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

Солнечная активность

Исследование влияния солнечной активности (СА) на космическую погоду остается наиболее важной проблемой солнечно-земной физики. В периоды магнитосферных бурь наблюдаются наиболее сильные нестационарные изменения параметров ионосферы, которые недостаточно изучены, несмотря на большое число работ, посвященных решению этой задачи. Это связано со сложностью определения закономерностей протекания бури в ионосфере по экспериментальным данным из-за особенностей каждой конкретной бури, зависящей от многих факторов, таких как параметры межпланетного магнитного поля, интенсивность бури, координаты и местное время пункта наблюдения. Дополнительная сложность выделения этих закономерностей связана и с тем, что даже в спокойных условиях изменчивость ионосферы достаточно велика.

Анализ экспериментальных данных вертикального и наклонного зондирования, измерений полного электронного содержания на сети наземных приемников глобальной системы навигации и определения положения (Global Positioning System, GPS) и наблюдений атмосферной эмиссии атомного кислорода в линии 630 нм в период 2005–2007 гг. позволил получить следующие результаты:

– тип ионосферного возмущения в зоне движения главного ионосферного провала (ГИП) зависит от широты станции, локального времени LT и магнитной активности;

– в главной фазе и в фазе восстановления геомагнитной бури в послеполуденные и вечерние часы наблюдались резкие понижения электронной концентрации (срывы суточного хода критических частот слоя F2), связанные со смещением экваториальной стенки ГИП; во время геомагнитных возмущений область аномально низкой ночной ионизации сдвигается в средние широты; появление вечерних провалов не зависит от СА;

– модельные расчеты вариаций электронной плотности во время наблюдений вечерних градиентов ионизации показали, что узкий и глубокий провал в вечернем секторе формируется полосой западного дрейфа с высокими скоростями;

– наблюдавшиеся аномальные ионосферные возмущения можно разделить на три типа: крупномасштабные ионосферные возмущения, волнообразные возмущения с периодом около двух суток и резкие кратковременные флуктуации электронной плотности в средних широтах во время главной фазы бури;

– появление крупномасштабного ионосферного возмущения в средних широтах может быть вызвано усилением термосферного ветра, переносящего измененный состав термосферы; однако механизм образования и распространения подобного возмущения до конца не выяснен;

– причина появления волновых возмущений с периодом около двух суток также не выяснена до конца и требует дополнительных исследований;

– резкие кратковременные флуктуации электронной плотности можно отнести к перемещающимся ионосферным возмущениям, появление которых связано с генерацией и распространением атмосферных гравитационных волн.

Исследования природы появления импульсных сигналов в процессах внутреннего и внешнего фотоэффекта показали, что известные до настоящего времени механизмы в солнечно-земных связях не являются прямым следствием наблюдаемых эффектов в экспериментах с фотоколориметром КФК-2 и в спектре светодиода (520 нм). Вероятным космофизическим агентом наблюдаемых сигналов может быть неизвестная солнечная энергия (высокопроникающий компонент), связанная с активностью процессов в ядре Солнца или в ближних зонах (ядро – акустическая зона – фотосфера).

В исследовании импульсных сигналов в ультрафиолетовом (УФ) спектре зенита атмосферы (флуктуаций в нанометровом диапазоне, далее нм-флуктуаций) установлена их обусловленность вторжением солнечных космических лучей (СКЛ) в верхнюю атмосферу. Полученный результат объясняется столкновением первичных частиц СКЛ с молекулами мезосферы. Связь нм-флуктуаций с потоками СКЛ имеет особое значение также и в исследовании содержания озона. В определенные периоды полярного дня коэффициент корреляции рассматриваемых факторов может превышать 0,8. Установленная зависимость прослеживается на протяжении 11-летнего цикла.

Таким образом, исследование нм-флуктуаций раскрывает ранее не известные механизмы воздействия солнечных факторов на верхнюю атмосферу. Разработка новых методических основ диагностики и методов прогнозирования состояния мезосферы в полярных областях может основываться на исследования нм-флуктуаций УФ в зените атмосферы. При внедрении диагностики УФ-радиации в зените атмосферы представляется возможным получать следующие показатели данных космической погоды:

– среднесуточные значения нм-флуктуаций, отражающие состояние верхней атмосферы в области мезопаузы и интенсивность протонов СКЛ;

– значения гармоник интенсивности УФ в диапазоне 296–330 нм, отражающие вариации глобальных и сейсмолокальных (магнитозвуковых) колебаний Солнца.

Изучение изменчивости циркуляции и содержания озона в Южной полярной области с учетом вариаций УФ излучения Солнца показало, что в октябре ОСО в Антарктике ежегодно уменьшается до минимального уровня, а после распада зимнего циркумполярного вихря в разные годы возрастает до максимальных значений вследствие притока воздуха, обогащенного озоном, из субполярной зоны. Сроки распада циркумполярного вихря в период от начала ноября до конца декабря существенно различаются. Максимальный уровень ОСО также демонстрирует существенные межгодовые вариации, амплитуда которых составляет десятки единиц Добсона. Высокая корреляция (-0,8) между максимальным уровнем ОСО и датой наблюдения этого максимума предполагает влияние экваториального квазидвухлетнего цикла (КДЦ) на уровень сезонного максимума ОСО и соответственно на сроки разрушения вихря.

Исследование связи межгодовых вариаций максимальных значений ОСО с КДЦ ветра экваториальной стратосферы с учетом протяженности КДЦ и сезонных закономерностей его эволюции выявило следующие закономерности:

– амплитуда межгодовых флуктуаций значений ОСО в период 24-месячных циклов меньше, чем при 30– или 36-месячных КДЦ;

– чередование относительных максимумов и минимумов в многолетних межгодовых вариациях значений ОСО согласуется с предположением о влиянии КДЦ на интенсивность крупномасштабного переноса озона из тропиков в высокие широты;

– максимальный спад ОСО наблюдался в 1979–1993 гг. – в период продолжительной серии 30-месячных КДЦ, в то время как при наблюдении в экваториальной стратосфере чередования 24-месячных и 30– или 36-месячных циклов многолетний ход ОСО имеет незначительный тренд;

– период КДЦ определяется интенсивностью солнечного УФ излучения в стадии стагнации при спуске восточного ветра в нижнюю стратосферу. Следовательно, влияние КДЦ на ОСО в Антарктике также зависит от УФ излучения Солнца.

Магнитосферные колебания

Магнитосферные колебания участвуют в процессах передачи энергии из солнечного ветра в магнитосферу и вносят вклад в магнитную и авроральную активность.

Трехлетний период 2007–2009 гг. был периодом глубочайшего минимума, каких не наблюдалось в течение двух столетий, с начала XIX века. В этом отношении внешние условия МПГ в 2007 г. были прямой противоположностью условий периода МГГ в 1957 г., когда, наоборот, Солнце испытывало самый высокий пик своей активности за всю историю солнечных наблюдений с начала XVIII века.

Глобальные магнитогидродинамические (МГД) колебания миллигерцового диапазона, участвуя в процессах передачи энергии от солнечного ветра в магнитосферу, вносят вклад в усиление авроральной и магнитной возмущенности. Они также служат одним из основных факторов, приводящих к ускорению электронов до релятивистских скоростей. Кроме того, они могут вызывать пондеромоторное перераспределение плазмы в магнитосфере, «сгребая» ионы к вершинам силовых линий.

Путем сопоставления двух событий обтекания магнитосферы высокоскоростными потоками солнечного ветра, случившихся в разных условиях возмущенности, как солнечной, так и магнитосферной, удалось показать прямое проникновение МГД-волн из межпланетной среды в магнитосферу и участие этих волн в ускорении электронов.

Другим важным выводом можно считать установление того факта, что даже в условиях предельно низкой солнечной активности, характерной для второго полугодия 2008 г. и первой половины 2009 г., может работать механизм ускорения электронов МГД-волнами, приводящий к появлению во внешнем радиационном поясе, где проходит геостационарная орбита, потоков релятивистских электронов, достаточных для создания угрозы нормальной работе бортовой электроники. За период с июля 2008 г. по июнь 2009 г., когда среднемесячное число Вольфа не превышало 4,1, а его среднее значение составляло 1,7, наблюдалось 15 интервалов времени, когда по данным измерений на GOES-10 и GOES-11 поток электронов с энергией более 2 МэВ превышал критическое значение 103 частиц/(см²×с×стер), а в шести из этих случаев он выходил за пределы 104 частиц/(см²×с×стер). Во всех этих событиях скорость солнечного ветра составляла не менее 550 км/с.

Влияние полярной тропосферы на климатическую систему

Результаты анализа закономерностей изменений геомагнитной активности и термобарических характеристик тропосферы в рамках модели влияния гелиогеофизических возмущений полярной тропосферы на климатическую систему Земли, а также учет быстрых радикальных изменений глобальной циркуляции в атмосфере и океане позволяют сделать вывод о том, что значительная часть наблюдаемого потепления в XX веке может быть обусловлена изменением характеристик солнечной активности.

Аномалии ПТВ в периоды 1940–1975 и 1976–1979 гг., так же как и изменения теплосодержания Мирового океана, являются следствием особенности отклика теплового и динамического режимов Мирового океана и атмосферы на изменение процессов в атмосфере, океане и криосфере, связанное с потеплением в полярных областях в начале XX века. Исключительно важная роль при этом принадлежит изменениям массы льда в Арктическом бассейне и стока северных рек, регулирующих соленость воды в Северной Атлантике, характеристики термохалинной циркуляции и энергообмен атмосферы с океаном.

Для оценки реального количественного вклада как солнечной активности, так и антропогенных факторов в изменения глобальной ПТВ, теплосодержания атмосферы и океана необходимо учитывать изменения циркуляции в атмосфере и океане, криосфере и термохалинной циркуляции.

5.2. Океанография и морской лед

Одной из главных целей крупномасштабного международного научного эксперимента МПГ 2007/08 было проведение научных мероприятий по сбору и анализу фактических данных о состоянии окружающей среды в ключевых районах полярных областей Земли. Эта основная задача программы была успешно выполнена. Благодаря скоординированным между странами-участницами в рамках МПГ комплексным морским исследованиям Северного Ледовитого и Южного океанов получен большой объем океанографической и ледовой информации.

Международным сообществом в период МПГ были проведены 72 морские экспедиции, из них 40 экспедиций проведено в Арктике и 32 экспедиции – в Антарктике. При этом на российских научно-исследовательских платформах (суда и дрейфующая станция СП) в СЛО было проведено 24 экспедиции и в шести иностранных экспедициях приняли участие российские ученые. В Южном океане проведено семь экспедиций на российских судах и в двух иностранных экспедициях участвовали российские специалисты.

Важно подчеркнуть, что наблюдения выполнялись по единым международным стандартам, с интеркалибрацией приборов и оборудования, а международные процедуры, принятые участниками МПГ, позволили производить свободный обмен полученными данными.

Успех МПГ 2007/08 оказался еще более значимым для Арктического региона. Начало реализации Программы совпало с периодом развития экстремальных гидрометеорологических процессов в Арктике. Вследствие этого полученные данные о состоянии океана оказались уникальными, поскольку позволили описать структуру аномального состояния океана и оценить изменчивость океанографических условий в период действия экстремальных процессов.

К основным результатам, достигнутым в период проведения МПГ 2007/08 в области океанографии и исследования морских льдов, можно отнести следующие:

– получена наиболее полная за последние десятилетия картина современного состояния вод и морских льдов полярных областей, установлены главные причины экстремальных изменений океанографических и ледовых характеристик в период МПГ2007/08 и получены оценки тенденций изменения состояния вод и морских льдов после МПГ;

– собранная в период МПГ обширная гидрометеорологическая информация составила основу для: а) выполнения сравнительного анализа с историческими данными с целью достижения более полного понимания причин и следствий происходящих в гидросфере изменений, б) получения оценки будущих изменений в океане и ледяном покрове, в) совершенствования процедур дешифрования данных ИСЗ и развития численных моделей океана и морских льдов;

– получен опыт проведения и координации широкомасштабных исследований океана и морских льдов с применением современных контактных и бесконтактных средств измерений, что позволит уже в ближайшие годы создать международные системы оперативного и климатического мониторинга полярных районов.

Ниже кратко представлены результаты российских исследований, выполненных в период МПГ 2007/08 в рамках направления «Гидрометеорологические и геофизические условия полярных областей», подробно изложенные в работе «Океанография и морской лед» (Океанография и морской лед, 2011).

Современные средства зондирования и исследования океана

Качественный и количественный скачок в развитии приборной базы, используемой при проведении океанологических исследований в Арктике, наиболее очевиден на примере экспедиций на научно-исследовательских дрейфующих станциях СП, организуемых ААНИИ. Расширение приборной базы по номенклатуре и увеличение числа измеряемых этими приборами океанологических параметров происходили начиная с 2006 г., когда к работе приступил сезонный отряд дрейфующей станции СП-34, в результате чего возрос объем выполняемых наблюдений. Развитие исследований СЛО с применением современных приборов и оборудования связано со следующими перспективными решениями:

а) в рамках работ на дрейфующем льду:

– увеличение числа автономных измерителей температуры и электропроводности SBE 37SM и профилографов течений WHS300 для обеспечения полигонных постановок с целью исследования пространственно-временной изменчивости гидрологических параметров на отдельных горизонтах;

– кардинальное увеличение получаемой информации за счет исследования микропульсаций гидрологических параметров подо льдом, например, с использованием RMS (Recording Microstructure System) производства Rockland Scientific (Канада);

б) в судовых экспедициях:

– увеличение числа измеряемых при зондировании параметров, например, при установке на розетте профилографа WHS600 или WHS300, установке датчиков растворенных газов (кислород, метан), датчика флюоресценции фитопланктона;

– использование малоинерционных приборов для исследования поверхностного слоя, например турбулиметров.

В последние годы все более широко в системе мониторинга текущих изменений состояния арктической климатической системы используются автономные заякоренные измерительные комплексы (ПБС – притопленная буйковая станция), с помощью которых выполняется сбор информации в фиксированной точке в течение продолжительного периода времени (как правило, одного года). Автономные заякоренные буйковые станции, наряду с экспедиционными судовыми средствами получения информации, являются одним из мощнейших инструментов сбора данных о гидрофизическом состоянии водной толщи и протекающих в ней процессах. При этом перечень параметров, которые возможно регистрировать при помощи заякоренных станций, является весьма широким и определяется исключительно списком уже существующих приборов, предназначенных для измерения характеристик состояния морской среды и способных работать в автономном режиме. Кроме этого, подобные системы являются единственной возможностью получить достоверную оценку параметров динамического состояния водной толщи: скорости и направления морских течений, их сезонной и межгодовой изменчивости, характеристик приливных течений и пр.

В настоящее время, наряду с приборами, устанавливаемыми в составе ПБС на фиксированных горизонтах, в практику океанографических наблюдений все чаще входят профилемеры, осуществляющие вертикальное перемещение вдоль несущего троса комплекса в пределах выбранного диапазона глубин и записывающие информацию о вертикальном распределении основных параметров состояния морской среды (температура, соленость, скорость течения).

Задачам мониторинга гидрофизического состояния СЛО в большей степени отвечают дрейфующие буйковые станции. Современные модификации дрейфующих комплексов позволяют осуществлять их постановку как на открытую воду, так и на дрейфующий лед. Надежность разработанных и уже используемых комплексов доказывает высокую экономическую эффективность их дальнейшего использования в Арктике вне зависимости от направленности климатических изменений и состояния ледяного покрова. Кроме того, дрейфующие буйковые станции являются единственными автономными платформами, обеспечивающими оперативное поступление океанографической информации в течение круглого года. Они значительно экономичнее дрейфующих ледовых станций, организация, обеспечение и эвакуация которых сопряжены с большими финансовыми затратами.

Комплексное использование различных приборов спутникового наблюдения (активного радара, пассивных приемников в инфракрасном и оптическом спектре и др.) при определенных гидрометеорологических условиях дает уникальную возможность получить представление о мезомасштабных метеорологических и океанографических процессах на основе данных о температуре поверхности океана (ТПО), положении уровненной поверхности, волнении, поверхностных динамических структурах в морях СЛО, их качественных, количественных, а при наличии достаточного количества снимков и статистических характеристиках. В сочетании с натурными подспутниковыми калибровочными и контрольными наблюдениями in situ, осуществляемыми с борта научно-исследовательского судна или при помощи автономных буев, спутниковые изображения являются незаменимым инструментом научно-исследовательских изысканий в труднодоступных районах СЛО.

Современные средства зондирования и исследования ледяного покрова Арктики

Цикл работ в области изучения характеристик морского льда с помощью методов дистанционного зондирования, осуществленный российскими учеными в период МПГ в полярных областях Земли, позволил получить ряд важных выводов.

Дальнейшее совершенствование методов дистанционного зондирования ледяного покрова полярных регионов требует постановки широкомасштабных экспериментальных работ по верификации методик дистанционного зондирования (ДЗ) морских льдов. Для таких работ необходимым условием должно быть обеспечение исследователям возможности доступа к имеющимся различным информационным источникам по изучаемой акватории. Желательно, в частности, обеспечить в согласованных объемах обмен информацией между ледовыми службами разных стран. Полевые работы должны проводиться с использованием сертифицированной аппаратуры, обеспечивающей выполнение многопараметрических полевых наблюдений с сопоставимой точностью. Необходимо совершенствовать стационарный сегмент гидрометеорологических наблюдений в полярных районах, для чего следует шире разворачивать в труднодоступных полярных регионах сеть современных автоматических измерительных комплексов, включенную в систему мониторинга морских льдов.

Перспективы развития технологий мониторинга морских льдов зависят также от уровня развития ледовых моделей, позволяющих прогнозировать краткосрочные и долгосрочные изменения параметров ледяного покрова (в том числе моделей дрейфа льда, дрейфа айсбергов, нарастания льда и пр.). В моделях должна быть предусмотрена возможность усвоения спутниковых данных. Прогностический блок должен стать полноправной составляющей технологии мониторинга морских льдов.

Работы российских ученых по программе МПГ показали, что развитие методов ДЗ морского льда в нашей стране сдерживается из-за отсутствия собственных природоресурсных космических аппаратов, оснащенных современными радарами, радиометрами высокого разрешения и пр. В РФ были предприняты определенные шаги для восстановления российской орбитальной группировки метеорологических и природоресурсных спутников. 17 сентября 2009 г. был запущен российский космический аппарат «Метеор-М». Информация с этого спутника уже используется для решения ряда природоресурсных задач, а данные бортового спектрофотометра с пространственным разрешением 60 м могут быть использованы для изучения особенностей тонкой структуры строения морского ледяного покрова. Вся российская группировка метеоспутников будет состоять из трех аппаратов, причем третий планируется оборудовать радиолокатором с активной фазированной решеткой с пространственным разрешением порядка 1 м.

В соответствии с федеральной космической программой в период до 2015 г. будет завершена реализация мероприятий по вводу в эксплуатацию Многоцелевой космической системы (МКС) «Арктика». Система будет состоять из двух космических аппаратов (КА) «Арктика-М», функционирующих на высокоэллиптических орбитах, типа «Молния» с периодом обращения 12 часов и двух космических аппаратов «Арктика-Р», запускаемых на низкие околополярные орбиты и оснащенных радиолокаторами с синтезированной апертурой. Подсистема «Арктика-М» позволит осуществлять непрерывный мониторинг окружающей среды Арктики, включая наблюдения за состоянием ледяного покрова в видимом и инфракрасном спектральных диапазонах.

Опыт ледовых исследований, накопленный в ходе изысканий 1990–2000-х годов, был в полной мере реализован при подготовке и осуществлении Программы МПГ 2007/08. В ходе МПГ были осуществлены три экспедиции в северо-восточной части Баренцева моря и Карском море, в программы которых входило исследование ледяного покрова, ледников и айсбергов. На основе материалов, собранных как в ходе изысканий, так и в ходе работ в рамках МПГ, была создана единая база данных по характеристикам айсбергов Баренцева и Карского морей.

Освоение ресурсов арктического шельфа России в настоящее время позволяет получать новые данные по морским льдам, айсбергам и связанным с ними процессам в объемах, заметно превышающих сугубо научные программы последних лет. Особую ценность этой информации придает обусловленный нуждами изысканий комплексный характер наблюдений, позволяющий отслеживать все интересующие процессы во взаимосвязи, соединяя метеорологию, различные направления океанологии, гляциологию, географию, климат. Уже сейчас можно констатировать, что благодаря инженерным изысканиям наши знания о природных условиях морей арктического шельфа, и прежде всего Баренцева моря, за последнее десятилетие значительно расширились. Еще большего прогресса в этой области следует ожидать в течение ближайших лет по мере усвоения, обобщения и анализа данных большого числа экспедиций, проведенных в первом десятилетии XXI века.

Результаты научных наблюдений, полученные в высокоширотных исследованиях на дрейфующих научно-исследовательских станциях СП, в воздушных и судовых экспедициях, внесли решающий вклад в познание закономерностей природных процессов центральной части Арктического бассейна и арктических морей, создание системы научно-оперативного обеспечения безопасности мореплавания по высокоширотным и традиционным трассам Северного морского пути.

Присутствие в Арктике требует согласования экологических и инфраструктурных задач, однако риски, связанные с исследованиями на дрейфующих научно-исследовательских станциях СП, обусловливают необходимость поиска вариантов использования плавучих сооружений в качестве долговременной дрейфующей обсерватории взамен дрейфующих станций СП.

Постоянно действующая экспедиция на базе долговременной дрейфующей обсерватории позволит решить и ряд задач развития системы государственного мониторинга высокоширотной Арктики, развития наблюдательной арктической сети, выполнения комплексных работ и исследований в рамках задач Росгидромета, РАН, других министерств и ведомств в высокоширотной Арктике, включая обеспечение дрейфующих станций и высокоширотных рейсов научно-экспедиционных судов, расстановку автоматических дрейфующих комплексов в Арктическом бассейне и др.

Наиболее перспективным плавучим сооружением для этих целей представляется самоходная водоизмещающая платформа с упрощенными формами и высокой ледовой прочностью корпуса, способная автономно дрейфовать в высоких широтах СЛО не менее двух лет и самостоятельно (своим ходом) возвращаться из точки окончания дрейфа в точку начала следующего дрейфа по чистой воде (способностью самостоятельного движения во льдах платформа не обладает).

К числу факторов, повышающих эффект использования платформы, следует отнести:

– возможность существенного расширения круга научных исследований;

– использование нового оборудования, которое по своим техническим параметрам не может быть использовано в условиях дрейфующей льдины;

– качество и скорость обработки результатов наблюдений;

– условия работы и жизни полярников.

В последнее десятилетие в области исследований морского ледяного покрова широко внедряются не только новые приборы, но также и разные методы и технологии, позволяющие наряду с традиционными контактными измерениями осуществлять высокоинформативные дистанционные наблюдения. Очень важно, что информация о ледяном покрове и ряде других параметров природной среды с этих комплексов поступает в цифровом виде. Это дает возможность оперативно ее обрабатывать, отображать и усваивать. Применять новые методы и технологии в области исследования ледяного покрова позволяют следующие аппараты и приборы: беспилотные летательные аппараты (БЛА), магниторезонансные измерители толщины льда, ледовые масс-балансовые буи (ЛМБ, Ice Mass Balance Buoy), мобильные телеуправляемые подводные комплексы.

Использование современных дистанционных измерительных комплексов и телеметрических систем открывает новые возможности высокоточных и высокоинформативных исследований процессов в полярных регионах. Использование беспилотных летательных аппаратов и данных ИСЗ открывает широкие возможности по эффективному проведению подспутниковых экспериментов для изучения ледяного покрова и мониторинга загрязнения природной среды по широкому спектру параметров. Использование магниторезонансных систем для изучения ледяного покрова существенно увеличивает возможности получения значительных объемов информации о состоянии ледяного покрова. Это позволяет улучшить систему мониторинга ледяного покрова в процессе специальных полигонных исследований и существенно повышает оперативность получения данных и их количество при решении различных прикладных задач при проектировании и строительстве инженерных сооружений в замерзающих морях.

Система ледовых масс-балансовых буев находит широкую поддержку у исследователей ледяного покрова в Арктике, но опыт применения этой системы на СП-37 показал, что нельзя полностью доверять всей информации, поступающей как с сонаров, так и с метеодатчиков, без соответствующей проверки. Телеметрические подводные системы и аппараты имеют широкие перспективы применения для решения исследовательских и инженерных задач в районах, покрытых дрейфующими льдами.