо. Хотя и изобретен он недавно, но магнитуда двух случившихся за последнее время землетрясений с его помощью была предсказана правильно — в отличие от предыдущих прогнозов. Это землетрясение Рача на южном склоне Большого Кавказа (1991 год) и Алтайское землетрясение 2003 года. В последнем случае прогноз к тому же не был омрачен частой в подобных случаях неприятностью — числом пострадавших при подтверждения его справедливости. Жертв в результате Алтайского землетрясения не было.

Очень хорошо, ну а дальше?

Дальше установили, что и для опенки нефтегазоносносности такой метод тоже годится. Может быть — не для поисков конкретных месторождений, но уж для того, чтобы обозначить перспективные районы — точно.

Потом выяснилось, что с помощью такого районирования (или классификации, или типизации, как хотите) можно не только устанавливать существующий уровень сейсмической опасности, но предвидеть дальнейшую эволюцию земной коры в том или ином месте. В ее развитии были выявлены "режимы" определенной направленности. Даже новых данных для этого собирать не пришлось. Появилась возможность заглянуть в будущее, правда, не историческое, а геологическое, но все равно здорово.

От шага к шагу кластеризации карты меняются, становятся все более обобщенными. Зато сопоставляя карты "разных шагов", можно установить иерархию границ, выявить более и менее существенные.

У такого метода есть одно неудобство: он не учитывает господствующих теорий. Другое неудобство — заложив собранные сведения в компьютер (и договорившись, что все они важны), нужно заранее согласиться с полученным результатом, то есть с картой районирования, составленной машиной. И подправить эту карту нельзя. Зачастую результат вызывал у геологов недоумение. Обнаружив какую-нибудь известную и представленную на других картах структуру, они радовались и готовы были согласиться с методом. А вот исчезновение знакомой структуры, либо появление неведомой провоцировало прямо-таки негодование.

Геологов можно понять. На рисунке № 1 при переходе от 9 к 11 шагу районирования на Русской платформе полностью сохранились контуры Украинского щита, но исчезла юго- восточная граница щита Балтийского. От Волгограда к Москве протянулась вовсе непонятная полоса северо-западной ориентировки. Да кто из геологов легко это примет?! Но они-то при выделении щитов основывались только на одном признаке, на положении кристаллического фундамента, и ни на чем другом. А тут методика иная. Да она и не отменяет существующих геологических карт.

Вообще-то если бы новый метод устанавливал только и так известное, то не стоило и стараться. А вот если он фиксирует что-то новое...

Можете быть уверены — такой подход применим к районированию не только земной коры, но и земной поверхности. О ней, поверхности, есть гораздо больше надежных данных, выраженных количественно, чем о земной коре — компьютеру есть что обобщать в кластеры.

Впервые появляется возможность совмещать сведения по социальной географии со сведениями по физической. Плотность населения с густотой речной сети и высотой растительности, и еще со средне-январскими температурами. Это заветная мечта многих географов, пока что несбывшаяся (что, собственно, и привело в свое время к разделению географии на физическую и экономическую).

Заметим, что кластерное районирование не отменит других карт. Оно лишь позволит сочетать те из них, которые используют количественные данные. (Кажется, в некоторых случаях это называется "комплексным подходом к решению географических задач").

Отдельный вопрос — о характере и роли географических границ, которые такой комплексный подход выявит. И об их соотношении с существующими административными границами.

Они проводились со времен Екатерины II по усмотрению власть предержащих. Иногда границы соответствовали географической реальности, иногда — нет. И те, и другие со временем начинали воздействовать на реальность. Иногда сдерживали хозяйственное развитие — например, когда строительство необходимых для этого дорог между соседними районами наталкивалось на административные трудности. Из промышленной Кемеровской области в соседний зерновой Алтайский край можно на машине проехать только в сухую погоду, и зерно туда везут издалека. Порой сами границы превращались в обезлюдившие зоны, эдакие экологические заповедники. В последнее время этой теме было посвящено несколько научных конференций. Названия докладов звучали устрашающе: "Рос-сия — административно-территориальный монстр", "Преодоление советского пространства". И с выводами ученых нельзя не согласиться. Другой вопрос — а делать-то что?

Первым делом — представить себе это пространство с его собственными подразделениями и границами. Оно достаточно изучено, о нем собрано достаточно сведений — и "физико-географами", и "экономико-географами", и демографами, и медиками, и статистиками. Обобщать их можно с помощью гипотез и парадигм — или с помощью кластерного метода.

Первые же попытки его применения показывают, что традиционное разделение территории Российской федерации на Европейскую часть и "Зауралье" в настоящее время — фикция, хотя прежде какой-то смысл в этом был. Долгое время власти всеми силами — когда лаской, когда таской - стремились "подтянуть" Зауралье, Сибирь к "Европе", "европеизировать" ее. Строились города и дороги, промышленные центры и гидроэлектростанции, в Сибирь переселялись люди, порой целые народы.

Э. Булатов. Небо-море. 1984 г.

Районирование по ряду признаков в конце XX века предъявило результат этих усилий. Не Европа проникла в Сибирь, а Сибирь, перевалив через Полярный Урал, подравняла по себе Русский Север, бассейн Печоры, потом Северной Двины, потом и Кольский полуостров. Подравняла по большинству географических характеристик. Если в климате у них и прежде было много сходного, то теперь добавились экономические и демографические показатели.

Главная географическая граница проходит сегодня по линии Петрозаводск - Омск. При ее пересечении на порядок меняется плотность населения, соотношение городского и сельского населения, доля машиностроения в производстве, расстояние между населенными пунктами. У Котласа и Воркуты теперь больше сходства с Зырянкой и Норильском, нежели с Новгородом и Костромой. Архангельская область более походит на отдаленную Магаданскую, нежели на соседнюю Вологодскую. Мурманская область стала даже более "сибирской", чем Долгано-Ненецкий АО, обогнав его по редкости сельского населения и средоточию остального в трех-четырех "крупных населенных пунктах".

Сегодня столб на условной линии, делящий пополам Свердловскую, Челябинскую и Оренбургскую области на "Европу" и "Азию" — разве что забава для туристов.

Границы, выявляемые при кластерном районировании, их порядки и соподчиненность не обязательно будут взывать к пересмотру существующих административных делений. Они лишь покажут, как эти границы соотносятся с географической — в широком смысле — реальностью. А что с этим соотношением делать — это уже решать не компьютеру, а самим людям.

Практическое, прикладное использование кластерного районирования представляется безграничным. К примеру, карта стоимости строительства километра дороги учтет расчлененность оврагами, плотность грунта, количество осадков, плотность населения, крутизну склонов и еще расстояние до карьеров щебня для балласта. Если покажется, что важна и высота снежного покрова, можно включить и ее. Чем не комплексный подход? И зафиксирует он реальность, а не парадигму.

Да и в прогнозе того, что именуется катастрофами, природными или техногенными, кластерный метод может пригодиться.

Его использование в любой области географии открывает очень широкие возможности. И в геоморфологии, и в климатологии, может быть, самой "математизированной" отрасли географии. Но все же главным представляется не прикладное, а познавательное использование кластерного районирования. Обобщение сведений физической и социальной географии. Как и в геологии, с его помощью можно будет выявить и тенденцию развития тех или иных территорий. Сделать географию "прогностической" наукой.

В социальной географии существуют характеристики, быстро влияющие на дальнейшую судьбу той или иной территории. Это такие демографические и экономические показатели, как прирост или убыль населения, рост или спад производимых товаров и услуг. В сочетании с природными характеристиками они могут выявить перспективу развития того или иного района, области, региона, страны. Тогда люди смогут гораздо обоснованней относиться к изменениям. Поддерживать или тормозить их, предвидеть грядущие трудности, парировать возникающие опасности. Будем надеяться, что они этого хотят.

Суть кластерного метода — в математически обоснованном совмещении нескольких карт в изолиниях, при котором ни одной из карт (характеристик, параметров) заранее не придается большего значения, нежели другим. Вот и все. Школьная простота логики может даже вызвать настороженность.

Использование космических снимков — особое дело. К примеру, ночной фотоснимок нашей планеты обобщает плотность населения и его, так скажем, энерговооруженность. Достаточно привязать снимок к координатной сетке и провести изолинии освещенности. Тогда и их можно включить в обобщение. Правда, нужно еще уметь отличать свет лесных пожаров от фонарей и рекламных щитов в городах. Но это уже, как говорится, дело техники.

Но можно высказать по поводу судьбы кластерного метода и отношения к нему более скептическое предположение. География, да и управленческая деятельность, проектные и строительные организации (потенциальные "заказчики", пользователи географических сведений) сильно политизированы. Это естественно. Традиции общественной, в том числе и хозяйственной деятельности не только материализуются в изменениях пространства. Они воздействуют в первую очередь на человеческое сознание. Одна традиция возвращает Санкт-Петербургу прежнее наименование, другая сохраняет Ленинградскую область. Понятно, что людское сообщество с недоверием относится к объективным методам, дающим непредсказуемый и "неисправимый" результат. Они — как хорошее зеркало, и заглядывать в него, по разным соображениям, может быть и не слишком хочется.

Но рано или поздно придется. Хотя бы для того, чтобы сознание не полностью разошлось с бытием. Лучше рано — это называется научным прогнозом. Если поздно — это назовут подсчетом потерь.

Константин Богданов