Парадоксы климата. Ледниковый период или обжигающий зной? - Игорь Кароль

Важные сведения о состоянии нижнего слоя тропосферы поставляют также наблюдения, организуемые на различных высотных сооружениях (мачтах, вышках, башнях). Впервые такие наблюдения были проведены в 1908 г. в Париже на Эйфелевой башне. В России одной из наиболее высоких (536 м) является Останкинская телебашня в Москве, на которой метеорологические измерения производятся на 8 уровнях высоты (от 15 до 503 м). Аналогичные наблюдения осуществляют в Обнинске (высота башни 310 м), в Хабаровске, Иркутске и Новосибирске. С помощью приборов, установленных на этих башнях, регистрируются температура, влажность воздуха, скорость и направление ветра.

В ряде стран получил распространение метод горизонтального зондирования атмосферы с помощью аэростатов (трансзондов), переносимых ветром на одной постоянной заданной высоте. Научная аппаратура аэростатов состоит из приборов, позволяющих измерять плотность, давление и температуру воздуха, напряженность электрического поля, содержание озона и других примесей. Важным достоинством трансзондов является возможность с их помощью изучать направление и скорость воздушных течений. В США и Франции разработаны специальные программы массовых запусков аэростатов совместно с искусственными спутниками Земли.

В дополнение к сети метеорологических и аэрологических станций, наблюдающих за атмосферой и тесно связанными с ней отдельными элементами поверхности суши и вод (осадки, температура и влажность почвы и т. д.), существуют другие науки о Земле, «ответственные» за мониторинг прочих составляющих климатической системы. В частности, изучением различных видов вод суши занимается гидрология. Существует сеть станций (постов), обеспечивающая гидрологические наблюдения за поверхностными (реки, каналы, озера, болота, водохранилища, оросительные системы) и подземными водами. Этой сетью руководит Государственный гидрологический институт в Санкт-Петербурге. В настоящее время гидрологический мониторинг в России ведется почти на 3000 постах. Примерно 2700 из них расположены на реках, а около 300 – на озерах и водохранилищах. Реперными (опорными) являются половина этих постов, почти неизменных в последние десятилетия. В крупных гидрологических обсерваториях имеются приборы для измерения скорости испарения воды.

Метеорологические и гляциологические (ледниковые) наблюдения ведутся на полярных станциях – стационарных и подвижных (экспедиционных). Большинство из них находится в ведении Арктического и Антарктического научно-исследовательского института (ААНИИ) в Санкт-Петербурге. ААНИИ ведет также исследования морей Северного Ледовитого океана с его островами и российской части побережья в Восточном полушарии. Широко известна работа станций на дрейфующих льдинах, ведущаяся в нашей стране с 1937 г. (знаменитый дрейф на станции «Северный полюс-1» четырех зимовщиков во главе с И. Д. Папаниным).

Упомянем и о наблюдениях в океане, проводимых с помощью кораблей, а также с использованием дрейфующих буевизмерителей для мониторинга состояния Мирового океана и долговременного прогноза погоды (международный проект ARGO, стартовавший в 2000 г.).

Для изучения климата обобщаются результаты всех видов метеорологических наблюдений. Первоначально вычисляются средние месячные и годовые значения метеорологических величин, и подсчитывается число случаев различных атмосферных явлений. Данные наблюдений за многолетний период подвергаются климатологической (статистической) обработке. Рассчитываются средние многолетние значения метеорологических величин, характеристики их изменчивости и динамики (средние квадратические отклонения, корреляционные и спектральные функции и др.), составляются одномерные и многомерные статистические распределения у земли, в почве и на различных высотах в атмосфере. Эту информацию помещают в климатические и агроклиматические справочники. Она используется для исследования климата, его изменений и проверки моделей климата. Систематические обобщения радиолокационных и спутниковых наблюдений, увы, отсутствуют, несмотря на наличие большого материала. Однако выполнен ряд научных работ по данным этих наблюдений, например построены карты облачности по миру, ледовых полей в Арктике, полей осадков и др.

Теперь о мониторинге факторов, формирующих климат. Наблюдения за такими факторами и их анализ приобретают сегодня особое значение, так как их состояние и изменения определяют характер и время наступления ожидаемых изменений климата атмосферы и у земной поверхности. Ранее мониторинг наиболее важных из этих факторов (содержания основных парниковых газов в атмосфере, температуры поверхности океана, радиационных свойств подстилающей поверхности) вообще не проводился. Наблюдения за солнечной радиацией и аэрозольной мутностью атмосферы велись на ограниченном числе станций, их результаты редко использовались в климатических исследованиях. Время от времени проводились экспедиционные обследования материковых и горных ледников, измерения же площадей снежного покрова и морских льдов в Арктике и Антарктике начались лишь недавно.

В последние десятилетия были созданы службы и системы измерений количественных характеристик основных климатоформирующих факторов, а также центры по сбору и анализу результатов. Международная сеть наземных станций по измерениям содержания парниковых газов ныне включает в себя станции разного «класса» – от больших обсерваторий до пунктов отбора проб приземного воздуха в специальные сосуды с последующим измерением содержания в них парниковых газов (производимым в централизованных лабораториях и обсерваториях). На таких станциях, расположенных на разных широтах, но в основном на островах в океане и на побережьях материков, измерения производятся 2–3 раза в неделю или даже ежедневно. Их результаты часто усредняются по месячным и сезонным периодам и направляются в банки данных, а также публикуются в специальных отчетах (например, отчетах CMDL–Climate Monitoring and Diagnostics Laboratory, США). На многих станциях измеряются также мутность атмосферы (количество аэрозолей), потоки радиации, общее содержание озона и других газов, влияющих на потоки радиации в атмосфере.

Измерения в сети наземных станций производятся с 1960– 70-х гг., и уже имеются 40–50-летние ряды данных. С начала 1970-х и в 1980-е гг. начаты измерения содержания озона в единичном столбе атмосферы (см. Словарь терминов) и концентраций ряда радиационно-активных примесей почти во всей глобальной атмосфере с помощью различных дистанционных приборов, установленных на специальных спутниках. Ряды этих данных короче, чем ряды, полученные наземными станциями, обычно хуже их точность, но зато таким образом обеспечивается почти глобальный охват всей поверхности Земли, прежде всего – океанов и полярных областей.

С помощью спутников измеряются также радиационные характеристики атмосферы и подстилающей поверхности Земли, в частности альбедо, потоки коротко– и длинноволновой радиации на разных уровнях атмосферы. Особое значение имеет спутниковая информация о состоянии и изменениях таких частей климатической системы, как поверхность морей и океанов, площади морского льда, материковые и горные ледники. Ныне с помощью спутников удается осуществлять мониторинг изменения площадей и, главное, высот поверхности ледников. Это позволяет определять, например, баланс массы льда Гренландии, районы ее роста в середине острова и таяния на его берегах, объем талой воды, поступающей в Мировой океан.

У читателя может возникнуть вопрос: если спутники – эдакие современные Фигаро – успевают и «здесь» и «там» собрать и передать на Землю обширную информацию о климате, причем объем этой информации лавинообразно нарастает, для чего зря растрачивать силы? Не целесообразно ли свернуть хлопотные и требующие немалых затрат программы измерений с метеозондов и самолетов, морских судов и телебашен? Да и наземные измерения сократить, оставив разве что реперные станции, раз уж так важны длинные однородные ряды наблюдений. Если спутники исправно поставляют всю необходимую информацию, то зачем дублировать ее из других источников? Поступить таким образом было бы крайне опрометчиво. Во-первых, спутники не могут обеспечить нас абсолютно всей информацией. Как уже отмечалось, далеко не все климатические характеристики поддаются непосредственному измерению. Для их мониторинга приходится прибегать к различным уловкам, основанным на знании физических законов. А это автоматически накладывает определенные ограничения на применимость таких уловок. Например, измерения концентрации диоксида азота NO2 (важного парникового и озоноактивного газа) производятся только при «низком» Солнце – на восходе или закате. По аналогичной причине невозможно измерить содержание озона в окрестности полюсов. Во-вторых, выход из строя спутника (а такое время от времени случается) привел бы к невосполнимой потере данных и прерыванию ряда наблюдений. Другие спутники не решают проблему замещения, поскольку, как вы помните, согласованность данных, полученных с разных спутников, далека от идеала. И, наконец, в-третьих, на спутниках существует «дрейф» приборов. Примитивный аналог такого «дрейфа» – ситуация, когда ваши часы отстают или убегают вперед. С каждым днем их показания будут все больше расходиться с истинным временем. Но если для исправления показаний часов достаточно немного передвинуть стрелки, «передвинуть стрелки» на спутниковом приборе возможно разве что в фантастических романах. С другой стороны, спутник – слишком дорогая «игрушка», чтобы забыть о ее существовании при выявлении подобного дефекта. И установить дефект, и устранить его помогают как раз наземные измерения, выполняющие функцию «эталонных» часов. Регулярное сравнение наземных и спутниковых измерений позволяет определить момент начала их несоответствия, а далее делать необходимую поправку на систематическую ошибку спутникового прибора.