"Наша планета - комфортабельный космический корабль с прекрасно отлаженной системой жизнеобеспечения, надежно оберегающей все живое от губительного воздействия окружающего космического пространства". Так начинается статья "Астрофизики изучают атмосферу Земли" доктора физико-математических наук Бориса Сомова и кандидата физико-математических наук Анатолия Хлыстова из Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга (ГАИШ) МГУ, опубликованная в журнале "Земля и Вселенная".

Ученые подчеркнули: основа земной системы жизнеобеспечения - магнитное поле и кислородно-азотная атмосфера, причем на ее свойствах активно сказываются водяной пар, углекислый газ и озон, которые занимают всего 1% объема воздушной оболочки планеты. Следовательно, при их изучении надо прибегать прежде всего к астрофизическим методам.

Касаясь в первую очередь проблем изменений климата*, авторы утверждают: если бы наша атмосфера состояла только из азота, кислорода и аргона, то за счет тепловой инерции средняя температура поверхности планеты была бы около - 3°C. Но благодаря парниковому эффекту** она достигает порядка +15°C. Дело в том, что в ее оболочке находятся небольшие примеси паров воды, углекислого газа, метана, окиси азота и газов искусственного происхождения, прозрачных для видимой солнечной радиации и вместе с тем поглощающих инфракрасное излучение, из-за чего последнее не уходит в космос, тем самым повышая среднюю температуру Земли примерно на 18°C по сравнению с "беспримесной" атмосферой.

Словом, основная причина наблюдающегося потепления - возрастание в нашей воздушной оболочке парниковых газов. Самый эффективный из них - водяной пар, хотя его масса за тысячелетия менялась незначительно, чего не скажешь об углекислом газе, количество которого только с 1880 по 1989 г. возросло на 20%, причем 12% пришлись на 1958 - 1989 гг. И если такая ситуация останется, то к 2030 г. его концентрация удвоится, а значит, потепление климата будет угрожать существованию жизни на Земле.

Кстати, подчеркнули авторы, климатообразующие процессы крайне сложны и потому количественные оценки глобального потепления пока весьма не точны.

Главную неясность в расчеты вносит моделирование отклика атмосферы на изменения концентраций парниковых газов, в первую очередь углекислоты. И традиционные, локальные методы измерения в городских условиях CO₂ (а он - основной источник выбросов) не дают надежных усредненных значений его массы для крупного мегаполиса. Именно поэтому ученые ГАИШ в Москве проводят соответствующие измерения в атмосфере, используя опыт исследования Вселенной.

Работы ведутся с помощью стационарных технических средств, в частности наземного телескопа. Свет от далеких космических тел, прежде чем попасть в его трубу, проходит всю толщу земной атмосферы, которая, естественно, также становится объектом наблюдений.

При измерении скоростей движения небесных объектов широко используется эффект Доплера*, причем теллурические (земные) линии** в спектре служат реперами, относительно которых определяют смещения спектральных линий звезд, Солнца, планет, комет и т. д. Механизм образования теллурических линий свидетельствует о физических условиях в атмосферах планет. С помощью специально разработанной методики калибровки спектрометрических замеров сотрудники ГАИШ в середине прошлого века в Алма-Ате выявили: содержание водяного пара в горах значительно меняется.

Позже ученые использовали управление переноса излучения, применяемое в астрофизике при исследовании пространства вокруг звезд (для расчета профилей теллурических линий кислорода и водяного пара в земной атмосфере), и оказалось, они подвержены сезонным вариациям. Затем удалось получить данные о температуре и плотности атмосферы нашей планеты. Впоследствии их применили при решении важной прикладной задачи - обеспечения наиболее благоприятных условий для прохождения лазерного излучения в атмосфере Земли.

Накопленные знания позволили отечественным специалистам вплотную заняться систематическими измерениями над Москвой состава парниковых газов и прежде всего самого опасного CO₂. Так, отбирая пробы воздуха в различных районах столицы, сотрудники Института прикладной физики РАН пришли к выводу: техногенные выбросы последнего над городом создают за-

* См.: Л. Краснокутская. С целью оценки и контроля атмосферы. - Наука в России, 2006, N 5 (прим. ред.).

** См.: Ю. Израэль. Грозит ли нам климатическая катастрофа? - Наука в России, 2004, N 4 (прим. ред.).

* Доплера эффект - изменение длины волны (или частоты колебаний), воспринимаемой наблюдателем, при движении источника волн и наблюдателя относительно друг друга (прим. ред.).

** Теллурические линии - линии поглощения в спектрах космических источников излучения, возникающие при взаимодействии излучения с молекулами азота, кислорода, озона и воды в земной атмосфере (прим. ред.)

стр. 21

Графическое изображение парникового эффекта. Распределение энергии излучения по длинам волн для Солнца и Земли.

метные пространственные неоднородности на высоте 350 - 500 м. В самом нижнем слое (50 м), при неблагоприятной метеорологической ситуации они достигают 10% фонового значения. Хуже ситуация (до 15%) наблюдается при суточных и/или сезонных циклах серьезных антропогенных выбросов. Ну а для получения данных, характеризующих общую ситуацию в том или ином районе, нужно примерно месяц.

Авторы отметили также, что в качестве приемника излучения специалисты ГАИШ использовали сернисто-свинцовое фотосопротивление, охлаждаемое твердой углекислотой. Оценивали и влияние вариаций CO₂ на регистрируемую эквивалентную ширину спектральных линий, показывающую, какую долю солнечной энергии впитывают последние. Рассчитан и вклад вариации нижней толщи атмосферы (500 м) на основе ее средней модели: в приземном слое образуется лишь 9% полной эквивалентной ширины линии. С учетом максимально возможной (15% вариации) интенсивности антропогенных выбросов CO₂ неопределенность в оценках его содержания не превышает 1,5%, т. е. находится в пределах допустимых ошибок. Выходит, астрофизический метод позволяет осуществлять мониторинг в режиме реального времени, что делает его приемлемым при решении интересующих нас задач.

Теперь отечественные специалисты применяют солнечный телескоп башенного типа со спектрографом высокого разрешения. Благодаря этому получены точнейшие данные о спектрах атмосферы нашего светила с расстояния около 150 млн. км. Это само по себе крайне важно, к тому же такая установка как мощный прожектор просветит и всю толщу нашей атмосферы.

Представляют интерес и материалы статьи о сезонном содержании CO₂ в атмосфере, в частности, над Москвой. Речь идет о статистических данных за 1992 - 1995 гг. Подсчитано: в столице бывает около 35 солнечных дней, причем полностью безоблачных не более 10. А поскольку распределение ясных дней по месяцам в ней неодинаково, то в общем многолетнем ряду оказывались наблюдения, выполненные в ГАИШ в разные периоды года. В итоге доказано: концентрация CO₂ обычно снижается до минимума в конце лета и повышается к максимуму в зимние месяцы. Это связывают с сезонностью фотосинтеза растений и с ростом антропогенных выбросов углекислого газа с осени до весны из-за увеличения потребления топлива на обогрев помещений.

Приступая в 1991 г. к проведению регулярных наблюдений инфракрасных линий CO₂ по программе астрофизических исследований атмосферы над городом, специалисты ГАИШ просмотрели записи теллурических линий спектра из архива, сделанные в декабре 1969 г. Оказалось, за 22 года, разделяющих эти даты, концентрация углекислого газа в воздухе над столицей возросла примерно на 48%. В то же время планетарный его рост за период с 1973 по 1991 г., по результатам мониторинга американской лаборатории NOAA, составил всего 8%.

В 1998 - 1999 гг. в ГАИШ получены новые записи спектров линий молекулы CO₂. Как выяснилось, содержание углекислоты в воздушном бассейне Москвы продолжает расти. Последние наблюдения в 2003 и 2005 гг. окончательно подтвердили этот вывод. Приостановить рост содержания концентрации CO₂ над столицей, делают вывод ученые, - важнейшая задача дня. Пути ее решения известны: выведение из города многочисленных производств, использующих углеводородное топливо, а также дальнейшая экологизация автомобильного транспорта.

Хлыстов А., Сомов Б. Астрофизики изучают атмосферу Земли. - Земля и Вселенная, 2006, N 6

Материал подготовил Ярослав РЕНЬКАС

Публикатор:

Постоянная ссылка для научных работ (для цитирования):

Комментарии: