Текст книги "Итоги МПГ 2007/08 и перспективы российских полярных исследований"

3.3. Совершенствование инфраструктуры Российской антарктической экспедиции в период МПГ

Выполнение работ по проектам научной программы МПГ в Антарктике невозможно было осуществить без развития инфраструктуры РАЭ. Работы МПГ потребовали расширения сети и увеличения объема стандартных гидрометеорологических наблюдений на станциях и базах в Антарктике. Это нашло отражение в Распоряжении Правительства Российской Федерации № 713-Р от 2 июня 2005 г. «О деятельности Российской антарктической экспедиции в 2006–2010 годах».

В соответствии с Распоряжением была увеличена численность сезонного и зимовочного составов до 120 и 110 человек соответственно, сохранялись все пять круглогодично действующих станций (Мирный, Восток, Прогресс, Новолазаревская, Беллинсгаузен), возросло число сезонных полевых баз до пяти против двух в 1997 г., (к Молодежной и Дружной-4 добавились Русская, Ленинградская и Союз), изменилось число воздушных экспедиционных судов (два вертолета, два самолета на лыжно-колесном шасси и транспортный самолет Ил-76ТД для межконтинентальных перелетов), увеличилось число снежно-ледовых взлетно-посадочных полос.

В период МПГ и для решения задач МПГ РАЭ осуществила расконсервирование антарктических станций Русская и Ленинградская, закрытых в 1990 и 1991 г. соответственно. В 53-й сезонной РАЭ с помощью НЭС «Академик Федоров» в январе 2008 г. была расконсервирована станция Ленинградская, а в феврале 2008 г. – станция Русская. На данных полевых базах были установлены автоматические метеорологические станции «MAWS-110» производства компании «Вайсала», Финляндия, а также автоматические геодезические станции германо-канадского производства, обеспечивающие высокоточное определение географических координат с помощью спутниковой навигационной системы GPS.

Метеорологическая станция «MAWS-110» в этот же период была установлена на полевой базе Молодежная, а аналогичная геодезическая станция – на российских антарктических станциях Прогресс и Восток. Вся информация, полученная с помощью этих автоматических станций, в оперативном режиме через спутниковые каналы связи передавалась пользователям в России и Германии.

В связи с выполнением задач по обеспечению станций Русская и Ленинградская в период МПГ океанологи и морские биологи получили возможность попутно проводить исследования на акваториях малоизученных морей Амундсена и Беллинсгаузена, в восточной части моря Росса и на акватории Южного океана между Австралией и Антарктидой.

В период 53-й зимовочной РАЭ в ноябре – декабре 2008 г. был осуществлен заключительный санно-гусеничный транспортный поход из обсерватории Мирный на станцию Восток, а в рамках МПГ по программе 54-й сезонной РАЭ в январе – феврале 2009 г. был проведен новый транспортный поход на внутриконтинентальную станцию Восток со станции Прогресс. Этот поход выполнялся на новых транспортерах германского производства «Пистен Булли Полар-300». Начиная с этого момента материально-техническое снабжение станции Восток стало осуществляться исключительно со станции Прогресс с помощью двух санно-гусеничных походов за один сезон в ноябре – декабре и в январе – феврале. Если санно-гусеничный поход со станции Мирный на станцию Восток протяженностью 1410 км на старых машинах отечественного производства с грузом занимал в среднем 45 суток, то в новых условиях поход протяженностью 1500 км выполняется за 14–15 дней. Значительно сократился расход топлива и резко возрос ресурс двигателя и ходовой части при использовании новых транспортеров. При правильной организации работ за один сезон можно выполнять до трех походов со станции Прогресс на станцию Восток.

Начиная с сезона 2004 г. авиационная поддержка деятельности станции Восток производится с помощью самолета ВТ-67 «Турбобаслер» американского производства. Полеты осуществляются в ноябре – декабре и январе – феврале каждого летнего антарктического сезона со станции Прогресс, на которой для этих целей подготавливается снежная взлетно-посадочная полоса. Выполнение этих внутриконтинентальных полетов, а также полетов самолета Ил-76ТД из Кейптауна на ледовый аэродром станции Новолазаревская в период проведения МПГ заметно расширили возможности проведения научных программ и экспериментов в Антарктике с привлечением большего числа специалистов.

Расширение спектра и объема работ МПГ в Антарктике дало толчок дальнейшему развитию инфраструктуры Антарктики. В настоящее время в РАЭ ААНИИ готовится проект нового Распоряжения Правительства Российской Федерации по обеспечению деятельности экспедиции в период 2013–2017 гг. В этом документе предусматривается начало проектных и строительных работ по возведению нового зимовочного комплекса на станции Восток, а также реконструкция служебно-жилого фонда станции Мирный, базы ГСМ на станции Беллинсгаузен и некоторых объектов полевой базы Русская.

В конце 2012 г. введено в эксплуатацию новое научно-экспедиционное судно ААНИИ «Академик Трешников», которое построено на ОАО «Адмиралтейские верфи» в Санкт-Петербурге по Постановлению Правительства РФ для обеспечения деятельности РАЭ. Предусматривается совершенствование воздушных и наземных транспортных средств экспедиции, а также модернизация и обновление парка научных приборов и оборудования на антарктических станциях и полевых базах РАЭ.

4. Информационный фонд данных в полярных областях

Одним из важных факторов, влияющих на эффективность использования и применения в научно-технической и социально-экономической сфере результатов, полученных в ходе реализации научной программы МПГ 2007/08, является обеспечение доступа широкого круга пользователей к полученным информационным ресурсам на основе современных технологий и стандартов.

Для реализации задачи формирования полного полидисциплинарного фонда данных по полярным областям Земли и предоставления к нему доступа пользователей во ВНИИГМИ – МЦД с участием ряда институтов Росгидромета, Российской академии наук и других ведомств и организаций была разработана автоматизированная система управления данными МПГ-Инфо, нормативно-правовая основа которой изложена в Принципах управления данными в Научной программе участия Российской Федерации в проведении Международного полярного года (2007/08) (утверждены Оргкомитетом МПГ в сентябре 2008 г.) (Принципы управления…, 2008).

Схемы, регламенты и процедуры сбора, хранения, обмена и распространения данных экспедиционных и научных исследований, полученных в ходе выполнения Научной программы участия Российской Федерации в проведении МПГ 2007/08, отражены в Плане управления данными в Научной программе участия Российской Федерации в проведении Международного полярного года (2007/08) (утвержден Оргкомитетом МПГ в сентябре 2008 г.) (План управления данными…, 2008).

Система включает в себя информационные технологии сбора, накопления и обмена данными, сеть тематических Центров данных, аккумулирующих данные научных и экспедиционных исследований, Web-портал системы как интегратор и единую точку доступа к информационным ресурсам по полярным областям Земли. При построении системы использованы информационные технологии Единой государственной системы информации об обстановке в Мировом океане (ЕСИМО), которые были развиты с учетом специфики данных МПГ 2007/08.

В системе МПГ-Инфо осуществляется централизованное хранение метаданных и распределенное между тематическими Центрами данных МПГ хранение данных с единой точкой доступа к данным и метаданным через Web-портал МПГ-Инфо.

На базе нескольких институтов различных ведомств образовано семь тематических центров данных МПГ по таким направлениям, как метеорология и океанография (ВНИИГМИ – МЦД), геология (ВСЕГЕИ), геофизика (ГЦ РАН), морские льды (ААНИИ), экология и гляциология (ИГ РАН), биология (ЗИН РАН), медицина (НИИПМ СГМУ), призванных осуществлять накопление и хранение соответствующих тематических данных и обслуживание ими пользователей с использованием системы МПГ-Инфо и собственных специализированных информационных систем.

Для сохранения данных и метаданных в системе МПГ-Инфо используются удаленные автоматизированные рабочие места – компоненты портала МПГ-Инфо, представляющие собой совокупность логически связанных Web-форм, которые позволяют исполнителям проектов МПГ резервировать в системе информационное пространство для своих проектов, вводить метаданные через соответствующие формы, используя Интернет, загружать файлы данных, документы. Такой подход обеспечивает регистрацию информационных ресурсов МПГ в соответствии с единым стандартом метаданных.

В работах по формированию полидисциплинарного фонда данных МПГ приняло участие свыше 40 организаций различных ведомств. Их усилиями сформированы и включены в фонд данных МПГ свыше 170 массивов данных, полученных в ходе реализации Научной программы участия Российской Федерации в проведении МПГ 2007/08.

Сформирована централизованная база метаданных, включающая:

– каталог 236 проектов, выполнявшихся в рамках Научной программы участия Российской Федерации в проведении МПГ 2007/08;

– формализованные описания 120 морских и наземных экспедиций, выполненных в 2007–2009 гг. в Арктике и Антарктике;

– формализованные описания 170 массивов данных, полученных в рамках реализации проектов МПГ 2007/08;

– каталог исторических баз и массивов данных по полярным районам Земли (150 описаний по гидрометеорологии и океанографии, морским льдам, геофизике, гляциологии);

– описания документов, методов, программ исследования и обработки данных, форматов данных, используемых в проектах МПГ, списки ученых и организаций – участников МПГ 2007/08.

Портал МПГ-Инфо (http://www.mpg-info.ru) позволяет пользователям Интернет получить сведения по каждому проекту программы МПГ 2007/08, включая доступ к метаданным и файлам данных. Доступ к описаниям экспедиций и данным осуществляется также через страницы общих каталогов, включающих формы контекстного и атрибутивного поjиска и фильтрации данных.

Система МПГ-Инфо обеспечивает интеграцию и долговременное хранение полидисциплинарных данных и информации, поддерживает обмен метаданными с зарубежными информационными системами, предоставляет современный открытый доступ к информационным ресурсам по полярным областям Земли для дальнейших научных исследований и практического применения.

Деятельность тематических центров иллюстрируется работой Центра ИГ РАН.

По решению национального российского комитета по проведению МПГ в ИГ РАН организован тематический центр МПГ для сбора и хранения данных по трем основным направлениям исследований: гляциология, биогеография и социально-экономические исследования.

Базы метаданных и массивы данных по результатам экспедиционных и научных исследований в период МПГ 2007/08 сформированы по основным дисциплинам: гляциология, экология и социально-экономическая география.

Основные массивы гляциологических данных – это результаты измерения баланса массы ледников, динамических характеристик границ и поверхности ледников, плотности, температуры и влажности льда в скважинах, химического состава снега и льда; результаты подсчета числа и ширины годичных колец спилов древесины и измерения размеров лишайников; результаты радиозондирования ледников и дешифрирования аэро– и космических снимков.

Данные балансовых наблюдений представляют собой результаты измерений аккумуляции (накопления) и абляции (расхода) вещества в леднике, по которым рассчитывается баланс за год.

Массив данных измерений динамики ледников представляет собой результаты измерений пространственных координат точек на поверхности или на границе ледника в конкретный момент времени в заданной картографической проекции. В зависимости от измерительного прибора (рулетка, фототеодолит, тахеометр или GPS) данные могут существовать в табличном виде в следующих форматах: txt, doc, xls, dat, а также сопровождаться результатами их графической визуализации в виде полей точек или построенных по ним карт.

Массивы данных метеонаблюдений, осуществляемых на ледниках в ручном режиме и с помощью автоматических метеостанций, представлены в виде таблиц в форматах txt и xls. Таблицы содержат информацию о месте и времени наблюдений, а также данные измерений, привязанные к конкретным датчикам.

Массивы данных дендрохронологических и лихенометрических измерений представлены в табличном виде в форматах txt, doc и xls. Таблицы содержат информацию о месте отбора, координатах в проекции UTM WGS-84, числе образцов, времени отбора пробы и исполнителе.

Массивы данных геохимических исследований образцов проб снега, льда и речной воды формируются в таблицы в форматах txt, doc и xls и содержат информацию о концентрации ионов основных элементов, привязанную к пунктам отбора проб.

Массивы данных радиозондирования ледников представлены в виде таблиц значений отраженного радиоимпульса в формате dat и их временной и координатной привязки. Массив может сопровождаться визуализацией маршрута измерений и полученных данных в виде shape-файла или в формате jpg.

Массивы данных результатов обработки космических снимков ледниковых районов представляют собой комбинацию графической информации о снимке в формате hdf, созданных векторных слоев границ ледников в виде shape-файла и привязанной к ним атрибутивной базы данных в формате dbf. В базе данных содержится информация о координатной привязке ледника, его геометрических характеристиках, морфологии, режиме питания и ссылки на источники ее получения.

Массивы экологических данных представляют собой результаты наблюдений за численностью, миграцией и видовым составом млекопитающих, рыб, птиц, фенологическими данными о растительности, сопровождающиеся данными метеонаблюдений и описаниями ландшафтов. В рамках экспедиций осуществляются отлов различных видов птиц и млекопитающих, кольцевание, изучение успехов размножения, отслеживание миграционных путей, выявление основных мест обитания и их изучение для целей сохранения. Важное место при изучении ландшафтов занимают отбор проб и определение химического состава почвы и воды. Результаты представляются в центр данных в виде текстов, таблиц, графиков и карт.

Часть данных существует в виде реляционных баз данных. В этом случае, наряду со стандартными описаниями и регистрацией в МПГ-Инфо, дается ссылка на информационный ресурс, если он доступен в Интернете или размещается на сайте тематического информационного центра ИГ РАН.

Социально-экономические массивы данных в рамках исследований по МПГ представлены текстовыми описаниями, таблицами, графиками и картами, характеризующими социально-экологические оценки, достижения устойчивого развития, социально-ориентированную информацию, социально-экономическую трансформацию, качество жизни населения, состояние окружающей среды. Эти данные получены в ходе опроса местного населения, изучения статистики, проведения анализов проб воды и снега, изучения аэро– и космических снимков и т. д. Разработаны специальные методы социомониторинга для выявления проблем и постановки задач повышения качества жизни, которые включают в себя интервьюирование, в том числе структурированное (анкетирование) и полуструктурированное (вопросы на заранее подготовленные темы), сбор и анализ статистических данных на местном и региональном уровнях, составление карт и банка данных необходимого картографического материала и аэрокосмических снимков, анализ литературных источников и данных Интернета, создание архива фотографий (повторяющихся во времени), видео– и аудиозаписей, анализ проб воды (в том числе питьевой) на содержание загрязнителей, особенно опасных для здоровья, проведение фенологический наблюдений.

Информация о данных, полученных в период МПГ, передается в информационный центр ИГ РАН. Для описания данных созданы специальные формы, базирующиеся на системе регистрации данных в МПГ-Инфо. Созданы формы для описания проектов, экспедиций и массивов данных. Заполненные формы размещаются на сайте информационного центра ИГ РАН. Данные регистрируются в МПГ-Инфо. Структурная организация массивов данных позволяет предоставление их пользователям в полном виде, а также в виде выборок групп отдельных записей или элементов.

Данные, зарегистрированные в МПГ-Инфо в 2008/09 г., перечислены в Каталоге данных. Каталог создан в среде реляционных баз данных и содержит информацию, позволяющую идентифицировать данные и связанные метаданные, источник и время их поступления и облегчающую поиск и извлечение данных. Массивы сохраняются и предоставляются пользователям в форматах, предусмотренных Планом управления данными МПГ.

В дальнейшем базы исходных данных и базы метаданных будут расширяться путем вовлечения новых источников – неохваченных проектов программы МПГ и других информационных ресурсов. Будут развиты и усовершенствованы методы контроля, обработки и управления данными и обеспечено формирование полного и высококачественного информационного фонда, аккумулирующего результаты научных исследований МПГ 2007/08 и другие информационные ресурсы по полярным районам Земли, что позволит улучшить информационное обеспечение участников программы МПГ, федеральных и региональных органов государственной власти, организаций, осуществляющих хозяйственную, природоохранную и иную деятельность в полярных районах.

5. Результаты исследований природных систем и оценки климатических изменений в полярных областях

Основные научные результаты участия России в МПГ опубликованы в шести томах серии «Вклад России в Международный полярный год 2007/08», в состав которой вошли книги: «Метеорологические и геофизические исследования», «Океанография и морской лед», «Полярная криосфера и воды суши», «Строение и история развития литосферы», «Наземные и морские экосистемы», «Проблемы здравоохранения и социального развития Арктической зоны России», «Итоги МПГ 2007/08 и перспективы российских полярных исследований».

5.1. Метеорологические и геофизические исследования

Международный полярный год дал уникальные возможности для получения новых экспериментальных данных об окружающей среде полярных областей планеты, которые являются важной частью климатической системы Земли.

Полярные области, и особенно Арктика, тесно взаимосвязаны с глобальной системой переносами тепла, влаги, соли и воды, циркуляцией атмосферы и океана. Здесь прежде всего проявляются изменения климата, среди которых особое внимание привлекает деградация морских льдов. Для полярных областей пока не удается получить хорошего согласия между результатами наблюдений и глобальными моделями климата, в которых главная роль отводится росту концентрации парниковых газов в атмосфере.

На основе собранных данных были изучены особенности состояния климатической системы в первое десятилетие XXI столетия и в период проведения МПГ 2007/08 в сравнении с ее состоянием в предшествующий период и с оценками, полученными на основе глобальных моделей климата. Проведен анализ климатических режимов и их изменений в полярных и субполярных регионах на основе модельных расчетов разной степени детальности в сопоставлении с данными наблюдений, реанализа и реконструкций. Дана оценка роли естественных и антропогенных факторов в изменениях климата высоких широт в последние десятилетия.

Выполненные оценки трендов климатических параметров в Южной полярной области за период инструментальных наблюдений с учетом данных МПГ показали, что, несмотря на заметные проявления потепления в Западной Антарктике, метеорологический режим Антарктиды в целом остается в пределах естественной изменчивости атмосферных процессов.

Палеоклиматические реконструкции, основанные на изучении спорово-пыльцевых спектров рыхлых отложений в циркумполярной Арктике, полученных в период МПГ, показали, что время наступления похолоданий и потеплений в разных частях Арктики различается.

В рамках работ Российской антарктической экспедиции (РАЭ) выполнялись измерения концентрации углекислого газа и метана в приземном воздухе в Антарктиде на станции Новолазаревская (70°46′ ю.ш., 11°50′ в.д.).

Для оценки состояния озонового слоя в атмосфере Арктики и Антарктики проводились наблюдения за общим содержанием озона (ОСО) на российских стационарных станциях и на научно-экспедиционных судах (НЭС) во время их рейсов в Антарктику и Арктику. Сопоставление вновь полученных данных с результатами наблюдений в предшествующие десятилетия позволяет сделать вывод об уменьшении степени проявления весенней отрицательной аномалии ОСО в Антарктиде. Выполненные модельные расчеты показали, что к 2050 г. восстановления общего содержания озона до уровня 1970 г. не произойдет. Концентрация тропосферного озона возрастет на 10–15 %, а дефицит массы озона для атмосферы Земли в целом по сравнению с 1970 г. при этом составит 2 %.

В формировании радиационного баланса системы Земля – атмосфера важную роль играют аэрозольные примеси в атмосфере. Аэрозольные частицы ослабляют потоки прямой солнечной радиации, приходящей к поверхности, активно участвуют в процессах конденсации водяного пара, приводят к изменению характеристик облачного покрова. Радиационное выхолаживание, обусловленное непосредственным влиянием аэрозольного компонента, по оценкам, составляет от –0,9 до –0,1 Вт/м². В среднем это компенсирует треть радиационного прогрева атмосферы за счет углекислого газа (МГЭИК, 2008).

Особое значение имеют относительно редкие исследования аэрозольной составляющей в наиболее чистых районах, таких как Антарктида и Южный океан, которые удалены от основных источников генерации природного и антропогенного аэрозоля. Данные, полученные здесь, позволяют оценить свойства и тенденции изменения глобального фонового аэрозоля. В настоящее время аэрозольное ослабление солнечной радиации в Антарктиде было и остается одними из самых низких на Земле. Оно стабильно в пределах естественной изменчивости. Это свидетельствует о том, что атмосфера Антарктиды до сих пор практически не подвержена загрязнению аэрозолем антропогенного происхождения.

В Арктике, в отличие от Антарктики, имеются очаги аэрозоля антропогенного происхождения. «Дыхание» этих источников ощущается над российскими арктическими морями, в Центральной Арктике и над северными территориями Америки. Современные изменения характера атмосферной циркуляции и режима осадков в Северной полярной области не могли не повлиять на уровень загрязнения воздуха и подстилающей поверхности в Арктике. Поэтому в рамках МПГ 2007/08 были выполнены исследования пространственных и временных закономерностей переноса антропогенных аэрозолей воздушными массами. Были исследованы характеристики пространственно-временной изменчивости параметров аэрозольных частиц в приводном слое морей Арктики. В рамках проекта МПГ 2007/08 «Эоловый и ледовый перенос и потоки вещества (включая экотоксиканты) в Арктике» получены количественные характеристики массовой и счетной концентрации аэрозоля, массовой концентрации микрокристаллического углерода и ионного состава приводного аэрозоля.

Исследования верхней атмосферы включали исследования состояния ионосферы в восточноазиатском регионе во время геомагнитных возмущений. Для анализа вариаций ионосферных параметров использовались данные ионосферных станций наклонного зондирования на трассах Магадан – Иркутск и Норильск – Иркутск и результаты измерения полного электронного содержания (ПЭС) на сети наземных приемников GPS. Уделено также внимание глобальным колебаниям магнитосферы. При этом важно, что МПГ 2007/08 проводился в период глубочайшего минимума солнечной активности, каких не наблюдалось в течение двух столетий – с начала XIX века.

При исследовании воздействия солнечной активности на климатическую систему Земли ключевой концепцией стало влияние гелиогеофизических возмущений на параметры земной климатической системы, управляющие потоком энергии, уходящей от Земли в космос в высокоширотных областях. Кроме того, было выполнено исследование взаимосвязи интенсивности весеннего уменьшения концентрации озона над Антарктикой с квазидвухлетним циклом зонального ветра в экваториальной стратосфере с учетом сезонных закономерностей его эволюции и зависимости от солнечной активности.

В целом, скоординированные широкомасштабные наблюдения в Арктике и Антарктике, выполненные в 2007/08 г., позволили собрать уникальную коллекцию данных, освещающих состояние климатической системы полярных областей в период глобального потепления. Сравнение вновь полученных данных с изменениями в предшествующий период, а также с изменениями в других районах планеты и с результатами расчетов с использованием глобальных климатических моделей проливает свет на причины изменений, наблюдаемых в полярных районах в атмосфере, океане и ближнем космосе.

Ниже приводятся краткие результаты российских исследований в период МПГ 2007/08, выполненных в России в рамках направления «Гидрометеорологические и гелиогеофизические условия полярных областей» и подробно изложенных в работе (Метеорологические и геофизические исследования, 2011).