23 Мая 2018

Наука об Атмосфере

Опубликовал Н.А. Рыков

     Ученые, изучающие атмосферу, проводят фундаментальные исследования, используя всесторонний опыт наблюдений с нескольких точек зрения, чтобы лучше охарактеризовать атмосферу Земли и улучшить модели регионального и глобального климата, с целью уменьшить неопределенность в прогнозах будущих изменений.  К примеру, Калифорнийский Научный Университет обеспечивает научное лидерство в разработке, внедрении и эксплуатации экспериментов в области климата и атмосферы. 

Сквозные темы в атмосферных исследованиях включают:

  • Тропосферная химия - измерения дистанционного зондирования для изучения местного качества воздуха и воздействия переноса загрязнителей на большие расстояния, особенно из крупных городов и сжигания биомассы, на глобальную химию и климат.
  • Стратосферная химия - измерения дистанционного зондирования для улучшения понимания химического состава и динамики атмосферы Земли от верхней тропосферы до мезосферы, в том числе стратосферного озонового слоя и его связей с климатом
  • Аэрозоли и облака - передовые методы дистанционного зондирования аэрозолей и облаков, критические компоненты климатической системы.
  • Анализ спутниковых данных и алгоритмы поиска - извлечение геофизической информации из необработанных спутниковых наблюдений
  • Наземные и воздушные измерения атмосферного состава - международные полевые кампании в области науки и валидации измерений дистанционного зондирования, разработка и демонстрация новых измерительных возможностей и долгосрочные записи климатических данных
  • Лабораторная кинетика и спектроскопия - критические лабораторные измерения скоростей реакций и детали характеристик абсорбции газа, которые поддерживают широкий спектр видов деятельности в области науки о Земле и планетарной науке и астрофизике.
  • Формирование климата и обратная связь - космические и наземные измерения атмосферного CO2; анализ взаимодействия водяных паров, облаков и аэрозолей.
  • Повышение надежности прогнозов климатических моделей - теория, моделирование и использование данных спутникового дистанционного зондирования с множеством платформ для решения важнейших вопросов, связанных с моделированием регионального и глобального климата и уменьшением неопределенности в климатических моделях

Космическое дистанционное зондирование

      Ученые отвечают за обеспечение качества и анализ данных, собранных из различных инструментов космических аппаратов НАСА на Земле.  Они используют спутниковые наблюдения климатической системы для решения важнейших вопросов, связанных с моделированием регионального и глобального климата, пониманием климата, прогнозированием изменений климата, уменьшением неопределенностей в его моделях и разработкой новых стратегий системы наблюдений для измерения климатических воздействий, а также плохо охарактеризованных процессов для улучшения прогнозирования климата.

Тропосферная эмиссионная спектрометрия

     Работы, выполненные в этой области, сосредоточены на данных, полученных из эксперимента Тропосферного эмиссионного спектрометра (TES) на спутнике EOS-Aura.  TES - инфракрасный спектрометр преобразования Фурье, предназначенный для глобальных измерений тропосферного озона и его химических прекурсоров. 

     Виды загрязнения воздуха, которые измеряет TES, включают в себя озон и окись углерода, а также аммиак и метанол, муравьиную кислоту и пероксиацетилнитрат.  Глобальные измерения двуокиси углерода в тропосфере были получены из TES, а также мгновенного радиационного воздействия озона и глобальных метановых полей.  Измерения изотопа водяного пара, используются для изучения водного цикла и динамики атмосферы.

Микроволновая атмосферная наука

     Эксперименты с микроволновым контуром (MLS) измеряют естественное микроволновое тепловое излучение от края земной атмосферы для дистанционного зондирования вертикальных профилей большого набора атмосферных следовых газов из верхней тропосферы, через стратосферу и в мезосферу,  а также содержание влаги в воде и температуре.  Первый космический эксперимент MLS был проведен на исследовательских спутниках в верхних атмосферах (UARS), который был запущен в 1991 году для оценки угрозы хлора стратосферному озону.  Второй, EOS MLS, находится на спутнике Aura, запущенном 15 июля 2004 года. Общая цель этих экспериментов - предоставить информацию, которая поможет улучшить наше понимание атмосферы Земли и глобальных изменений. 

Конкретные научные цели Aura MLS заключаются в следующем:

  • Отслеживать, восстанавливается ли озоновый слой стратосферы, как ожидается.
  • Определить количественные аспекты того, как атмосферный состав влияет на климат.
  • Предоставлять информацию о загрязнении в верхней тропосфере

Аэрозоль и Наука об облаках

     Многоракурсный спектрорадиометр (MISR) на борту космического аппарата Terra собирает многоугольные изображения на видимых и ближайших инфракрасных волнах, позволяя ему измерять высоту облаков и дыма, пыли и вулканического пепла, извлекать векторы тропосферного ветра, и определяют численность и типы частиц в воздухе, известных как аэрозоли.  Девять камер MISR, наблюдая за Землей с девятью разными углами обзора, собирают глобальные данные с 2000 года.

     В настоящее время разрабатывается новое поколение спутникового инструмента, известного как Многоугольный спектрометрический тепловизор (MSPI).  Воздушный прототип, бортовой многоугольный спектрометрический тепловизор (AirMSPI), летает на борту экспериментального самолета НАСА ЭР-2 с 2010 года. Этот инструмент расширяет спектральный диапазон многоугольных наблюдений в ультрафиолет, а также измеряет  поляризации света, рассеянного аэрозолями и облаками.  Эти новые возможности дают дополнительную информацию о размерах и формах этих частиц в воздухе, что важно для определения их климатических и экологических воздействий.

Гидрологический цикл в атмосфере

     Работа в группе «Атмосферная физика и погода» сосредоточена на «влажной термодинамике» и водном цикле в атмосфере, измеренном зондами и связанными с ними датчиками, такими как Атмосферный инфракрасный эхолот (AIRS) и усовершенствованный Микроволновый зондирующий блок (AMSU), оба  работающих на спутнике Aqua.  К основным параметрам в этом исследовании относятся вертикальное распределение температуры водяного пара, температуры и высоты облаков, температуры поверхности моря.  Связанные наблюдения из Спектрометра визуализации с умеренным разрешением (MODIS), также в Aqua и CloudSat, используются для дополнения облачного изображения.  Группа также использует наблюдения из Глобальной миссии измерения осадков (GPM) и аналогичных датчиков для другого ключевого элемента цикла атмосферной воды.  Эти наблюдения используются для анализа и понимания атмосферных метеорологических и климатических процессов и оценки эффективности прогнозируемых моделей.  Они также используются для разработки приложений в таких областях, как «метеорологическая засуха», качество воздуха, связанное с температурными инверсиями, и авиационные опасности, связанные с очень холодными условиями и извержениями вулканов.  Последнее стало возможным благодаря тому, что инфракрасные зонды также обнаруживают следовые газы, такие как SO2, а также пыль и золу.

Наука об углеродном космическом цикле

        Орбитальная углеродная обсерватория (OCO) -2 - это первый специализированный спутник дистанционного зондирования Земли для исследования атмосферного углекислого газа из космоса.  Измеряя отраженный солнечный свет, OCO-2 собирает космические глобальные измерения атмосферного CO2 с точностью, разрешением и охватом, необходимым для характеристики его источников и поглотителей в региональных масштабах.  OCO-2 также может количественно определять изменчивость СО2 по сезонным циклам год за годом.  OCO-2 собирает миллион измерений высокого разрешения в день, и эти измерения объединяются с данными наземной сети, чтобы предоставить ученым информацию, необходимую им для лучшего понимания процессов, которые регулируют атмосферный CO2 и его роль в углеродном цикле.  Хотя ОКО-2, запущенная в июле 2014 года в качестве самостоятельной миссии, готовится использовать запасной инструмент ОКО-2 для создания миссии ОКО-3 на Международной космической станции (МКС).  OCO-3 планируется установить на МКС в конце 2018 года, чтобы продолжить дистанционные измерения CO2 с отраженным солнечным светом.

Суборбитальные измерения атмосферы

      Исследователи выполняют многие суборбитальные дистанционные и натурные измерения атмосферы и регулярно поддерживают полевые кампании.

Mark IV Интерферометр

      Команда интерферометра Mark IV использует интерферометр с интерферометрическим преобразованием Фурье для измерения атмосферы с использованием Солнца в качестве источника.  Интерферометр может быть развернут в стратосферной баллонной гондоле, на самолете или на земле для измерения более 30 различных атмосферных газов одновременно.

Инструмент субмиллиметрового ограничителя (SLS)

      Субмиллиметровый лучевой эхолот (SLS) измеряет спектрально разрешенную тепловую эмиссию из атмосферы Земли для определения профилей численности нескольких следовых газов, включая BrO, HO2, O3, HCl и ClO.  SLS - это пассивный приемник, оснащенный микшером криогенного сверхпроводника-диэлектрика-сверхпроводника (SIS) и ультрасовременным цифровым спектрометром с широкой полосой пропускания (3 ГГц) и с высоким спектральным разрешением (375 МГц).

CARVE

      Эксперимент по уязвимости углерода в арктических водоемах (CARVE) представляет собой исследование NASA Earth Ventures (EV-1), предназначенное для количественной оценки корреляций между переменными состояния атмосферы и поверхности для Аляскинских наземных экосистем за счет интенсивных сезонных кампаний воздушных судов, наземных наблюдений и анализа за пятилетнюю миссию.  CARVE преодолевает критические пробелы в наших знаниях и понимании арктических экосистем, связей между арктическими гидрологическими и наземными углеродными циклами и обратной связью с пожарами и оттаиванием вечной мерзлоты.  Задачи CARVE заключаются в следующем:

  1. Проверить гипотезы, связанные с мобилизацией уязвимых арктических углеродных резервуаров на потепление климата.
  2. Провести первые прямые измерения и подробные карты источников CO2 и CH4 в региональных масштабах в Аляскинской Арктике.
  3. Продемонстрировать новые возможности дистанционного зондирования и моделирования для количественной оценки обратной связи между углеродными потоками и процессами климатического цикла в Арктике

      Команда CARVE совершила 32 вылета и более 200 часов научного полета в 2012 году. Эти рейсы выявили улучшения концентрации метана в региональном масштабе более 200 млрд. бар, покрывающие более 10 000 км2 на Северном склоне Аляски,  а также ежемесячное поведение двуокиси углерода и метана в Аляскинской Арктике.

Лидар

      Лидар (обнаружение, идентификация и определение дальности с помощью света) - это активный метод дистанционного зондирования, который использует свойства рассеивания света на атмосферных молекулах и частицах. Lidar используется для измерения профилей высокого разрешения стратосферного озона и аэрозолей (15-50 км), тропосферного озона (3-25 км), температуры (15-90 км) и водяного пара  (3-20 км).  Четыре лидара группы, развернутые в Обсерватории Мауна-Лоа, HI (MLO), работают в течение трех десятилетий и вносят вклад в долгосрочные записи международной сети обнаружения изменения состава атмосферы (NDACC).  Тропосферный озоновый лидар также обеспечивает измерения для новой сети тропосферных озоноразрушающих веществ в США (TOLNet), и ожидается, что лидар водяного пара внесет вклад во Всемирную сеть мониторинга климата метеорологической организации GRUAN.  В рамках деятельности сетей в MLO было проведено несколько крупных проверочных кампаний, таких как MOHAVE-2009.  В дополнение к предоставлению долгосрочных временных рядов лидарные инструменты обеспечивают справочные наблюдения для проверки спутниковых и бортовых измерений, таких как MLS и TES на борту Aura, а в последнее время OMPS на борту НПП.

Радиозонды, Озоновые зонды, и Гидрометрические зонды с морозостойкостью

      Радиозонды Vaisala RS92 с постоянным давлением и температурой (PTU) систематически запускаются с 2005 года в поддержку калибровки лидара водяного пара , предоставляя сотни профилей температуры и влажности в нижней и средней тропосфере.  Регулярно запускаются озоновые зонды электрохимической ячейки (ECC) для проверки спутниковых и воздушных измерений и для сопоставления профиля с лидарными измерениями.  Гидррометрические зонды (CFH и NOAA-FPH) также запускаются во время кампаний для проверки лидарных измерений в верхней тропосфере / нижней стратосфере.

 Лабораторные исследования и моделирование

 Лабораторные исследования

      Лабораторные работы включают использование современных экспериментальных методов для измерения кинетических, фотохимических и спектроскопических параметров, связанных с элементарными атмосферными процессами.  Коэффициенты, сечения и квантовые выходы измеряются с использованием таких методов, как лазерный фотолиз, разрядный поток и стационарный фотолиз в сочетании с высокочувствительными методами детектирования, такими как молекулярно-лучевая масс-спектрометрия, поглощение УФ-видимого-НИР с длинной траекторией, лазерная спектроскопия диодов и лазерно-индуцированная флуоресценция. 

      Особое значение имеют процессы, которые играют важную роль в истощении озонового слоя, долгосрочных тенденциях в стратосферном озоне на средних широтах, окислительном потенциале тропосферы и образовании окислителей в городских и региональных условиях.  Количественная спектроскопия является еще одним ключевым направлением программы лабораторных исследований.  Группа молекулярной спектроскопии проводит измерения молекул из микроволны через ультрафиолетовые спектральные области для измерения спектральных параметров с чрезвычайно высокой точностью.  Приборы дистанционного зондирования НАСА требуют этих параметров для измерения состава и структуры атмосферы, важных для исследований Земли и планет, науки и астрофизики.

Моделирование

     В этой области компьютерные модели атмосферных процессов разрабатываются и используются для интерпретации данных из спутниковых и полевых измерений, в качестве прогностических инструментов, которые помогают понять изменения климата и его состава в долгосрочной перспективе, а также для диагностики элементарных процессов в атмосферном транспорте и химии. 

      Для тропосферных исследований, учёные используют трехмерные модели переноса химических веществ, которые включают информацию о ветрах, полученных из моделей погоды.  В сочетании с подробными кадастрами выбросов следовых газов эти модели были использованы для изучения переноса загрязнения на большие расстояния, определения влияния сжигания биомассы на глобальное качество воздуха и получения бюджетов производства и потери следовых газов и оценки их  зависимости от природных и антропогенных источников.  Многие из этих исследований используют глобальные измерения следовых газов из космоса для ограничения модельных расчетов.  Эти модели также используются в исследованиях спутниковой валидации, где они обеспечивают платформу для сравнения наземных, воздушных и спутниковых измерений.  В усилиях по изучению стратосферного моделирования используются многие из тех же инструментов и методов для понимания динамических и химических процессов, которые приводят к истощению озонового слоя в стратосфере, а также для изучения бюджетов озона и других следовых газов в важном переходном регионе между тропосферой и стратосферой. 

      В региональных и облачно-разрешительных масштабах была использована полностью связанная модель аэрозольной химии и метеорологии (WRF-Chem) для моделирования эмиссии, переноса, смешивания и химической трансформации следовых газов и взаимодействий аэрозольных облаков.  Как прямые, так и косвенные эффекты аэрозолей включены в модель и, как показано, оказывают значительное влияние на облака и осадки.  Результаты модели тесно сопоставляются со спутниковыми наблюдениями, а исследователи ищут пути создания основы для применения спутниковых данных для оценки и улучшения параметризации модели.