Какие явления связаны с различными атмосферными процессами: Тесты для педагогов по всем школьным предметам с ответами

Тесты для педагогов по всем школьным предметам с ответами



Внешнее и внутреннее строение корня

Тестовые задания с ответами составлены в соответствии с обязательным минимумом содержания образования. Тест может быть использован для закрепления и проверки знаний учащихся.



Музыкальная деятельность

Тест может использоваться как для проверки уровня усвоения материала в рамках занятий в музыкальной школы, так и для для расширения кругозора.



Десятичные дроби

Простой тест по математике для учащихся 5 класса из 10 вопросов. Данный тест поможет проверить свои навыки и умения выполнять тестовые задания, проверить знания учащихся по темам «Десятичная запись дробных чисел», «Сравнение десятичных дробей», «Сложение и вычитание десятичных дробей».


Семя. Внешнее и внутреннее строение

Тестовые задания с ответами составлены для закрепления и проверки знаний учащихся, в соответствии с обязательным минимумом содержания образования для основной школы.


Лишайники

Тестовые задания с ответами для закрепления и проверки знаний учащихся








Орган осязания, обоняния, вкуса

Тестовые задания составлены в соответствии с обязательным минимумом содержания образования для основной школы. Тест может быть использован для закрепления и проверки знаний учащихся, а также для самостоятельной работы при подготовке к контрольным и зачётам.


Орган слуха, равновесия

Предполагаемые тесты помогут учащимся развить навыки выполнения тестовых заданий различного типа. Тесты могут быть использованы для закрепления и проверки знаний учащихся, а также для самостоятельной работы при подготовке к контрольным и зачётам.



Выращивание огурца в открытом грунте

Тест предназначен для закрепления и/или проверки знаний по предмету «Профильный труд. Сельскохозяйственный труд» в 8 классе специальных (коррекционных) образовательных учреждений VIII вида


Посадка смородины

Тест предназначен для закрепления и/или проверки знаний по предмету «Профильный труд.

Сельскохозяйственный труд» в 8 классе специальных (коррекционных) образовательных учреждений VIII вида

Метеорологические природные явления — ОБЖ: Основы безопасности жизнедеятельности

Эти процессы и явления связаны с различными атмосферными процес­сами, и прежде всего с процессами, происходящими в нижнем слое атмо­сферы — тропосфере. В тропосфере находится около 9/10 всей массы воз­духа. Под влиянием солнечного тепла, поступающего на земную поверх­ность, и силы земного притяжения в тропосфере образуются облака, дождь, снег, ветер.

Воздух в тропосфере перемещается в горизонтальном и вертикальном направлениях. Сильно нагретый воздух вблизи экватора расширяется, ста­новится легче и поднимается вверх. Происходит восходящее движение воз­духа. По этой причине у поверхности Земли вблизи экватора образуется по­яс низкого атмосферного давления. У полюсов из-за низких температур воздух охлаждается, становится более тяжёлым и опускается вниз. Проис­ходит нисходящее движение воздуха.

По этой причине у поверхности Зем­ли вблизи полюсов давление высокое.

В верхней тропосфере, наоборот, над экватором, где преобладают вос­ходящие потоки воздуха, давление высокое, а над полюсами — низкое. Воздух всё время движется из области повышенного давления в область пониженного давления. Поэтому поднявшийся над экватором воздух расте­кается к полюсам. Но вследствие вращения Земли вокруг своей оси движу­щийся воздух не доходит до полюсов. Охлаждаясь, он становится тяжелее и опускается примерно у 30е северной и южной широт, образуя в обоих полушариях области высокого давления.

Большие объёмы воздуха тропосферы, обладающие однородными свой­ствами, называются воздушными массами. Свойства воздушных масс зависят от тех территорий, над которы­ми они сформировались. Перемещаясь, воздушные массы долго сохраняют свои свойства, а встречаясь, взаимодействуют между собой. Перемещение воздушных масс и их взаимодействие определяют погоду в тех местах, ку­да эти воздушные массы приходят. Взаимодействие различных воздушных масс приводит к образованию в тропосфере движущихся атмосферных вих­рей — циклонов и антициклонов.

Циклон — это плоский восходящий вихрь с низким атмосферным дав­лением в центре. Поперечник циклона может составлять несколько тысяч ки­лометров. Погода при циклоне преобладает пасмурная, с сильными ветрами.

Антициклон — это плоский нисходящий вихрь с высоким атмосферным давлением с максимумом в центре. В области высокого давления воздух не поднимается, а опускается. Воздушная спираль раскручивается в северном полушарии по часовой стрелке. Погода при антициклоне малооблачная, без осадков, ветер слабый.

С движением воздушных масс, с их взаимодействием связано появление опасных метеорологических явлений, которые могут стать причиной стихий­ных бедствий. Это тайфуны и ураганы, бури, снежные бури, смерчи, грозы, засуха, сильные морозы и туманы.

ЧС метеорологического характера. Защита населения.

С самого начала развития цивилизации планете угрожают ЧС геологического, метеорологического, гидрологического характера. При этом они наносят зачастую значительный ущерб. Величина вреда зависит от интенсивности катастроф, условий жизнедеятельности общества, уровня его развития. Рассмотрим далее основные ЧС метеорологического характера. Актуальность вопроса. В последнее время участились ЧС геологического, метеорологического, гидрологического и биологического характера. Так, например, активизируются вулканы на Камчатке, растет число землетрясений на Северном Кавказе, в Забайкалье, на Сахалине и Курильских островах. Увеличивается и разрушительная сила катастроф. В последнее время практически регулярными стали наводнения, оползни, смерчи, бури, ураганы, снежные заносы, прочие ЧС метеорологического и агрометеорологического характера. Несомненно, сегодня человечество не такое беспомощное, как ранее. Одни катастрофы можно успешно предсказывать, другим – эффективно противостоять. Но любые ответные действия на природные процессы требуют глубокого знания причин и характеров проявления.

Закономерности. Метеорологические ЧС природного характера имеют ряд общих черт: Каждому виду катастроф свойственна конкретная пространственная привязка.

Чем выше мощность (интенсивность) феномена, тем реже он возникает. Каждому явлению предшествуют определенные признаки. При всей внезапности возникновение катастрофы можно предсказать. Практически всегда можно предусмотреть активные или пассивные мероприятия, направленные на защиту от опасности.

Причины ЧС метеорологического характера: примеры. Катастрофы могут обуславливаться разными факторами. Среди наиболее распространенных можно назвать: Ветер, в том числе смерч, бурю, ураган. ЧС метеорологического характера возникают при скорости воздушных потоков от 25 м/с и больше. Сильный дождь – количество осадков от 50 мм и больше в течение 12 ч. Крупный град — диаметр частиц от 20 мм. Сильный снегопад – количество осадков от 20 мм за 12 ч. Пыльные бури. Сильные метели со скоростью ветра от 15 м/с и выше. Заморозки – при снижении температуры на поверхности почвы в вегетационный период ниже 0 град. Сильная жара. Шквалистые ветры, дожди, заморозки и могут вызвать серьезные повреждения объектов жизнеобеспечения, угрожать жизни населения.

Метеорологические ЧС природного характера могут вызывать катастрофические последствия, когда: Происходят на территории региона (области, края, республики, округа). Охватывают несколько районов. Длятся не меньше 6 часов. Движение воздуха Атмосфера планеты неоднородна и по температуре, и по составу. Разница температур обеспечивает общую циркуляцию воздуха. Она, в свою очередь, оказывает влияние на климатические условия на планете. Движение воздуха называется ветром. Его сила оценивается в соответствии со шкалой Бофорта в баллах (от 0 до 12). Движение воздуха обуславливается наличием антициклонов и циклонов. Ветер всегда направляется из зоны высокого давления в область низкого. В поперечнике циклон может достигать нескольких тысяч км. В Северном полушарии направление ветра против, а в Южном – по часовой стрелке.

Ураганы. Они отличаются высокой скоростью. Она может достигать 12 баллов. Над Тихим океаном возникают тропические ураганы – тайфуны. Они считаются самыми мощными ЧС метеорологического характера. Ураганы могут иметь различный размер. Как правило, за ширину принимается зона разрушений. Зачастую к ней прибавляют область штормовых ветров небольшой силы. В таких случаях ширина урагана может достигать даже 1 тыс. км. Полоса разрушений тайфуна, как правило, составляет 15-45 км. Продолжительность ураганов в среднем 9-12 дней. Мощность разрушений обуславливается наличием колоссальной энергии в эпицентре. Ее количество, выделяемое в течение 1 часа сопоставимо с силой ядерного взрыва 36 гигатонн. Зачастую вместе с ураганами возникают и другие ЧС метеорологического характера. В частности, явления сопровождаются ливневыми дождями, вызывающими оползни и сели.

Бури. Они бывают потоковыми и вихревыми. Последние представлены в виде сложных образований, возникновение которых связано с циклонической деятельностью. Они распространяются на достаточно большую площадь. Потоковые бури – местные явления. Они охватывают небольшую площадь. Потоковые бури резко обособлены, своеобразны и уступают вихревым. Они могут быть струевыми и стоковыми. В последнем случае воздух перемещается сверху вниз. В струевых бурях потоки движутся горизонтально и вверх. Как правило, они проходят между горными цепями, соединяющими долины. К ЧС метеорологического характера относятся также пыльные бури. Они вызывают удушье, могут переносить опасных паразитов, причиняют значительный ущерб технике. Как правило, такие явления возникают в пустынях, при неустойчивой погоде, в зоне атмосферных фронтов. Шквальные бури обычно начинаются внезапно. При этом они отличаются непродолжительным характером (до нескольких минут).

Смерч. Как правило, он возникает в теплом участке циклона и движется с ним при скорости 10-20 м/с. Длина пути смерча может составлять от 1 до 60-ти км. В верхней его части образуется воронкообразное расширение, которое сливается с облаками. В некоторых случаях увеличивается нижняя часть. Такое происходит, когда смерч снижается до земли. Высота его может составлять 800-1500 м. В смерче воздух вращается и одновременно движется вверх по спирали, затягивая в себя воду и пыль.

Скорость такого потока может составлять 330 м/с. Внутри вихря происходит снижение давления. В результате начинается конденсация пара. Видимым смерч становится из-за воды и пыли. Над морем его диаметр может достигать десятков, а над сушей – сотен метров. Вместе со смерчем нередко возникают грозы, град, дождь. Если потоки достигают земли, всегда разрушаются объекты, находящиеся на ней. Смерч затягивает все предметы, которые встречаются на пути, поднимает их и несет на большие расстояния. Такие ЧС метеорологического характера прогнозировать очень сложно.

Ливень. Он представляет собой интенсивные осадки. Особенно опасны ливни, скорость которых 0.15-0.20 мм/минуту. Они наносят ущерб зерновым культурам, вызывая их полегание. Продолжительные ливни являются причиной паводков. Кроме этого, они вызывают опасные склоновые процессы (разжижение грунта, обвалы, сели). Снегопад. Он затрудняет движение транспорта, существенно снижает видимость. За 12 часов может выпасть 20 мм и больше. Сильные снегопады с заносами полностью парализуют транспортное движение, вызывают повреждения в линиях электропередач, зданиях (из-за высокого давления слоя).

При этом нередки метели – перенос снега ветром. Чем ниже их интенсивность, тем они продолжительнее.

Заморозки. В период вегетации значительное снижение температуры приводит к гибели посевов. В северных районах заморозки – частое явление. Экстремально низкое понижение температуры характерны для Камчатки, Чукотки, Якутии, Магаданской области. Величина ущерба будет зависеть не столько от уровня отклонения от нормальных показателей t, сколько от приспособленности местного населения и хозяйственного комплекса к таким явлениям.

Жара. В летний период частым является экстремальное повышение температуры. Жара может стоять на протяжении одной или нескольких недель. Режим ЧС объявляют при достижении температуры отметки в 35 град. Жара увеличивает риск пожаров, обмеления рек, повреждает сельскохозяйственные культуры. Во многих случаях она приводит к сбоям в работе транспорта. Часто жара вызывает засуху. На обширной территории продолжительное время сохраняется высокая температура в сочетании с отсутствием осадков. Если такая ситуация сохраняется в течение как минимум месяца, то нарушается водный баланс растений, что приводит к их повреждению и гибели.

Правила поведения при ЧС метеорологического характера. Существуют различные рекомендации о том, как нужно себя вести при возникновении катастроф. Любому человеку нужно знать, что делать при ЧС метеорологического характера, поскольку от этого может зависеть не только его жизнь, но и близких. Элементарные рекомендации даются еще в школе. На уроках ОБЖ преподаватель рассказывает о ЧС и правилах поведения при их возникновении.

Мероприятия при грозе. Молния несет опасность тогда, когда за вспышкой следует громовой раскат. В таких ситуациях необходимо срочно предпринимать меры безопасности. При нахождении в доме необходимо закрыть окна, дымоходы, двери, вентиляционные отверстия. Не следует топить печь, так как газы, которые будут выходить из трубы, отличаются низким сопротивлением. При ударах молнии нельзя подходить к проводке, водостокам, молниеотводу. Не рекомендуется находиться рядом с окном. Желательно выключить электробытовые приборы. При нахождении в лесу во время грозы следует выбрать низкорослый участок. Опасно укрываться у высоких деревьев. С возвышений лучше спуститься в низину. При нахождении на открытом пространстве (в поле, степи) не следует ложиться на землю. Нужно выбрать углубление и сесть, обхватив руками ноги.

Меры при урагане, смерче, буре. При нахождении в здании нужно отойти от окон и занять безопасное место в коридоре, у стен, встроенных шкафов, под столом и пр. Предварительно необходимо выключить свет, закрыть краны на газовом оборудовании, погасить огонь в печи. В темное время следует использовать лампы, свечи, фонари. Если ураган застал на улице, необходимо стараться держаться дальше от легких конструкций, мостов, ЛЭП, эстакад, озер, рек, мачт, деревьев, промышленных объектов. Чтобы защититься от летящих обломков, можно использовать листы фанеры, ящики, доски и прочие подручные материалы. Необходимо как можно быстрее укрыться в подвале, противорадиационном укрытии, погребе и пр. Не следует заходить в поврежденные здания, поскольку высок риск их обрушения. При пыльной буре необходимо закрыть лицо повязкой, куском ткани, платком. При нахождении на открытой местности следует найти дорожный кювет, яму, ров, любое другое углубление и залечь в него, прижавшись плотно к земле. Голову необходимо закрыть одеждой или ветками. В автомобиле в такой ситуации оставаться опасно.

Мероприятия при метели. Выходить из зданий можно только в исключительных случаях. Передвигаться в автомобиле можно только по крупным магистралям. При выходе из транспортного средства не следует удаляться от него за пределы зоны видимости. МЧС предупреждает, что во время стихий учащается количество краж и прочих преступлений. В этой связи, необходимо проявлять осторожность при общении с незнакомцами. Заключение. Рассматривая природные ЧС, необходимо отметить значение антропогенного влияния на их возникновение. Деятельность человека нередко нарушает равновесие в экосистемах. Это, в свою очередь, обуславливает увеличение интенсивности и периодичности ЧС. Воздействию катастрофы может подвергаться любая территория земли. Между ЧС всегда существует связь. Наиболее явно она проявляется при землетрясениях и цунами. За циклонами в тропиках почти всегда следуют наводнения. При землетрясениях нередко возникают пожары, прорывы плотин и пр. При планировании защитных мероприятий необходимо максимально снизить размеры вторичных последствий. Посредством соответствующей подготовки их можно и вовсе исключить. Для успешного предотвращения и ликвидации ЧС необходимо изучать их причины и механизмы. Предсказать возникновение того или иного явления можно, зная его физическую сущность. Защита от природных катастроф метеорологического, геологического, гидрологического и иного характера может быть активной. В этом случае осуществляется строительство инженерно-технических конструкций и сооружений, мобилизация ресурсов, реконструкция объектов и пр. Защита может быть и пассивной. В этом случае население использует укрытия. Как правило, пассивный и активный методы защиты сочетаются.

«ОАЭ являются лидером по разработкам, связанным с воздействием на атмосферные процессы»

На островах арабского архипелага «Мир» будет разная погода. Девелоперы начали застройку кластера «Сердце Европы», который заморозили еще в 2008-м. На насыпных островах эмирата Дубай появятся Австрия, Италия, Франция. Будут использованы не только архитектурные традиции европейских стран, но и учтены климатические изменения в разных регионах. Клиентам обещают искусственный снег, солнце или дождь. Подробности –– у Аэлиты Курмуковой.

Кластер «Сердце Европы» архипелага «Мир» девелоперы обещают сдать к 2016 году и построить за это время шесть островов. В списке — Германия, Франция, Швеция, Испания, Монако, Швейцария. Включены и дополнительные направления — Бельгия и даже два российских города — Сочи и Санкт-Петербург. Kleindienst Group планирует не только выстроить итальянские виллы, знаменитый стокгольмский рынок, разбить ландшафтные сады, но и внедрить климатические установки.

На дубайском архипелаге обещают снег и дожди в зависимости от региона. Как удалось выяснить «Коммерсантъ FM», погодные установки появятся в закрытых помещениях. Кстати, Арабские Эмираты являются лидером по разработкам, связанным с активным воздействием на атмосферные процессы, причем в гражданском применении. А вот у американцев все засекречено. Погодная установка HAARP на Аляске находится на балансе Пентагона, хотя официально якобы предназначена для изучения Полярного сияния.

Некоторые эксперты говорят, что такие установки могут негативно влиять на атмосферу. Аномальную жару в Москве в 2010 году некоторые ученые связали с результатами экспериментов в Арабских Эмиратах. Там в это время работали погодные установки, сообщил в интервью «РЕН ТВ» кандидат технических наук Анатолий Стехин.

«У нас стояла жара, у нас были пожары, а в это время установка в Арабских Эмиратах активно работала. Они позиционируют, что создали 52 дождя — на каждый дождь требуются как минимум сутки. То есть создается впечатление, что установка работала практически все лето. Если посмотреть синоптические карты того периода, то северная конечность африканского континента вся была в дождях», — рассказал он.

Подобные испытания проводились еще в Советском Союзе. Еще тогда появилась погодная установка «Сура» в Нижегородской области. Позже появились разговоры о создании в России зон безрискового земледелия, когда с помощью таких установок в засушливых регионах можно вызывать дожди. В 2000-х появился термин «метеорологическое оружие и метеовойны». Американский метеоролог Скот Стивенс обвинил Россию в том, что ураган «Катрина» был искусственно создан российскими военными с помощью секретных установок. При этом российские эксперты говорят, что глобального воздействия на погоду такие установки пока не оказывают. Речь идет о локальных способах смягчения, но не изменения климата, сообщил заведующий кафедрой экономической и социальной географии России географического факультета МГУ им. Ломоносова Вячеслав Бабурин.

«Глобальные потепления, как и борьба с разрушением озонового экрана, — это очень крупный бизнес, за которым стоят крупные экономические интересы. Полно всяких спекуляций на эту тему, но пока никакого влияния они оказывать не могут. Что будет в будущем, когда вместо нескольких тысяч ветроустановок будут стоять миллионы, отгораживаемые от циклонов, идущих с Атлантического океана, сказать сложно», — заметил он.

Тестированием подобных установок в России занимаются не только НИИ, но и частный бизнес, но исключительно при взаимодействии с госорганами и учеными. Теоретики неохотно верят в эффективность практического применения таких устройств. Но не использовать такие установки было бы неправильно, считает гендиректор Innovate Group, член «Клуба лидеров» Ян Березин.

«Бизнес-история — это не совсем то направление, где можно это дело применять. Стоит рассматривать это как некую помощь государству в формировании нужной атмосферной ситуации в определенном регионе либо в снижении негативных последствий от отрицательной ситуации, которая уже сформировалась. Для того чтобы это работало со стопроцентной ситуацией, нужны большие средства, большие вложения. Поэтому применение этого для каких-либо локальных бизнес-ситуаций, будь то день рожденья или свадьба чья-то, разговор ни о чем», — сообщил он.

Хотя предложения от бизнесменов поступали, например, разогнать тучи в день рождения. Крупные игроки не готовы даже за большие деньги заниматься такими вопросами и делают ставку на глобальные проекты. Погодные установки тестируются в ряде регионов, где искусственно идет дождь или светит солнце. Причем, население об этом даже не подозревает. Погода может поменяться уже через час после включения климатических установок. И бизнесмены, которые занимаются инновационными проектами, готовы сами доплачивать регионам, чтобы протестировать и зафиксировать результат воздействия таких установок на атмосферные процессы.


Географический факультет

Метеороло́гия (от греч. μετέωρος, metéōros, атмосферные и небесные явления и -λογία, -логия) — наука о строении и свойствах земной атмосферы и совершающихся в ней физических процессах. Во многих странах метеорологию называют физикой атмосферы, что в большей степени соответствует её сегодняшнему значению.

Основные объекты исследования

  • физические, химические процессы в атмосфере
  • состав атмосферы
  • строение атмосферы
  • тепловой режим атмосферы
  • влагообмен в атмосфере
  • общая циркуляция атмосферы
  • электрические поля
  • оптические и акустические явления
  • циклоны
  • антициклоны
  • ветра
  • фронты
  • климат
  • погода
  • облака

 

История науки

 

Первые исследования в области Метеорологии относятся к античному времени (Аристотель). Развитие Метеорологии ускорилось с 1-й половины 17 в., когда итальянские учёные Г. Галилей и Э. Торричелли разработали первые метеорологические приборы — барометр и термометр.

В 17—18 вв. были сделаны первые шаги в изучении закономерностей атмосферных процессов. Из работ этого времени следует выделить метеорологические исследования М. В. Ломоносова и Б. Франклина, которые уделяли особое внимание изучению атмосферного электричества. В этот же период были изобретены и усовершенствованы приборы для измерения скорости ветра, количества выпадающих осадков, влажности воздуха и др. метеорологических величин. Это позволило начать систематические наблюдения за состоянием атмосферы при помощи приборов, сначала в отдельных пунктах, а в дальнейшем (с конца 18 в.) на сети метеорологических станций. Мировая сеть метеорологических станций, проводящих наземные наблюдения на основной части поверхности материков, сложилась в середине 19 в.

Наблюдения за состоянием атмосферы на различных высотах были начаты в горах, а вскоре после изобретения аэростата (конец 18 в.) — в свободной атмосфере. С конца 19 в. для наблюдения за метеорологическими величинами на различных высотах широко используются шары-пилоты и шары-зонды с самопишущими приборами. В 1930 советский учёный П. А. Молчанов изобрёл радиозонд — прибор, передающий сведения о состоянии свободной атмосферы по радио. В дальнейшем наблюдения при помощи радиозондов стали основным методом исследования атмосферы на сети аэрологических станций. В середине 20 в. сложилась мировая актинометрическая сеть, на станциях которой производятся наблюдения за солнечной радиацией и её преобразованиями на земной поверхности; были разработаны методы наблюдений за содержанием озона в атмосфере, за элементами атмосферного электричества, за химическим составом атмосферного воздуха и др. Параллельно с расширением метеорологических наблюдений развивалась климатология, основанная на статистическом обобщении материалов наблюдений. Большой вклад в построение основ климатологии внёс А. И. Воейков, изучавший ряд атмосферных явлений: общую циркуляцию атмосферы, влагооборот, снежный покров и др.

В 19 в. получили развитие эмпирические исследования атмосферной циркуляции с целью обоснования методов прогнозов погоды. Работы У. Ферреля в США и Г. Гельмгольца в Германии положили начало исследованиям в области динамики атмосферных движений, которые были продолжены в начале 20 в. норвежским учёным В. Бьеркнесом и его учениками. Дальнейший прогресс динамической Метеорологии ознаменовался созданием первого метода численного гидродинамического прогноза погоды, разработанного советским учёным И. А. Кибелем, и последующим быстрым развитием этого метода.

В середине 20 в. большое развитие получили методы динамической Метеорологии в изучении общей циркуляции атмосферы. С их помощью американские метеорологи Дж. Смагоринский и С. Манабе построили мировые карты температуры воздуха, осадков и др. метеорологических величин. Аналогичные исследования ведутся во многих странах, они тесно связаны с Международной программой исследования глобальных атмосферных процессов (ПИГАП). Значительное внимание в современной Метеорологии уделяется изучению физических процессов в приземном слое воздуха. В 20—30-х гг. эти исследования были начаты Р. Гейгером (Германия) и др. учёными с целью изучения микроклимата; в дальнейшем они привели к созданию нового раздела Метеорологии — физики пограничного слоя воздуха. Большое место занимают исследования изменений климата, в особенности изучение всё более заметного влияния деятельности человека на климат.

Метеорология в России достигла высокого уровня уже в 19 в. В 1849 в Петербурге была основана Главная физическая (ныне геофизическая) обсерватория — одно из первых в мире научных метеорологических учреждений. Г. И. Вильд, руководивший обсерваторией на протяжении многих лет во 2-й половине 19 в., создал в России образцовую систему метеорологических наблюдений и службу погоды. Он был одним из основателей Международной метеорологической организации (1871) и председателем международной комиссии по проведению 1-го Международного полярного года (1882—83). За годы Советской власти был создан ряд новых научных метеорологических учреждений, к числу которых относятся Гидрометцентр СССР (ранее Центральный институт прогнозов), Центральная аэрологическая обсерватория, институт физики атмосферы АН СССР и др.

Основоположником современной школы динамической Метерологии был А. А. Фридман. В его исследованиях, а также в более поздних работах Н. Е. Кочина, П. Я. Кочиной, Е. Н. Блиновой, Г. И. Марчука, А. М. Обухова, А. С. Монина, М. И. Юдина и др. были исследованы закономерности атмосферных движений различных масштабов, предложены первые модели теории климата, разработана теория атмосферной турбулентности. Закономерностям радиационных процессов в атмосфере были посвящены работы К. Я. Кондратьева.

В работах А. А. Каминского, Е. С. Рубинштейн, Б. П. Алисова, О. А. Дроздова и др. советских климатологов был детально изучен климат нашей страны и исследованы атмосферные процессы, определяющие климатические условия. В исследованиях, выполненных в Главной геофизической обсерватории, изучался тепловой баланс земного шара и были подготовлены атласы, содержащие мировые карты составляющих баланса. Работы в области синоптической Метеорологии (В. А. Бугаев, С. П. Хромов, А.С.Зверев и др.) способствовали значительному повышению уровня успешности метеорологических прогнозов. В исследованиях агрометеорологов (Г. Т. Селянинов, Ф. Ф. Давитая и др.) дано обоснование оптимального размещения с.-х. культур на территории нашей страны.

Существенные результаты получены в Советском Союзе в работах по активным воздействиям на атмосферные процессы. Опыты воздействий на облака и осадки, начатые В. Н. Оболенским, получили широкое развитие в послевоенные годы. В результате исследований, проведённых под руководством Е. К. Фёдорова, была создана первая система, позволяющая ослаблять градобитие на большой территории.

 

Метеорология сегодня

 

Характерной чертой современной Метеорологии является применение в ней новейших достижений физики и техники. Так, для наблюдений за состоянием атмосферы используются метеорологические спутники, позволяющие получать информацию о многих метеорологических величинах для всего земного шара. Для наземных наблюдений за облаками и осадками пользуются радиолокационными методами. Всё возрастающее применение находит автоматизация метеорологических наблюдений и обработки их данных. В исследованиях по теоретической Метеорологии широко используются ЭВМ, применение которых имело громадное значение для разработки и усовершенствования численных методов прогнозов погоды. Расширяется использование количественных физических методов исследования в таких областях Метеорологии, как климатология, агрометеорология, биометеорология человека, где ранее они почти не применялись.

Наиболее тесно Метеорология связана с океанологией и гидрологией суши. Эти три науки изучают различные звенья одних и тех же процессов теплообмена и влагообмена, развивающихся в географической оболочке Земли. Связь Метеорологии с геологией и геохимией основана на общих задачах этих наук в исследованиях эволюции атмосферы и изменений климатов Земли в геологическом прошлом. В современной Метеорологии широко используются методы теоретической механики, а также материалы и методы многих др. физических, химических и технических дисциплин.

Одна из главных задач Метеорологии — прогноз погоды на различные сроки. Краткосрочные прогнозы особенно необходимы для обеспечения работы авиации; долгосрочные — имеют большое значение для сельского хозяйства. Т. к. метеорологические факторы оказывают существенное влияние на многие стороны хозяйственной деятельности, для обеспечения запросов народного хозяйства необходимы материалы о климатическом режиме. Быстро возрастает практическое значение активных воздействий на атмосферные процессы, в том числе воздействий на облачность и осадки, защиты растений от заморозков и др.

Научными и практическими работами в области Метеорологии руководит Гидрометеорологическая служба СССР, созданная в 1929.

Деятельность метеорологических служб различных стран объединяет Всемирная метеорологическая организация и др. международные метеорологические организации. Международные научные совещания по различным проблемам Метеорологии проводит также Ассоциация метеорологии и физики атмосферы, входящая в состав Геодезического и геофизического союза. Наиболее крупными совещаниями по Метеорологии в РФ являлись Всесоюзные метеорологические съезды. Метеорологические съезды проводятся в России с 1900 года. Последний по времени проведения съезд проводился в СССР в 1971 году. 6-й Всероссийский метеорологический съезд призван стать самым масштабным в новой российской истории событием в области гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды, и он состоялся 14-16 октября 2009 г. Россия, Санкт-Петербург.

Работы, выполняемые в области Метеорологии, публикуются в метеорологических журналах.

 

Наиболее важные исторические даты:

 

  • конец XVII в. (при Петре I) — начались постоянные наблюдения за погодой.
  • 1715 г. — первый в России водомерный пост, по приказу Петра I на Неве у Петропавловской крепости.
  • 10 апреля 1722 по указу Петра Великого в Санкт-Петербурге начались систематические наблюдения за погодой. Записи вёл вице-адмирал Корнелиус Крюйс. Первое время записи были довольно скупы на интересную информацию и выглядели примерно так: «Апрель, 22, воскресенье. Поутру ветер норд-вест; вода також стоит, как выше упомянуто. Пасмурно и студено… в полдни ветр малый норд-вест и дождь после полудня. Тихо и красный день до самого вечера». Позднее наблюдения приняли более научный характер.
  • В 1724 году была образована первая в России метеорологическая станция, а с декабря 1725 года при Академии наук стали проводиться наблюдения при помощи барометра и термометра.
  • 30-е годы XVIII в. — создана сеть из 20 метеостанций («Великая северная экспедиция»).
  • 1 апреля 1849 г. — в Петербурге учреждена «Главная физическая обсерватория» (ГФО). (Ныне «Главная геофизическая обсерватория» им. А. И. Воейкова (ГГО)).
  • 70-е годы XIX в. — массовое развитие сети пунктов гидрологических наблюдений на крупных реках и озёрах.
  • 1 января 1872 г. — ГФО приступила к созданию ежедневных синоптических карт Европы и Сибири и к выпуску метеорологического бюллетеня (дату принято считать днём рождения службы погоды в России).
  • 1892 г. — начал выходить «Метеорологический ежемесячник».
  • 21 июня 1921 г. — В. И. Ленин подписал декрет «Об организации метеорологической службы в РСФСР».
  • Август 1929 г. — постановление СНК СССР об организации единой Гидрометеорологической службы. Создатель и руководитель — А. Ф. Вангенгейм, председатель Гидрометеорологического комитета при СНК СССР.
  • 1 января 1930 г. — начало работу «Центральное бюро погоды».

 

Где работают метеорологи

 

  • Органы Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (отделы прогноза погоды, климатологии, сельскохозяйственной метеорологии).
  • Прогностические подразделениях гражданской и военной авиации.
  • Региональные центры сбора, контроля и анализа информации о состоянии воздушной среды.
  • Сеть метеорологических, аэрологических и актинометрических станций.
  • Научно-исследовательские учреждения, изучающие закономерности климата и разрабатывающие прогнозы климатических изменений.

 

Чем занимаются метеорологи

 

Значительная часть метеорологов занимается прогнозом погоды. Они работают в правительственных и военных организациях и частных компаниях, обеспечивающих прогнозами авиацию, мореплавание, сельское хозяйство, строительство, а также передают их по радио и телевидению.

Другие специалисты проводят наблюдения за уровнем загрязнения, оказывают консультации, преподают или занимаются научно-исследовательской работой. При метеорологических наблюдениях, прогнозе погоды и научных изысканиях все бóльшее значение приобретает электронное оборудование.

Профессиональная практическая деятельность заключается в:

  • научно-исследовательской: участие в разработке физико-математических моделей общей циркуляции атмосферы и климата, включая взаимодействие атмосферы и океана, в их сопоставлении с наблюдениями, анализе чувствительности к различным природным факторам; изучению физических и химических процессов, протекающих в атмосфере и при ее взаимодействии с земной поверхностью и биосферой; осуществление географического и физического анализа атмосферных процессов и явлений, их классификации, установлению эмпирических зависимостей и закономерностей; исследование переноса, трансформации и выведению промышленных и других загрязнений, выбрасываемых в атмосферу;
  • оперативно-производственной: оценка влияния метеорологических факторов на состояние окружающей среды и разработка рекомендаций по их рациональному учету целях охраны природы; метеорологическому обоснованию проектируемых сооружений аэропортов, размещения строительства и др. ; участие в экологической экспертизе проектов;
  • проектно-производственной: организация и проведение специальных метеорологических наблюдений; проведение оперативных прогнозов погоды различной заблаговременности и сбору необходимой информации; оценка влияния сложившихся и ожидаемых метеорологических условий на сельское хозяйство, рыболовство и производственную деятельность всех видов транспорта;
  • педагогической (при условии освоения педагогической программы обучения): преподавание метеорологических дисциплин в вузах и средних специальных учебных заведениях; учебно-вспомогательная работа в вузах.

Метеоролог, освоивший основную образовательную программу высшего профессионального образования может продолжить свое образование в аспирантуре по специальностям «Метеорология, климатология и агрометеорология», «Геоэкология», и другим смежным специальностям, а также в магистратуре по направлению «Гидрометеорология».

 

Чем интересна работа метеорологов

 

Погода непрерывно меняется, ее изменения подчинены сложным законам, не до конца еще познанным людьми. Какой бы спокойной ни была она, в любой момент от нее, можно ждать неожиданностей. Метеорологу, особенно синоптику, никогда не приходится иметь дело с одной и той же ситуацией, с одной и той же погодой: разнообразие метеорологических условий в природе так велико, что двух одинаковых карт погоды еще никому не приходилось видеть. Анализ любой ситуации, отражаемой картой погоды любого дня,— всегда новая, не встречавшаяся ранее задача. Воистину с погодой не соскучишься!

Заслуживает быть отмеченной и еще одна привлекательная особенность работы метеоролога: у него есть коллеги практически в любой точке земного шара. Можно отметить удивительную легкость общения между никогда раньше не видевшими друг друга коллегами-метеорологами, где бы они не встречались — в таежной деревушке в Восточной Сибири или на перевалах Гиссарского хребта в Средней Азии, в заповеднике Западного Кавказа или в селениях Алазанской долины, в Грузии, в румынском порту Констанца, в болгарских городах в долине Дуная, в сербских и венгерских селениях, на американских научных станциях в Антарктике, в тропической Австралии в субтропической Новой Зеландии, в бразильских джунглях, аргентинской саванне, в Швейцарских Альпах и на Французской Юре. ..

Нельзя сбрасывать со счетов и сознание важности труда метеоролога, результаты которого нужны всем отраслям народного хозяйства. Постоянный интерес всеx слоев населения страны к метеорологической информации делает работу метеорологов интересной вдвойне.

Профессия метеоролога относится к числу относительно редких, не массовых и в какой-то мере романтических профессий: метеорологи — непременные участники самых различных экспедиций, они зимуют на полярных станциях, работают в малонаселенных районах, на высокогорных плато и перевалах, на борту океанических кораблей, на аэродромах, летают на самолетах и аэростатах и т. д., и т. п. Все это так, действительно метеорологи вездесущи, им приходится бывать в таких местах, куда люди других профессий не могут надеяться попасть ни при каких обстоятельствах. Но все же не это является главной отличительной чертой работы метеоролога, которая далеко не всегда так романтична, как это может показаться с первого взгляда, и практически всегда требует пунктуальности, упорства и настойчивости в выполнении будничных, повседневных обязанностей. Основное требование к работе метеоролога любой квалификации — объективность. Объективность при выполнении наблюдений, значительная часть которых производится визуально и результаты которых документируются только одним метеонаблюдателем и не могут быть ни проверены, ни исправлены, если будет допущена неточность или ошибка. Объективность при обработке результатов наблюдений, точность их записи цифрами международного кода, делающая их доступными всему миру. Объективность анализа всей суммы данных наблюдений, сведение к минимуму субъективности в их оценке — в этом залог успешности всех видов обеспечения потребителей метеорологической информацией, в том числе и успешности составляемых на основе этого анализа прогнозов погоды… Вторая особенность работы метеоролога — постоянное внимание к объекту наблюдений, изучения и анализа, невозможность отвлечься, хотя бы на время заняться другим делом. Метеоролог за работой — часовой погоды, он на вахте которую нельзя оставить ни на минуту. Он обязан следить за всеми изменениями погоды, сколь бы незначительными они ни были, фиксировать все эти изменения и Считывать. Метеоролог следит за небом постоянно, даже не находясь на работе. Где бы он ни находился и что бы ни стало он мысленно оценивает все происходящее в атмосфере на его глазах. Вместе с тем не существует профессии, в большей степени интернациональной, чем профессия метеоролога. Сама идея выполнения наблюдений за погодой, сбора, обработки и распространения метеорологической информации предусматривает международное сотрудничество, без которого она неосуществима. В самом деле: явления погоды развиваются над земной поверхностью, не считаясь с государственными границами; обмен метеорологической информацией необходим в масштабах всего земного шара, и он возможен только при наличии общедоступного всем метеоспециалистам международного языка, каким являются цифровые метеорологические коды и стандартные символы; результаты наблюдений за погодой и всех метеорологических измерений должны быть сравнимы и сопоставимы между собой, что требует единой для всего мира системы мер, единой методики производства наблюдений, стандартизации приборов, соблюдения точности и сроков измерений метеорологических величин. Метеорологи — люди со специальным образованием. Среди них есть метеонаблюдатели, операторы метеорологических радиолокаторов, техники, инженеры и научные работники. В метеорологической службе вместе с метеорологами работают люди и других специальностей — радиотехники, связисты, механики, телеметристы, электронщики, программисты и операторы ЭВМ и многие другие. Без их помощи нельзя себе представить работу метеорологов, стоящих сегодня на страже погоды.

 

Разделы метеорологии

 

Основной раздел Метеорологии — физика атмосферы, исследующая физические явления и процессы в атмосфере.

Химические процессы в атмосфере изучаются химией атмосферы — новым, быстро развивающимся разделом Метеорологии.

Изучение атмосферных процессов теоретическими методами гидроаэромеханики — задача динамической метеорологии, одной из важных проблем которой является разработка численных методов прогнозов погоды.

Другими разделами Метеорологии являются: наука о погоде и методах её предсказания — синоптическая метеорология и наука о климатах Земли — климатология, обособившаяся в самостоятельную дисциплину. В этих дисциплинах пользуются как физическими, так и географическими методами исследования, однако в последнее время физические направления в них стали ведущими. Влияние атмосферных факторов на биологические процессы изучается биометеорологией, включающей сельско-хозяйственную метеорологию и биометеорологию человека.

В состав физики атмосферы входят: физика приземного слоя воздуха, изучающая процессы в нижних слоях атмосферы; аэрология, посвященная процессам в свободной атмосфере, где влияние земной поверхности менее существенно; физика верхних слоев атмосферы, рассматривающая атмосферу на высотах в сотни км, где плотность атмосферных газов очень мала. Изучением физики и химии верхних слоев атмосферы занимается аэрономия. К физике атмосферы относятся также актинометрия, изучающая солнечную радиацию в атмосфере и её преобразования, атмосферная оптика — наука об оптических явлениях в атмосфере, атмосферное электричество и атмосферная акустика.

 

Специальность и профиль «Метеорология» в ИГУ

 

Сегодня уже никого не надо убеждать в том, что качественное высшее образование — залог успешного, обеспеченного будущего. Оно необходимо каждому человеку в современном мире, чтобы добиться успеха и реализовать себя. Иркутский Государственный Университет (ИГУ) дает возможность получить полноценное высшее образование гидрометеорологического профиля, соответствующее мировым нормам и стандартам.

Существует три основные специальности, по которым готовят кадры метеорологов: собственно метеорологическая, климатологическая и агрометеорологическая. Внутри метеорологической специальности есть несколько специализаций: синоптика, аэрология, морская метеорология авиационная метеорология, радиометеорология, метеорологическое приборостроение и предвычисление погоды (решение задач прогнозирования численными методами с помощью ЭВМ). Синоптики занимаются составлением прогнозов погоды, аэрологи — изучением состояния атмосферы на высотах, морские метеорологи — обеспечением метеорологической информацией морского транспорта, а авиационные метеорологи — воздушного транспорта. Радиометеорологи разрабатывают вопросы использования различных радиотехнических средств для исследования атмосферы. В последние годы наметилась тенденция к развитию еще одной специализации — спутниковой метеорологии, что диктуется непрерывно возрастающей потребностью использования информации метеорологических спутников для нужд народного хозяйства.

При подготовке специалистов-метеорологов на кафедре метеорологии и охраны атмосферы изучаются как самые передовые технологии анализа метеорологической информации, так и методики, проверенные временем. К первым можно отнести моделирование климатических процессов, предсказание погоды с использованием нейросетей, ко вторым — обычный статистический анализ, но уже с привлечением современного программного обеспечения и компьютерного оборудования.

На начальных стадиях студенты получают основные сведения из статистики и приобретают навыки работы на персональных компьютерах. Дальнейшее обучение строится на углублении полученных данных и обучению другим навыкам. Так, для статистического анализа численных рядов, каковыми являются ряды измерений метеорологических характеристик, используются пакеты фирмы StatSoft STATISTICA и фирмы Goldern SoftWare Grapher. Первый обладает возможностями для наиболее полного анализа числовых рядов с применением большинства известных статистических подходов, а второй — представляет эти ряды в виде графика так, что становятся ясными тенденции поведения той или иной метеорологической характеристики.

На старших курсах студентов обучают технологиям, внедряемым в современные службы погоды. К таким относятся, в первую очередь, геоинформационные системы (ГИС). На основе данных, получаемых дважды в сутки из Мировых центров данных в Москве и Вашингтоне, студенты строят и обрабатывают метеорологические карты. На этих картах проводятся изотермы, изобары, атмосферные фронты. Строятся прогностические карты различной заблаговременности и многое другое.

Перспективные направления – палеоклиматология (древние климаты Земли), биометеорология (воздействие климатических условий на живые организмы, циклы солнечной активности Чижевского), медицинская климатология (жизнь и хозяйственная деятельность людей в разных климатических поясах Земли), прогноз погоды на основе спутниковой метеорологии, военная метеорология (разработка так называемого климатического оружия), планетарная метеорология (изучение атмосфер Венеры, Марса, Юпитера, Сатурна и их спутников), проблемы глобального потепления и озоновых дыр на Земле, компьютерное моделирование метеорологических и климатических процессов.

Специалистам нужно хорошо знать физику, математику и информатику, поэтому на кафедре метеорологии и охране атмосферы физике и математике уделяют внимание не меньшее, нежели собственно географии!

Назовите стихийные бедствия, связанные с процессами в атмосфере, литосфере, гидросфере.

Из стихийных бедствий мне пришлось наблюдать ураган, наводнение, вызванное разливом реки, и небольшое землетрясение. Находясь в районе Сочи, как-то я видела вдалеке небольшой смерч. Разновидностей стихийных бедствий много, но все их можно классифицировать в зависимости от среды, в которой они возникают.

Стихийные бедствия, связанные с процессами в атмосфере

Это явления природы, которые возникают из-за движения атмосферного воздуха. К ним относятся:

  • ураган — это очень сильный ветер. Он опасен тем, что может сорвать и понести в любом направлении элементы крыши, рекламные щиты, ветки деревьев и другие предметы. Иногда ураган отрывает от земли людей и животных. Во время этого стихийного бедствия нужно оставаться дома и держаться подальше от окон. Ураган на море называется штормом. Он вызывает сильное волнение водной поверхности;
  • смерч — это атмосферный вихрь в виде воронки, который образуется в облаке и, кружась, спускается на землю. Разрушительная сила смерча бывает еще больше, чем у урагана, поэтому прятаться от него желательно в подземном убежище или очень крепком здании;
  • удар молнии — это сильнейший электрический разряд, попадание которого в человека часто бывает смертельным. Поэтому во время грозы лучше находиться дома и не пользоваться электроприборами.

Стихийные бедствия, связанные с процессами в литосфере

К ним относят:

  • землетрясение — это толчок, возникающий при сдвиге литосферных плит. При нем необходимо выбежать на открытое место или встать в проем двери;
  • Цунами — гигантская волна, возникшая из-за землетрясения под морем. Спастись от цунами очень сложно, лучшее убежище — верхний этаж крепкого здания;
  • извержение вулкана — это выброс на поверхность земли раскалённой лавы. При угрозе извержения все жители прилегающих районов срочно эвакуируются.

Стихийные бедствия, связанные с процессами в гидросфере

Это различные наводнения. Под наводнением понимают затопление водой участка суши. Причиной наводнений бывают ливневые дожди и быстрое таяние льда в верховьях реки. Спастись от наводнения можно, забравшись на любую возвышенность.

Земная атмосфера – уникальный и очень сложный организм

Игорь Иванович Мохов, академик РАН, научный руководитель Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН

Игорь Иванович Мохов, академик РАН, научный руководитель Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, заведующий кафедрой физики атмосферы физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова

 

– Игорь Иванович, мы находимся в знаменитом Институте физики атмосферы, которому уже 63 года. Вы были его директором, сейчас – научный руководитель. Скажите, пожалуйста, несколько слов об истории института. Когда он возник, в связи с чем, какие были поставлены задачи.

– Институт был образован в 1956 году. В это время Геофизический институт АН СССР (ГЕОФИАН), первым директором которого был О.Ю. Шмидт, разделился на три – Институт физики Земли, Институт физики атмосферы (ИФА) и Институт прикладной геофизики. Первым директором ИФА до 1989 года был будущий академик Александр Михайлович Обухов.

Чем институт знаменит? В первую очередь — это исследования турбулентности атмосферы. А.М. Обухов был учеником А.Н. Колмогорова, автором и соавтором классических законов турбулентности. Под его руководством Институт стал признанным мировым лидером в исследованиях атмосферной турбулентности и других направлениях физики атмосферы. При этом, наряду с теоретическими, широким фронтом проводились экспериментальные исследования, включая экспедиционные и лабораторные.

Диапазон исследований, проводимых ИФА, достаточно широк: изучение динамики атмосферы как теоретическими методами, так и с помощью лабораторного моделирования; развитие новых дистанционных методов определения параметров атмосферы; изучение атмосферной оптики и акустики; исследование верхних слоев атмосферы, малых примесей и т.д.

С самого начала, когда наш институт был организован, ключевой задачей было применение для исследования природных процессов физико-математических методов. Сейчас ИФА – один из ведущих научных центров в мире в области наук об атмосфере.

А почему исследования турбулентности так важны?

– Это важно с разных точек зрения. Слово это латинского происхождения, означает беспорядочный, бурный. Исследования атмосферной турбулентности имеют и фундаментальное, и прикладное значение. Мы все сталкиваемся с турбулентными процессами регулярно. Достаточно вспомнить объявления в самолете о вхождении в зону турбулентности, когда самолет начинает трясти. Модельные оценки свидетельствуют, что при изменениях климата следует ожидать изменения риска так называемой турбулентности ясного неба. Проявляются различные атмосферные неустойчивости, струйные течения, вихревые и волновые особенности разных масштабов и интенсивности. Вообще земная атмосфера – очень сложный организм, законы которого требуют разносторонних исследований.

– Вы сказали – организм. Выходит, вы относитесь к ней как к живому существу?

– Наверное, да. Здесь можно провести аналогию с климатом. Мы знаем, что нормальная температура тела –36,6 градусов Цельсия. Чуть повысили – всего на полградуса, а тем более на градус, и человек чувствует себя некомфортно, а то и плохо. Казалось бы, в последние десятилетия температурные глобальные изменения были сравнительно небольшими – в пределах градуса, но это уже ощущается, особенно в экстремальных явлениях.

– Какие сейчас ключевые направления деятельности Института?

– Одно из важных направлений в Институте – исследование состава атмосферы и проблема загрязнения, анализ разных атмосферных примесей, в том числе в условиях мегаполиса. Речь идет как о локальных и региональных исследованиях, так и об исследованиях в масштабах всей страны и на глобальном уровне. Серия уникальных экспедиционных исследований выполнена с использованием легендарного вагона-лаборатории, который курсировал между Москвой и Дальним Востоком, от Сочи до Мурманска, исследуя содержание в атмосфере десятков различных примесей. На основе полученных данных было выяснено, каким образом загрязнена атмосфера российских регионов разными примесями вдоль трансконтинентального пути, как проявляются шлейфы городов.

В проводимых исследованиях выделяются три ключевых направления, в соответствии с которыми выстроена структура Института. Это отдел динамики атмосферы, который возглавляет академик РАН Георгий Сергеевич Голицын – он был директором ИФА в 1990-2008 годах, отдел состава атмосферы, который возглавляет член-корреспондент РАН Николай Филиппович Еланский, и отдел исследований климатических процессов, который возглавляю я. Соответственно, в этих отделах есть по три подразделения-лаборатории, которые занимаются более конкретной тематикой в рамках соответствующих направлений. Сотрудники ИФА работают в Москве и на трех институтских научных станциях – Звенигородской в Подмосковье, Кисловодской высокогорной научной станции и Цимлянской. 

Давайте поговорим подробнее о деятельности конкретных лабораторий, имеющих наиболее актуальную направленность.

– Все более актуальными становятся исследования примесей в атмосфере. Это связано с экологическими и климатическими проблемами. Атмосферные примеси разного происхождения влияют на здоровье населения. Большая роль отводится парниковым газам, что связано с климатическими изменениями. Измерения содержания а атмосфере метана и угарного газа на Звенигородской станции ИФА – в числе самых продолжительных в мире, начиная с 1970-х годов. В конце 1970-х годов начаты измерения атмосферных примесей на Северном Кавказе. В рамках экспедиций содержание газовых и аэрозольных примесей исследуется в атмосфере от полярных до пустынных регионов.

Какие регионы оказываются наиболее проблемными?

– Тут сложно сказать интегрально. Проблемы связаны не только с загрязнением атмосферы. Важнейшая мировая проблема 21 века – проблема доступности питьевой воды. Конечно, необходимо улучшение экологической ситуации в целом ряде промышленных регионов. С другой стороны, в последние годы при общем потеплении увеличивается риск массовых лесных пожаров в экологически благополучных таежных регионах без крупных промышленных объектов. При современном климате леса к востоку от Байкала обладают повышенной пожароопасностью, а при дальнейшем увеличении региональной температуры следует ожидать ещё более опасную ситуацию. Кроме того, в связи с естественными процессами есть повышенный риск в некоторых регионах погодно-климатических аномалий с формированием в весенне-летние месяцы засух и пожаров, как, например, летом 2010 года. Необходим разносторонний анализ региональных социально-экономических и экологических рисков. Разные экологические процессы с применением физико-математических методов анализируются и в ИФА. Используются модели разного уровня, в том числе для лесных и тундровых экосистем, конкретные модели для разных регионов. Получены интересные оценки для потенциала наших экосистем, как они могут эволюционировать при изменении климата.

Давайте остановимся подробнее на том научном направлении, которым вы занимаетесь. Что здесь есть важного и интересного?

– Круг моих научных интересов довольно широк, включая различные  задачи в области физики атмосферы, диагностики климатических изменений и их моделирования. Климатические изменения и их последствия – одна из ключевых глобальных проблем 21 века. Климатические исследования включают и анализ данных, и глобальное и региональное моделирование. С этим связаны не только фундаментальные задачи, но и прикладные – в связи с этим принимаются экономические и политические решения. Я являюсь координатором программы Президиума РАН “Изменения климата: причины, риски, последствия, проблемы адаптации и регулирования”.

Наша страна северная, и скорости климатических изменений в российских регионах сильнейшие. В России в целом в последние десятилетия теплеет у поверхности примерно в два с половиной раза быстрее, чем глобально. При этом у нас и изменчивость больше. Изменения средних климатических режимов не очень ощущаются, существенно более заметно и значимо проявляются изменения в статистике экстремальных региональных погодно-климатических аномалий. При этом надо понимать, что с глобальным потеплением могут быть связаны противоположные региональные аномалии. Экстремальная жара с пожарами на европейской территории России летом 2010 года сопровождалась отрицательными температурными аномалиями с осадками в сопредельных регионах — в Западной Сибири и восточно-европейских странах. Это связано со стационированием в атмосфере так называемых волн Россби.

В последние годы мы наблюдаем экстремальные изменения, аномалии, которые проявляются весной. Например, в 2017 году было аномально тепло в марте на всей территории России, а в 2018 – наоборот, было весьма прохладно.

– Это не случайность?

– Подобные аномалии ожидаемы в связи с региональными особенностями климата и их изменениями. У нас страна снежная, а снег характеризуется высоким коэффициентом отражения солнечной радиации. С этим связаны сильные вариации радиационного режима, а соответственно и температурного. При климатических изменениях с вариациями снежного покрова связана сильная региональная климатическая изменчивость. Это один из механизмов. Другой механизм, который способствует региональной климатической изменчивости, связан с вихреволновой активностью в атмосфере, в частности со стационированием волн Россби, или комплексов антициклонов и циклонов в средних широтах. Согласно модельным оценкам при потеплении климата можно ожидать, что роль такой изменчивости может возрасти. Например, в начале 21 века проявились экстремально холодные зимы. Казалось бы, это противоречит глобальному потеплению. Однако наши модельные оценки еще в 1990-х годах показали, что при общем потеплении из-за роста содержания СО2 в атмосфере возрастает роль атмосферных блокирований (с которыми связаны экстремальные зимние морозы и летняя жара), особенно зимой над континентами. При этом следует отметить, что существует достаточно большая неопределенность в моделировании и предсказуемости сложных процессов формирования региональных климатических аномалий, связанных с атмосферными блокированиями. При необходимости адекватного учета влияния разных региональных и глобальных воздействий не всегда можно адекватно выделить ключевые.

– Почему?

– Потому что земная климатическая система, включающая атмосферу, океан, деятельный слой суши, биосферу, криосферу, очень сложна. Климатические изменения – результат сложного взаимодействия различных подсистем с разными характерными временами, с проявлением квазициклических процессов и климатических сдвигов — переходов между разными режимами. Для описания поведения земной системы с резкими сдвигами — переходами между разными климатическими режимами было введено понятие почти-интранзитивности. В том числе проявляются разные глобальные и региональные квазициклические процессы с периодами в несколько лет и несколько десятилетий. Этот год, например, у нас тоже особенный.

– Чем же он отличается от остальных?

– Сейчас год Эль-Ниньо. Эль-Ниньо – это явления, которые характеризуются положительными температурными аномалиями в тропиках Тихого океана. Существенно, что с этими, казалось бы, региональными явлениями связаны сильнейшие межгодовые вариации глобальной температуры у поверхности. В годы, когда проявляется Эль-Ниньо, обычно отмечается повышенная температура у поверхности нашей планеты. В противоположной фазе, Ла-Нинья, – температура у поверхности Земли обычно понижена. С этой точки зрения можно ожидать, что этот год будет более теплым, чем предыдущий.

– Вот как? Так к чему готовиться?

– В соответствии с долговременной статистикой следует ожидать, что 2019 год будет глобально теплым – теплее, чем 2018 год. Кстати, 2010 год, когда у нас летом на европейской территории была жара и пожары, также начался в фазе Эль-Ниньо, а закончился он в противоположной фазе Ла-Нинья. По статистике подобные годы характеризуются повышенным риском экстремально высокой температуры и засух в средних широтах европейской части России в весенне-летние месяцы. И летом 2010 года реализовался наименее благоприятный режим. Для 2019 года по модельным оценкам формирование к концу года фазы Ла-Нинья маловероятно, т.е. риск экстремально жаркого лета с засухой для европейской части России мал. При этом наиболее вероятно продолжение до конца года фазы Эль-Ниньо. В этом случае велик риск экстремально жаркого засушливого лета в средних широтах в азиатской части России, как в 2015 году. Это сказалось и на уровне Байкала.

Какие еще интересные исследования проводятся у вас в отделе?

– Важное значение имеют результаты анализа ключевых причинно-следственных связей в земной климатической системе на основе современных данных, палеореконструкций, и модельных расчетов с аналитическими оценками.

Особое значение имеют исследования  верхних слоев атмосферы. Сейчас отмечается глобальное потепление, но это потепление только у поверхности и в тропосфере (до высот не более 17 км). А выше – в стратосфере и мезосфере температура понижается. Эту тенденцию можно объяснить увеличением содержания в атмосфере парниковых газов. Согласно самым продолжительным (с конца 1950-х годов) в мире измерениям на уровне мезопаузы (около 90 км) на Звенигородской научной станции ИФА скорость понижения температуры в последние десятилетия была значительно больше скорости потепления у поверхности. Это имеет важнейшее значение для диагностики механизмов современных изменений климата.

Целый ряд значимых оценок изменений климата и риска формирования климатических аномалий получен для российских регионов, для Арктики. Сделаны, например, количественные оценки перспектив Северного морского пути при возможных изменениях климата в 21 веке с использованием численных расчетов с ансамблем современных климатических моделей. Согласно полученным модельным оценкам, транзит из Западной Европы в Юго-Восточную Азию Северным морским путем может стать  к концу 21 века экономически более перспективным, чем через Суэцкий канал, даже в зимние месяцы.

В числе других климатических аномалий в российских регионах мы анализировали причины формирования рекордного амурского наводнения 2013 года с оценкой риска возможного повторения подобных катастрофических событий. Это рекордное наводнение произошло в результате уникального сочетания целого ряда различных эффектов. Первопричиной, как и во время летней жары 2010 года на европейской территории России, послужило атмосферное блокирование над Тихим океаном. Существенно, что это произошло в сезон  восточно-азиатского муссона. При этом  температура Тихого океана в его западной части в средних широтах Северного полушария летом этого года была рекордной. Это связано с соответствующей фазой Тихоокеанской десятилетней осцилляции. Кроме того, сказалось влияние повышенного снегозапаса, накопленного за зиму в бассейне Амура. Это  не противоречит общему потеплению, так как увеличение влагоемкости атмосферы при потеплении способствует общему увеличению интенсивности и количества зимних осадков в регионе. Зимние осадки – это снег, и пока температуры отрицательные, снегозапас растет.

Уникален регион озера Байкал. В последние годы отмечалось понижение его уровня. С использованием данных наблюдений и модельных расчетов мы анализируем, в какой степени это связано с естественными процессами, в том числе с циклическими процессами, и в какой – с антропогенными факторами. Для региона Байкала при продолжении общего потепления возрастает риск лесных пожаров, особенно при уменьшении количества осадков в теплые сезоны.

При изменениях климата меняется стратификация атмосферы, при этом меняются условия генерации циклонов и антициклонов, режим облаков. В последние десятилетия, например, в связи с общим потеплением усиливаются конвективные процессы в атмосфере, с ростом роли конвективных облаков, в том числе грозовых. При сильном прогреве поверхностных слоев моря возможно развитие режима супер-конвекции с экстремальными осадками, как произошло в причерноморском Крымске в 2012 г. С увеличением влагоемкости атмосферы при потеплении увеличивается вероятность экстремально сильных осадков. Возрастает риск формирования в российских регионах атмосферных смерчей.

Можно ли подобные процессы предсказывать, чтобы избежать каких-то катастрофических последствий?

– Современные модели демонстрируют колоссальный прогресс. Кстати, когда мы анализировали режим засухи с пожарами на европейской территории России летом 2010 года с использованием модельных расчетов, то для одного из модельных прогонов было выявлено, что именно в 2010 году было получено столь экстремально длительное блокирование около двух месяцев. Это свидетельствует о потенциале современных моделей.

Но, тем не менее, система настолько сложная, что всегда остается неопределенность. Стопроцентный климатический прогноз невозможен в принципе. Можно привести пример с аттрактором Лоренца. Эдвард Лоренц – метеоролог с математическим образованием – предложил простейшую модель конвекции в атмосфере – систему трех нелинейных уравнений, для которой выявлена сложнейшая динамика и практическая непредсказуемость траекторий. Это свидетельствует о том, что даже для простейших атмосферных моделей, не говоря уже о реальной земной системе, динамика исключительно сложна и непредсказуема.

– Ураганы, циклоны, массивные пожары и наводнения – это же не просто природные явления, а бедствия, в результате которых страдают люди. Наверное, надо искать какие-то пути решения этих проблем.

–  В 1987 году был предложен Монреальский международный протокол к Венской конвенции об охране озонового слоя 1985 года – с целью защиты озонового слоя. В 1992 году была принята Рамочная конвенция ООН об изменении климата, на основе и в развитие которой в 1998 году был сформулирован Киотский протокол с целью сокращения выбросов в атмосферу парниковых газов. Ключевую роль в его инициализации сыграла ратификация протокола Россией в 2004 году. Действие Киотского протокола (2008-2012 гг.) – первая международная попытка ограничения выбросов в атмосферу парниковых газов с целью предотвращения глобального потепления. Это имело важное политическое значение, но климатический эффект предложенных протоколом ограничений эмиссий парниковых газов был слабым – на уровне современной климатической изменчивости. В дальнейшем был целый ряд неудачных попыток организовать новое международное соглашение. В 2009 году была принята Климатическая доктрина Российской Федерации, в дальнейшем был принят Комплексный план реализации Климатической доктрины Российской Федерации до 2020 года.  

В 2015 году было принято Парижское соглашение, в соответствии с которым каждое государство должно вносить свой вклад в ограничение эмиссии парниковых газов, чтобы сдержать глобальное потепление. Россия подписала Парижское соглашение, но пока не ратифицировала. В настоящее время в России уточняется Национальный план адаптации к климатическим изменениям.

Важно, чтобы человечество было способно к позитивным решениям на глобальном уровне и на уровне каждой страны. Хотя, даже если мы сейчас прекратим все эмиссии, потепление в нашей инерционной климатической системе продолжится, хотя и медленнее. Помните, как у Булгакова? Аннушка уже разлила масло.

– Ничего нельзя изменить?

– Можно снизить темпы этого роста. От человечества зависит многое.

– Как вы думаете, человечество когда-нибудь научится управлять климатом?

– Варианты управления климатом еще в 1970-е годы предлагал российский ученый Михаил Иванович Будыко. Предлагалось искусственно распылять аэрозоль в стратосфере с охлаждающим эффектом для земного климата по аналогии с действием вулканических извержений.

– Частицы серы? Ведь этот метод потом пропагандировал академик Израэль.

– Да, Юрий Антониевич Израэль, а также нобелевский лауреат Пауль Крутцен основывались на идее, предложенной ранее М.И. Будыко. Подобный эффект проявляется в случае “ядерной зимы”. Следует отметить серьезнейшие противопоказания, в том числе экологические, для использования такого метода борьбы с потеплением. Мы в свое время оценивали с глобальной климатической моделью ИФА РАН последствия подобного геоинжиниринга. Получили, что если начинать процедуру корректировки климата, то необходимо это постоянно поддерживать. В случае прекращения последствия могут быть хуже, чем в случае бездействия.

– Иначе говоря, на данном этапе развития человечество совсем не готово к таким вмешательствам.

– Наше вмешательство уже сейчас такое активное, что может привести к последствиям, которые мы даже не прогнозируем. И наша задача – не усиливать своё вмешательство, а минимизировать его. Надо очень осторожно относиться к нашему хрупкому и пока единственному дому.

– Во многих академических институтах говорят о том, что надо быть бережными, что мир вокруг нас чрезвычайно хрупок и уязвим. По отношению к атмосфере мы тоже можем так сказать? Её можно разрушить?

– Важно понимать, что воздействия на земные экосистемы приводят к необратимым изменениям. В настоящее время уже отмечается сокращение биоразнообразия. Рэй Бредбери в своем научно-фантастическом рассказе “И грянул гром” приводит пример, к каким непредсказуемым последствиям может привести гибель одной бабочки. Загрязнение атмосферы чревато серьезными проблемами для здоровья, и можно догадываться, как это может сказаться через поколения.

– Наука об атмосфере радует нас какими-то новыми открытиями или всё уже известно?

– Известно, конечно, далеко не всё. Например, в последние годы было обнаружено новое геофизическое явление – кратеры на Ямале. Там много небольших озер, происхождение которых может объяснить этот феномен. Мы предложили модельное объяснение, с чем может быть связано формирование таких кратеров, которые быстро превращаются в озера – в течение двух лет. Это связано с тем, что Ямал – это регион с вечной мерзлотой, которая быстро тает. Наше объяснение образования этих кратеров связано с деградацией метангидратов. Это кластеры изо льда и метана, которые могут деградировать при потеплении, и метан при этом может прорываться наружу. Однако метангидраты обычно образуются при определённом температурном режиме и при повышенном давлении – обычно на глубине в две-три сотни метров. А кратеры на Ямале сравнительно неглубокие. Метангидраты неглубокого залегания могли образоваться 90 тысяч лет назад, когда здесь был ледовый щит. Ледовый щит отступил, а метангидраты неглубокого залегания сохранились под сравнительно нетолстым слоем вечной мерзлоты. При нынешнем потеплении крышка из слоя деградирующей вечной мерзлоты перестает удерживать разлагающиеся метангидраты, что приводит к прорыву газа в атмосферу.

Возникает вопрос, почему метангидраты неглубокого залегания на Ямале и в сопредельных регионах не прорвались в оптимуме голоцена около 6 тысяч лет назад, когда согласно разным реконструкциям было теплее? Проявление этих кратеров может быть индикатором, что мы уже достигли (или даже превысили), по крайней мере на региональном уровне, потепления оптимума голоцена.

А как вы думаете, антропогенный фактор может стать могильщиком уникального объекта – планеты Земля, которая его породила?

– На этот вопрос трудно ответить однозначно. Глобальные и региональные оценки зависят от временных горизонтов и от сценариев возможных изменений. При этом к любым изменениям надо быть готовым.

Речь о гибели Земли как планеты может идти на масштабах миллиардов лет – это связано с эволюцией Солнца как звезды. Однако нельзя исключать опасность необратимого разгона парникового эффекта с превращением Земли в безжизненную планету. Пример – Венера.  

Если рассматривать Землю на временах сотен тысяч лет, то мы находимся в межледниковье с максимальными значениями температуры в пределах 100-тысячелетнего ледникового цикла, задержавшись в этой фазе – так называемом голоцене – более чем на 10 тысяч лет.  Без учета возможного антропогенного потепления в ближайшие десятки тысяч лет на Земле должен был наступать очередной ледниковый период, как это было в течение последнего миллиона лет. Но этого не происходит. Более того – мы теплеем с большей скоростью. Причем скорость потепления существенно больше, чем потенциальная скорость скатывания в ледниковый период. При учете антропогенных выбросов парниковых газов согласно модельным оценкам возможно продолжительное (на десятки тысяч лет) затягивание фазы межледниковья. При этом (в зависимости от сценария) есть потенциальная опасность превышения критического уровня для начала  необратимого разгона парникового эффекта. Таким образом, все оценки существенно зависят от уровня антропогенных воздействий.

– То есть, от нашего поведения?

– Да, в зависимости от этого возможны разные сценарии. Не случайно предложено в общей геохронологической шкале выделить отдельно связанный с антропогенной деятельностью антропоцен. Стоит отметить, что есть немало скептиков, в том числе в нашей стране, считающих, что роль антропогенного фактора преувеличена. Однако согласно расчетам с лучшими современными моделями и результатам анализа данных без учета антропогенного фактора современные изменения климата объяснить невозможно.

Игорь Иванович, как вы думаете, земная атмосфера, которой Вы посвятили свою научную жизнь, это уникальное явление? Может ли быть нечто подобное во Вселенной?

В курсе теории климата я рассказываю студентам про уникальные условия формирования земной климатической системы в сопоставлении с режимами других планет. Безусловно, земная система уникальна. При этом, конечно, можно надеяться, что во Вселенной мы не одни. Но повторение земной истории невероятно. Сочетание факторов, которые привели к формированию жизни на нашей планете, – удивительное и неповторимое явление. Очень важно сегодня это понимать. Ведь есть реальная опасность необратимого разгоняющегося парникового эффекта, который приводит нас к сценарию безжизненной Венеры. К этому надо серьезно относиться, даже если запас устойчивости представляется значительным. Это может стоить человечеству слишком дорого. С точки зрения изменений климата мы живем в интереснейшее время, но и ответственность за будущее Земли высока.

Название видео

 

Метеорологическое явление — обзор

16.

Безымянный циклон (28 октября 1999 г. )

1.

Ураган Изабель 2 категории (18 сентября 2003 г.)

Шельф (Онслоу-Бэй), Северная Каролина

30 (98 98) футов)

> 50 (20)

(Рен и Леонард, 2005)

2.

Дельта тропического шторма (сентябрь 1973)

Шельф, Мексиканский залив

21 м (69 футов)

50–75 (20–29)

(Forristall et al., 1977)

3.

Циклон без названия (13 декабря 1995 г.)

Шельф (угорь), Северная Калифорния

50 м (164 фута)

80 (31)

(Cacchione et al., 1999)

4.

Циклон без названия (28 октября 1999 г.)

Шельф (Угорь), Северная Калифорния

60 м (197 футов)

88 (34)

(Puig et al., 2003)

5.

Ураган Аллен 5 категории (август 1980 г.)

Шельф (Техас), Мексиканский залив

70 м (230 футов )

80–90 (31–35)

(Snedden et al. , 1988)

6.

Tropical Storm Floyd a ( 18 сентября 1999 г.)

Шельф, Нью-Джерси

12 м (39 футов)

80–100 (31–39)

(Kohut et al. al., 2006)

7.

Ураган «Диана» категории 3 (11–13 сентября 1984 г.)

Шельф (Онслоу-Бэй), Северная Каролина

24 –33 м (79–108 футов)

125 (49)

(Mearns et al., 1988)

8.

Ураган 4 категории Лили (3 октября 2002 г.)

Шельф (Атчафалая), Мексиканский залив

4.5 м (15 футов)

140 (55)

(Allison et al., 2005)

9.

Категория 5 Ураган Иван (сентябрь 16, 2004)

Шельф (Алабама), Мексиканский залив

89 м (292 фута)

150 (59)

(Stone et al. ., 2005)

10.

Категория 2 Безымянный ураган (3 марта 1999 г.)

Шельф (устье реки Колумбия), Орегон

35 м (115 футов)

& gt; (59)

(Moritz., 2004)

11.

Ураган 5 категории (август 1969)

Шельф, Мексиканский залив

10 м (33 фута)

160 (62)

(Мюррей, 1970)

12.

Категория 3 Hurricane Joy (декабрь 1990 г.)

Шельф, Большой Барьерный риф, Австралия

12 м (39 футов)

140- & gt; 300 ( 55-> 117)

(Ларкомб и Картер, 2004)

13.

Циклон без названия (7–11 января 1989 г.)

Наклон , Средняя Атлантическая бухта

500 м (1640 футов)

40 (16)

(Бруннер и Бискай, 1997)

14.

Ураган Иван 5 категории (сентябрь 2004 г.)

Склон (к западу от каньона ДеСото), Мексиканский залив

500–1000 (1640–3280 футов)

150 (59)

(Mitchell et al., 2005)

15.

Ураган 2 категории Джорджес (24–28 сентября 1998 г.)

Каньон (Миссисипи), Мексиканский залив

300 м (984 фута)

68 (27)

(Бёрден, 2000)

Каньон (Угорь), Северная Калифорния

120 м (394 фута)

78 (30)

(Puig et al., 2003)

17.

Циклон без названия (февраль 2004 г.)

Каньон (Кап-де-Креус), Лионский залив

300 м (984 фута)

80 (31)

(Palanques et al., 2006)

18.

Циклон без названия (17–19 декабря 2002 г.)

Каньон (Монтерей), Северная Калифорния

1300 м (4264 футов)

150–500 + (59–195 +)

(MBARI, 2003)

19.

Циклон (24 ноября 1968 г.) )

Каньон (Скриппс), южная Калифорния

44 м (144 фута)

190 (74)

(Inman et al. , 1976).

20.

Ураган Хьюго категории 3 (сентябрь 1989 г.)

Каньон (Соленая река), Санта-Крус, В.И.

> 100 м (328 футов)

200–400 (78–156)

(Хаббард, 1992)

21.

Ураган Iwa категории 1 (ноябрь 1982 г.)

Повторный въезд (мыс Кахе), Оаху, Гавайи

220 м (722 фута)

300 (117)

(Dengler et al., 1984)

22.

Циклон без названия (август 1990 г.)

Желоб (Суруга), Япония

& gt; 500 м (1640 футов)

7000 (2730)

(Mitsuzawa et al., 1993)

Резюме | Атмосферные науки: вступление в XXI век

Стр. 8

для улучшения предупреждений и прогнозов погоды.Рекомендуемый исследование включает в себя следующие работы:

1. Оптимизировать системы наблюдений за счет лучшего сбора и использование данных над океанами и определение оптимальных комбинации имеющихся и новых наблюдений.

2. Разработать сопутствующие методы, ориентированные на конкретные регионы атмосферу для специальных наблюдений, которые приведут к значительному уменьшенная ошибка прогноза.

3. Продолжение наблюдений на месте, особенно путем прекращения ухудшение состояния глобальной сети зондирования и других наблюдений на местах измерения.

4. Подчеркнуть взаимодействие суши и атмосферы, для чего лучше наблюдения и понимание могут быть ключом к улучшению прогнозов конвекции, осадков и сезонного климата.

5. Улучшение наблюдений за водяным паром, в том числе более точные и измерения с более высоким разрешением для улучшения широкого спектра прогнозы.

6. Подчеркните сезонные прогнозы, которые требуют более глубоких понимание относительной важности внутренней атмосферы изменчивость и взаимодействие с более крупномасштабными явлениями в океаны и суша.

7. Подчеркнуть движение и интенсивность тропических циклонов, особенно исследования по физике движения тропических циклонов и изменений в интенсивность, исследования взаимодействия с верхними слоями океана, и исследования для определения оптимальных комбинаций измерений системы прогнозирования ураганов.

Верхняя атмосфера и околоземное пространство Исследования

Антропогенные и естественные изменения в верхних слоях атмосферы и околоземное космическое пространство теперь предвещает усиление воздействия на глобальный окружающая среда и общественная деятельность.Четыре направления научных исследования необходимы для понимания и смягчения этих удары; таким образом, исследования верхних слоев атмосферы и околоземного космического пространства следует подчеркнуть следующее:

1. Стратосферные процессы, влияющие на климат и биосфера, включая воздействие стратосферных самолетов, озоноразрушающие химические вещества, вулканические выбросы и солнечные изменчивость.

2. Космическая «погода», краткосрочная изменчивость околоземного пространства. космическая среда, которая имеет важное влияние на спутник производительность, здоровье человека в космосе, системы связи и работа электросети.

3. Глобальные изменения в средней и верхней атмосфере в ответ к естественным и антропогенным воздействиям, которые имеют значительные воздействие на нижние слои атмосферы.

4. Влияние изменчивости солнечной активности на глобальный климат. система, которая может быть значимой, но должна отличаться от другие природные воздействия и климатические эффекты, связанные с Человеческая активность.

метеорология | Национальное географическое общество

Метеорология — это исследование атмосферы, атмосферных явлений и атмосферных воздействий на нашу погоду.Атмосфера — это газовый слой физической среды, окружающей планету. Толщина земной атмосферы составляет примерно от 100 до 125 километров (65-75 миль). Гравитация препятствует дальнейшему расширению атмосферы.

Метеорология — это раздел атмосферных наук, термин, охватывающий все исследования атмосферы. Субдисциплина — это специализированная область обучения в рамках более широкого предмета или дисциплины. Климатология и аэрономия также являются разделами атмосферных наук.Климатология фокусируется на том, как атмосферные изменения определяют и изменяют климат мира. Аэрономия — это исследование верхних слоев атмосферы, в которых происходят уникальные химические и физические процессы. Метеорология сосредотачивается на нижних частях атмосферы, в первую очередь на тропосфере, где наблюдается большая часть погоды.

Метеорологи используют научные принципы, чтобы наблюдать, объяснять и прогнозировать нашу погоду. Они часто сосредотачиваются на атмосферных исследованиях или оперативном прогнозировании погоды. Метеорологи-исследователи охватывают несколько разделов метеорологии, включая моделирование климата, дистанционное зондирование, качество воздуха, физику атмосферы и изменение климата.Они также исследуют взаимосвязь между атмосферой и климатом Земли, океанами и биологической жизнью.

Синоптики используют это исследование вместе с данными об атмосфере для научной оценки текущего состояния атмосферы и прогнозов ее будущего состояния. Атмосферные условия как на поверхности Земли, так и над ней измеряются с помощью различных источников: метеостанций, кораблей, буев, самолетов, радаров, метеозондов и спутников. Эти данные передаются в центры по всему миру, которые производят компьютерный анализ глобальной погоды.Результаты анализа передаются в национальные и региональные метеорологические центры, которые передают эти данные в компьютеры, моделирующие будущее состояние атмосферы. Эта передача информации демонстрирует, как погода и ее изучение происходят множеством взаимосвязанных способов.

Масштаб метеорологии

Погода возникает в разных масштабах пространства и времени. Четыре метеорологических шкалы: микромасштаб, мезомасштаб, синоптический масштаб и глобальный масштаб. Метеорологи часто ориентируются в своей работе на определенный масштаб.

Микромасштабная метеорология
Микромасштабная метеорология фокусируется на явлениях, размер которых варьируется от нескольких сантиметров до нескольких километров и которые имеют короткую продолжительность жизни (менее суток). Эти явления затрагивают очень небольшие географические области, а также температуру и рельеф этих областей.

Метеорологи на микромасштабах часто изучают процессы, происходящие между почвой, растительностью и поверхностными водами вблизи уровня земли. Они измеряют передачу тепла, газа и жидкости между этими поверхностями.Микромасштабная метеорология часто включает изучение химии.

Отслеживание загрязнителей воздуха является примером микромасштабной метеорологии. MIRAGE-Мексика — это результат сотрудничества метеорологов США и Мексики. Программа изучает химические и физические превращения газов и аэрозолей в загрязнении, окружающем Мехико. MIRAGE-Mexico использует наблюдения с наземных станций, самолетов и спутников для отслеживания загрязняющих веществ.

Мезомасштабная метеорология
Размер мезомасштабных явлений варьируется от нескольких километров до примерно 1000 километров (620 миль).Два важных явления — это мезомасштабные конвективные комплексы (MCC) и мезомасштабные конвективные системы (MCS). Оба они вызваны конвекцией, важным метеорологическим принципом.

Конвекция — это циркуляционный процесс. Более теплая и менее плотная жидкость поднимается вверх, а более холодная и более плотная жидкость опускается. Жидкость, которую изучает большинство метеорологов, — это воздух. (Любое текущее вещество считается жидкостью.) Конвекция приводит к передаче энергии, тепла и влаги — основных строительных блоков погоды.

И в MCC, и в MCS большая часть воздуха и влаги нагревается в середине дня, когда угол наклона солнца максимален.Когда эта теплая воздушная масса поднимается в более холодную атмосферу, она конденсируется в облака, превращая водяной пар в осадки.

MCC — это единая система облаков, которые могут достигать размеров штата Огайо и вызывать сильные дожди и наводнения. MCS — это небольшое скопление гроз, которое длится несколько часов. Оба реагируют на уникальную передачу энергии, тепла и влаги, вызванную конвекцией.

Полевая кампания «Глубокие конвективные облака и химия» (DC3) — это программа, в рамках которой будут изучены штормы и грозовые облака в Колорадо, Алабаме и Оклахоме.В этом проекте будет рассмотрено, как конвекция влияет на формирование и движение штормов, включая развитие молний. Также будет изучено их влияние на воздушные суда и схемы полетов. Программа DC3 будет использовать данные, собранные с исследовательских самолетов, способных пролетать над вершинами штормов.

Метеорология синоптического масштаба
Явления синоптического масштаба охватывают территорию в несколько сотен или даже тысяч километров. Системы высокого и низкого давления, рассматриваемые в местных прогнозах погоды, имеют синоптический масштаб.Давление, как и конвекция, является важным метеорологическим принципом, лежащим в основе крупномасштабных погодных систем, столь же разнообразных, как ураганы и сильные холода.

Системы низкого давления возникают там, где атмосферное давление у поверхности Земли меньше, чем в окружающей среде. Ветер и влага из областей с более высоким давлением ищут системы с низким давлением. Это движение в сочетании с силой Кориолиса и трением заставляет систему вращаться против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке в Южном полушарии, создавая циклон.Циклоны имеют тенденцию к вертикальному движению вверх. Это позволяет влажному воздуху из окружающей среды подниматься, расширяться и конденсироваться в водяной пар, образуя облака. Это движение влаги и воздуха является причиной большинства погодных явлений.

Ураганы являются результатом систем низкого давления (циклонов), развивающихся над тропическими водами в Западном полушарии. Система всасывает огромное количество теплой влаги из моря, вызывая конвекцию, которая, в свою очередь, приводит к увеличению скорости ветра и падению давления.Когда эти ветры достигают скорости более 119 километров в час (74 мили в час), циклон классифицируется как ураган.

Ураганы могут быть одним из самых разрушительных стихийных бедствий в Западном полушарии. Национальный центр ураганов в Майами, Флорида, регулярно выпускает прогнозы и отчеты по всем системам тропической погоды. Во время сезона ураганов специалисты по ураганам выпускают прогнозы и предупреждения для каждого тропического шторма в западной тропической Атлантике и восточной тропической части Тихого океана.Деловые круги и правительственные чиновники из Соединенных Штатов, Карибского бассейна, Центральной Америки и Южной Америки полагаются на прогнозы Национального центра ураганов.

Системы высокого давления возникают там, где атмосферное давление у поверхности Земли выше, чем в окружающей среде. Это давление имеет тенденцию к вертикальному движению вниз, обеспечивая сухой воздух и чистое небо.

Чрезвычайно низкие температуры являются результатом систем высокого давления, которые развиваются над Арктикой и перемещаются над Северным полушарием.Арктический воздух очень холодный, потому что он развивается над льдом и заснеженной землей. Этот холодный воздух настолько плотный, что он прижимается к поверхности Земли с экстремальным давлением, предотвращая попадание влаги или тепла в систему.

Метеорологи определили много полупостоянных областей высокого давления. Например, Азорское возвышение — это относительно стабильный регион высокого давления вокруг Азорских островов, архипелага в центре Атлантического океана. Азорские горы являются причиной засушливых температур в бассейне Средиземного моря, а также летней жары в Западной Европе.

Метеорология глобального масштаба
Явления глобального масштаба — это погодные условия, связанные с переносом тепла, ветра и влаги от тропиков к полюсам. Важной закономерностью является глобальная атмосферная циркуляция, крупномасштабное движение воздуха, которое помогает распределять тепловую энергию (тепло) по поверхности Земли.

Глобальная атмосферная циркуляция — это довольно постоянное движение ветров по земному шару. Ветры развиваются, когда воздушные массы перемещаются из областей с высоким давлением в области с низким давлением.Глобальная атмосферная циркуляция в значительной степени определяется ячейками Хэдли. Ячейки Хэдли представляют собой тропические и экваториальные модели конвекции. Конвекция перемещает теплый воздух высоко в атмосферу, в то время как холодный плотный воздух движется вниз по постоянному контуру. Каждая петля представляет собой ячейку Хэдли.

Ячейки Хэдли определяют поток пассатов, прогнозируемый метеорологами. Компании, особенно те, которые экспортируют продукцию через океаны, уделяют пристальное внимание силе пассатов, потому что они помогают кораблям путешествовать быстрее.Западные ветры — это ветры, которые дуют с запада в средних широтах. Ближе к экватору пассаты дуют с северо-востока (к северу от экватора) и юго-востока (к югу от экватора).

Метеорологи изучают долгосрочные климатические модели, нарушающие глобальную циркуляцию атмосферы. Например, метеорологи обнаружили образец Эль-Ниньо. Эль-Ниньо связано с океанскими течениями и пассатами через Тихий океан. Эль-Ниньо происходит примерно каждые пять лет, нарушая глобальную циркуляцию атмосферы и влияя на местную погоду и экономику от Австралии до Перу.

Эль-Ниньо связано с изменениями атмосферного давления в Тихом океане, известными как Южное колебание. Давление воздуха падает над восточной частью Тихого океана, недалеко от побережья Северной и Южной Америки, а над западной частью Тихого океана, у берегов Австралии и Индонезии, повышается атмосферное давление. Ослабевают пассаты. Страны Восточной части Тихого океана испытывают сильные дожди. Теплые океанические течения сокращают рыбные запасы, которые зависят от богатого питательными веществами подъема холодной воды. Страны Западной части Тихого океана испытывают засуху, разрушающую сельскохозяйственное производство.

Понимание метеорологических процессов Эль-Ниньо помогает фермерам, рыбакам и жителям прибрежных районов подготовиться к изменению климата.

История метеорологии

Развитие метеорологии тесно связано с развитием науки, математики и технологий. Греческий философ Аристотель написал первое крупное исследование атмосферы около 340 г. до н. Э. Однако многие идеи Аристотеля были неправильными, потому что он не считал необходимым проводить научные наблюдения.

Растущая вера в научный метод коренным образом изменила изучение метеорологии в 17 и 18 веках. Итальянский физик Евангелиста Торричелли заметил, что изменения атмосферного давления связаны с изменениями погоды. В 1643 году Торричелли изобрел барометр, чтобы точно измерять давление воздуха. Барометр по-прежнему является ключевым инструментом в понимании и прогнозировании погодных систем. В 1714 году немецкий физик Даниэль Фаренгейт разработал ртутный термометр.Эти инструменты позволили точно измерить две важные атмосферные переменные.

Не было возможности быстро передавать данные о погоде до изобретения телеграфа американским изобретателем Сэмюэлем Морсом в середине 1800-х годов. Используя эту новую технологию, метеорологические службы смогли обмениваться информацией и создавать первые современные карты погоды. Эти карты объединяли и отображали более сложные наборы информации, такие как изобары (линии равного давления воздуха) и изотермы (линии равной температуры).С помощью этих крупномасштабных карт погоды метеорологи могут изучать более широкую географическую картину погоды и делать более точные прогнозы.

В 1920-х годах группа норвежских метеорологов разработала концепции воздушных масс и фронтов, которые являются строительными блоками современного прогнозирования погоды. Используя основные законы физики, эти метеорологи обнаружили, что огромные холодные и теплые воздушные массы движутся и встречаются по образцам, которые лежат в основе многих погодных систем.

Военные действия во время Первой и Второй мировых войн привели к большим успехам в метеорологии.Успех этих операций во многом зависел от погоды в обширных регионах земного шара. Военные вложили значительные средства в обучение, исследования и новые технологии, чтобы улучшить свое понимание погоды. Самой важной из этих новых технологий был радар, который был разработан для обнаружения присутствия, направления и скорости самолетов и кораблей. С конца Второй мировой войны радар использовался и улучшался для обнаружения присутствия, направления и скорости осадков и моделей ветра.

Технологические разработки 1950-х и 1960-х годов позволили метеорологам быстрее и проще наблюдать и прогнозировать погодные системы в больших масштабах. В 1950-х годах компьютеры создали первые модели атмосферных условий, обработав сотни точек данных с помощью сложных уравнений. Эти модели были способны предсказывать крупномасштабные погодные условия, такие как ряд систем высокого и низкого давления, которые окружают нашу планету.

TIROS I, первый метеорологический спутник, предоставил первый точный прогноз погоды из космоса в 1962 году.Успех TIROS I побудил к созданию более сложных спутников. Их способность собирать и передавать данные с высочайшей точностью и скоростью сделала их незаменимыми для метеорологов. Современные спутники и компьютеры, обрабатывающие их данные, являются основными инструментами, используемыми сегодня в метеорологии.

Метеорология сегодня

Современные метеорологи имеют множество инструментов, которые помогают им исследовать, описывать, моделировать и прогнозировать погодные системы. Эти технологии применяются в различных метеорологических масштабах, повышая точность и эффективность прогнозов.

Радар — важная технология дистанционного зондирования, используемая для прогнозирования. Радиолокационная антенна — это активный датчик, который излучает радиоволны, которые отражаются от частиц в атмосфере и возвращаются к антенне. Компьютер обрабатывает эти импульсы и определяет горизонтальный размер облаков и осадков, а также скорость и направление движения этих облаков.

Новая технология, известная как радар с двойной поляризацией, передает как горизонтальные, так и вертикальные радиоволны.Благодаря этому дополнительному импульсу радар с двойной поляризацией может лучше определять осадки. Он также лучше способен различать типы осадков — дождь, снег, мокрый снег или град. Радар с двойной поляризацией значительно улучшит прогнозы внезапных паводков и зимней погоды.

Исследование торнадо — еще один важный компонент метеорологии. Начиная с 2009 года Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA) и Национальный научный фонд провели крупнейший в истории проект исследования торнадо, известный как VORTEX2.Команда VORTEX2, состоящая из около 200 человек и более 80 метеорологических приборов, проехала более 16 000 километров (10 000 миль) по Великим равнинам Соединенных Штатов, чтобы собрать данные о том, как, когда и почему образуются торнадо. Команда вошла в историю, собирая чрезвычайно подробные данные до, во время и после конкретного торнадо. Этот торнадо является наиболее изученным в истории и даст ключевое представление о динамике торнадо.

Спутники чрезвычайно важны для нашего понимания погодных явлений в глобальном масштабе.Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) и NOAA эксплуатируют три геостационарных оперативных спутника окружающей среды (GOES), которые обеспечивают наблюдения за погодой более чем на 50 процентах поверхности Земли.

GOES-15, запущенный в 2010 году, включает в себя рентгеновский сканер солнечного излучения, который отслеживает солнечные лучи для раннего обнаружения солнечных явлений, таких как солнечные вспышки. Солнечные вспышки могут повлиять на военную и коммерческую спутниковую связь по всему миру. Высокоточный формирователь изображений создает видимые и инфракрасные изображения поверхности Земли, океанов, облачного покрова и сильных штормов.Инфракрасные изображения обнаруживают движение и передачу тепла, улучшая наше понимание глобального энергетического баланса и таких процессов, как глобальное потепление, конвекция и суровая погода.

Атмосферный озон — Американское метеорологическое общество

Информационное заявление Американского метеорологического общества
(Принято Советом AMS 7 января 2018 г.)

Обзор

Озон — один из самых важных микрогазов в нашей атмосфере, который приносит пользу и вредит жизни на Земле.Высокое содержание озона в приземном слое способствует плохому качеству воздуха, отрицательно сказываясь на здоровье человека, продуктивности сельского хозяйства и лесных экосистемах. Озон поглощает инфракрасное излучение и является наиболее сильным парниковым газом в холодной верхней тропосфере, расположенной на высоте 8–15 км над поверхностью. В стратосфере, на высоте примерно от 15 до 50 км над поверхностью Земли, слой, богатый озоном, служит «солнцезащитным кремом» для мира, защищая поверхность Земли от вредного ультрафиолетового излучения. Это поглощение солнечной энергии также влияет на структуру атмосферной циркуляции и, таким образом, влияет на погоду во всем мире.Кроме того, во всей атмосфере озон является ключевым ингредиентом, который инициирует химическую очистку атмосферы от различных загрязнителей, таких как окись углерода и метан, среди прочих, которые в противном случае могли бы накапливаться до вредных уровней или оказывать более сильное влияние на климат. Следовательно, изменения содержания озона в любой части атмосферы могут иметь серьезные последствия для Земли.

Основная проблема в развитии как количественного научного понимания атмосферного озона и его изменений, так и эффективных мер по смягчению последствий, связанных с вредными аспектами, заключается в том, что озон не попадает напрямую в атмосферу.Напротив, содержание озона в основном контролируется выбросами других газовых примесей и рядом химических реакций. Относительная важность индивидуальных реакций зависит от места и сезона. Деятельность человека, связанная с производством энергии, транспортировкой и промышленностью, изменила химические реакции, которые создают и разрушают озон в атмосфере, что привело к чистому увеличению в одних регионах и чистому снижению в других. Поскольку множественные роли озона, описанные выше, зависят от его местоположения в атмосфере, общие социальные последствия зависят от того, где в атмосфере происходят изменения озона.Нарушения содержания озона в результате деятельности человека были значительными и в целом усилили его негативное воздействие.

Значительный научный прогресс был достигнут в понимании факторов, контролирующих распределение атмосферного озона и их временные изменения в различных регионах атмосферы, а также в понимании воздействия этих изменений на планету. Этот прогресс был достигнут благодаря сочетанию множества наблюдений на местах и ​​с помощью дистанционного зондирования, фундаментальных лабораторных исследований процессов, а также теоретического и численного моделирования.Несколько национальных и международных правительственных и научных организаций проводят регулярные оценки научного понимания и политики, связанной с этими изменениями озона. Позиция Американского метеорологического общества (АМС) по атмосферному озону, кратко изложенная ниже, основана на этих оценках и более широкой научной литературе, которая лежит в основе таких оценок.

Озон в стратосфере, чрезвычайно важный для жизни на суше и в поверхностных водах, может быть истощен промышленными химикатами. В нижней половине стратосферы, на высоте примерно от 15 до 30 км над поверхностью, концентрации озона достигают своих наибольших значений во всей атмосфере, в несколько раз выше, чем в тропосфере. Этот «озоновый слой», образовавшийся естественным путем, поглощает большую часть резкого ультрафиолетового (УФ) излучения солнца и защищает жизнь на суше и в поверхностных водах от излучения, способного повредить ДНК, кожу и глаза. Таким образом, уменьшение стратосферного озона напрямую ведет к увеличению воздействия УФ-излучения.Естественные и контролируемые эксперименты показали, что более сильное воздействие УФ-излучения увеличивает частоту некоторых видов рака кожи и катаракты у людей и снижает продуктивность фотосинтеза в наземных и морских экосистемах, а также урожайность сельскохозяйственных культур. В 1970-х годах было признано, что озоновому слою угрожает использование озоноразрушающих веществ (ОРВ), химических веществ, таких как хлорсодержащие хлорфторуглероды (используемые для охлаждения, кондиционирования воздуха и других применений), бромсодержащих галонов ( используется для тушения пожара) и многие другие химические вещества, содержащие хлор и бром.Эти химические вещества, выбрасываемые человеком, оказывают наиболее сильное воздействие на ежегодную озоновую дыру в Антарктике, явление, которое началось в конце 1970-х и было признано в начале 1980-х годов, когда в настоящее время более половины озона над Антарктидой истощается каждый год в конце сентября. Октябрь. В глобальном масштабе озоновый слой с 1980 года уменьшился на несколько процентов.

В настоящее время с высокой степенью уверенности известно, что мир избежал крупной катастрофы глобального истощения озонового слоя, предприняв целенаправленные действия. Серия международных кампаний по измерению, проведенных несколькими агентствами и университетами по изучению химии стратосферного озона, предоставила неоспоримые доказательства связи промышленных ОРВ с серьезным истощением стратосферного озона во время антарктической весны и по всему миру. По мере того, как научное понимание истощения озонового слоя увеличивалось и риски продолжения производства ОРВ были осознаны, люди во всем мире согласились принять меры, чтобы минимизировать разрушение озонового слоя и обеспечить восстановление в будущем.Это действие было закреплено в Монреальском протоколе по защите озонового слоя 1987 года, единственном всемирно ратифицированном международном соглашении по охране окружающей среды. Благодаря тому, что все страны соблюдают этот договор, разрушение озонового слоя больше не ухудшается, и есть признаки того, что озон даже начинает восстанавливаться. Текущее научное понимание, подкрепленное прогнозами численных моделей, предполагает, что озоновый слой должен вернуться к уровням до ОРВ 1980 года в конце 21 -х годов века при постоянном соблюдении Протокола, исключая непредвиденные события.Этот результат является ярким примером воздействия фундаментальных научных открытий и исследований на общество, а также применения результатов исследований в разработке политики.

Стратосферный озон влияет на погоду, и это влияние можно обнаружить благодаря озоновой дыре. Благодаря влиянию стратосферного озона на радиационное нагревание и охлаждение, существует связь между озоном и атмосферной циркуляцией. Растущие уровни парниковых газов в атмосфере охладили стратосферу.Это охлаждение, в свою очередь, влияет на скорость химических реакций, определяющих содержание стратосферного озона. Такое влияние концентрации озона на радиацию и, следовательно, баланс температуры и влажности, а также связанные с ними обратные связи с климатом, регулярно включаются в климатические модели, а также в оперативные системы прогнозирования погоды для улучшенного моделирования краткосрочных и долгосрочных изменений атмосферной циркуляции. . Исследования с использованием наблюдений и компьютерного моделирования демонстрируют, что озоновая дыра в Антарктике привела к задержке сезонного распада стратосферного полярного вихря, который влияет как на восстановление озоновой дыры, так и на нижнюю циркуляцию атмосферы летом в Южном полушарии.

В отличие от стратосферы, концентрации озона в нижних слоях атмосферы увеличивались с доиндустриальных времен, часто наиболее сильно в больших городских районах и с подветренной стороны, ухудшая здоровье человека и экосистем, а также урожайность сельскохозяйственных культур. Деятельность человека, связанная с индустриализацией и модернизацией, такая как производство электроэнергии и транспорт, резко увеличила выбросы прекурсоров озона, таких как оксиды азота (NO x ) и летучие органические соединения (ЛОС).Исследования 1950-х годов показали, что вместе с солнечным светом эти загрязнители катализируют быстрое образование озона в воздухе — процесс, известный как образование фотохимического смога, основными побочными продуктами которого являются озон и вторичные аэрозольные частицы. Высокие концентрации озона в фотохимическом смоге, распространенные в крупных городах и прилегающих районах по всему миру, могут отрицательно сказаться на здоровье человека, искусственной среде, экосистемах и урожайности сельскохозяйственных культур. Например, эпидемиологические исследования показывают увеличение числа обращений в больницы по поводу астмы после усиленного воздействия озона.Леса с подветренной стороны регионов с высоким уровнем приземного озона демонстрируют снижение продуктивности и видимое повреждение листьев и хвои. Эпизоды высокого содержания озона приводят к ухудшению качества обычных полимеров. Воздействие на растения сои повышенного содержания озона приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур, что приводит к потере урожайности в 1 миллиард долларов в год при нынешних уровнях приземного озона. По этим и другим причинам многие населенные пункты в настоящее время стремятся регулировать концентрацию озона у поверхности, чтобы она оставалась ниже определенных пороговых значений.

Признание того факта, что химические процессы, особенно те, на которые влияет деятельность человека, в значительной степени способствуют концентрации озона в нижних слоях атмосферы, стало основой для политических действий. Эффективная политика по снижению приземных и более низких концентраций озона в атмосфере должна включать понимание метеорологических процессов, которые могут привести к повышенным концентрациям озона, естественной и антропогенной деятельности, которая приводит к выбросам прекурсоров озона, и химических реакций в атмосфере, которые образуют озон. Концентрации озона нелинейно реагируют на изменения в выбросах газов-прекурсоров, причем некоторые прекурсоры в большей степени зависят от деятельности человека, чем другие.Более того, для каждого региона характерна разная фоновая концентрация озона, определяемая схемами циркуляции и источниками загрязнения с подветренной стороны, которые могут значительно меняться день ото дня. Кроме того, содержание озона в данном месте может увеличиваться в результате влияний, не зависящих от этого региона, например, из-за переноса озона из стратосферы, образования в результате лесных пожаров и международных выбросов прекурсоров. Таким образом, в правила качества воздуха США включены исключения в случае влияния, не зависящего от агентства по управлению воздушным транспортом.

В Соединенных Штатах и ​​других странах, которые приняли политику контроля загрязнения воздуха, максимальные дневные концентрации приземного озона снизились за последние десятилетия; к сожалению, уровни приземного озона увеличиваются в других регионах мира . Выбросы прекурсоров озона сократились в несколько раз в Соединенных Штатах в соответствии с нормативными требованиями, даже несмотря на то, что производство энергии и использование автомобилей продолжали расти. Таким образом, был достигнут большой успех в очистке U.S. приземный воздух на большей части территории страны. Другие промышленно развитые страны ввели аналогичный контроль, приблизившись к аналогичному уровню успеха. Политика качества воздуха продолжает развиваться по мере улучшения научного понимания. Например, меры по контролю за выбросами неметановых летучих органических соединений эффективно снизили самые высокие уровни озона в Лос-Анджелесе, Калифорния. Однако самые высокие уровни озона в теплый сезон начали снижаться только после того, как сокращение NO x было поэтапно в соответствии с Законом о чистом воздухе в городских районах США с обильными запасами биогенных выбросов ЛОС из растительности.Тем не менее, загрязнение озоном увеличивается в густонаселенных районах быстро развивающихся стран, где происходят тяжелые явления, аналогичные тем, которые произошли в городах США или Европы в середине-конце 20 -х годов века. Благодаря научным достижениям, технологическим усовершенствованиям и урокам, извлеченным в области очистки озонового загрязнения в развитых странах, теперь есть возможность для более быстрого перехода к более чистому воздуху в этих областях при одновременном повышении благосостояния.

Озон и его прекурсоры переносятся в нижних слоях атмосферы, что увеличивает качество местного воздуха на уровне полушария. Озон, образующийся как часть фотохимического смога, и его прекурсоры, такие как резервуары метана, оксида углерода и оксида азота, которые производят озон, могут переноситься через атмосферу в течение нескольких дней. Глобальное распространение озона и его предшественников в результате загрязнения привело к увеличению концентраций озона в крупных региональных масштабах и даже в масштабах полушария по всей тропосфере, региону между поверхностью и стратосферой. Увеличение содержания тропосферного озона было самым большим в северном полушарии, где антропогенные выбросы прекурсоров озона являются самыми большими.Это задокументировано в долгосрочных наблюдениях сети мониторинга. Нормативные акты в области качества воздуха по-прежнему направлены на снижение концентрации озона, мотивируемые более глубоким пониманием негативного воздействия озона на здоровье населения и экосистемы. Тем не менее, повышение «фоновых» концентраций озона в регионе или даже в полушарии, как правило, выходит за рамки местного контроля и может даже возникать в результате международного или межконтинентального переноса озона, образованного из прекурсоров, выбрасываемых в другую страну. Таким образом, для достижения соответствия более строгим нормам, касающимся концентраций приземного озона, местность может потребовать еще более строгих стратегий ограничения выбросов, если глобальный тропосферный озон продолжит увеличиваться.

Изменения в влиянии тропосферного озона, а также реакция на состав атмосферы и климат. Как отмечалось выше, озон излучательно активен, действуя как парниковый газ в верхних слоях тропосферы. Увеличение содержания озона в верхних слоях тропосферы с доиндустриальных времен, вызванное антропогенными выбросами его предшественников, внесло значительный вклад в положительное радиационное воздействие на климат (потепление) с величиной, аналогичной изменению концентраций метана, хотя пространственные и временные закономерности из этих форсингов не обязательно сопоставимы.Если выбросы прекурсоров озона уменьшатся, атмосфера быстро отреагирует и уменьшит озон. Поскольку озон является основным источником гидроксильного радикала, главного очищающего агента нашей атмосферы, увеличение глобального содержания тропосферного озона изменило способность атмосферы к самоочищению. Таким образом, изменения тропосферного озона влияют на содержание других парниковых газов, таких как метан и некоторые галоидоуглероды, а также на содержание аэрозольных частиц, в то время как изменения в содержании метана и аэрозольных частиц влияют на концентрации тропосферного озона.Эти химические эффекты, таким образом, связывают судьбы озона и нескольких агентов, влияющих на климат, и их влияние на радиационное воздействие способами, которые продолжают оставаться в центре внимания продолжающихся исследований.

Изменения озона остаются серьезной экологической проблемой, требующей широкого спектра действий по всему миру для мониторинга, оценки и смягчения последствий. По-прежнему существует много важных пробелов в знаниях и политических действиях, касающихся озона в атмосфере.К ним относятся загрязнение приземным слоем озона с его серьезными отрицательными последствиями для здоровья и окружающей среды, увеличение содержания тропосферного озона и последующее воздействие на климат, а также разрушение озонового слоя и его последствия для живых существ на поверхности. Следовательно, долгосрочные тенденции в содержании озона необходимо документировать во всем мире, отслеживать и определять их причины, чтобы гарантировать, что меры политики работают, для установления нового научного понимания и разработки новой политики. Эта потребность, в свою очередь, требует расширения возможностей наблюдения in situ и дистанционного зондирования как химических, так и метеорологических переменных.

Естественные колебания атмосферного озона затрудняют выявление изменений в озоне, вызванных антропогенной деятельностью, но возможность проводить такие различия имеет важное значение для принятия политических решений. Изменения климата и другие атмосферные и океанические явления, такие как лесные пожары, вносят свой вклад в изменения уровней озона в различных частях атмосферы за счет переноса и химических процессов. Кроме того, несмотря на то, что научное понимание различных средств контроля за атмосферным озоном хорошо развито, значительные нарушения этих средств контроля со стороны человека продолжаются.По мере того как уровни антропогенных выбросов снижаются (например, уровни ОРВ или уровни прекурсоров тропосферного озона регулируются нормативными актами), естественные колебания играют еще большую роль в межгодовых колебаниях.

Эта ситуация еще больше осложняется тем, что выбросы из некоторых регионов земного шара продолжают расти, и это загрязнение подвергается международному переносу, при этом воздействие на другие регионы меняется в зависимости от изменений в атмосферной циркуляции. Тем не менее, анализ вклада естественных вариаций человеческой деятельности и конкретной региональной деятельности имеет важное значение для политических действий.Следовательно, требуется комплексный подход, который учитывает все возможные причины тенденций изменения содержания озона во времени. Такой подход требует не только наблюдений за изменениями, которые в настоящее время немногочисленны, но также разработки и тестирования механистических объяснений этих изменений, которые основываются на иерархии компьютерных моделей, варьирующихся от процессных до полностью связанных климатохимических моделей земной системы. . Научное понимание и технический прогресс во всем диапазоне пространственных и временных масштабов, представленных в текущих компьютерных моделях, позволяют делать такие атрибуции в региональном и глобальном масштабах, но они пока остаются относительно неопределенными.Таким образом, развитие более глубокого научного понимания природных и антропогенных процессов, влияющих на озон, и его изменчивость, а также улучшение представления такого понимания в моделях останутся важнейшими направлениями деятельности для будущих политических решений.

Значительные научные усилия за последние 50 лет привели к признанию множественной роли атмосферного озона и значительному прогрессу в выявлении процессов, формирующих тенденции развития озона в различных частях атмосферы, а также связанных с ними воздействий на качество воздуха, жизнеспособность экосистем, погода и климат.Основываясь на этих достижениях, общество приняло согласованные меры по смягчению негативного воздействия тенденций в области озона, успешно устраняя причины истощения озонового слоя в стратосфере и замедляя или обращая вспять рост самых высоких летних явлений приземного озона вблизи населенных регионов Северной Америки и Европы. Действительно, во многих регионах наблюдаются явные признаки прогресса в приближении содержания озона к естественному уровню. Международное сотрудничество в ответ на проблему истощения стратосферного озонового слоя и регулирование чистого воздуха в развитых странах, снижающее приземный озон в городских районах, — это две из величайших историй успеха в области охраны окружающей среды двадцатого века.Несмотря на понимание многих аспектов поведения озона в атмосфере, научная неопределенность и политические проблемы остаются. Их решение потребует совместных усилий сообществ метеорологов, химиков и физиков атмосферы. AMS решительно поддерживает эти усилия, направленные на получение лучшего понимания озона и его поведения.

[Это заявление считается действующим до января 2023 года, если оно не заменено новым заявлением, выпущенным Советом AMS до этой даты.]

Мезомасштабная метеорология

Направления исследований

Химия атмосферы

Динамика атмосферы

Исследование пограничного слоя

Группа исследования облаков и аэрозолей

Динамика облаков, процессы осадков и бури

Гляциология

Метеорология средней атмосферы

Планетарные атмосферы

Передача излучения и дистанционное зондирование

Синоптическая метеорология

Мезомасштабная метеорология — это изучение атмосферных явлений с типичными пространственными масштабами от 10 до 1000 км.Примеры мезомасштабных явлений включают грозы, щелевые ветры, ураганные бури, бризы между сушей и морем и линии шквалов. Многие погодные явления, которые самым непосредственным образом влияют на деятельность человека, происходят на мезомасштабах. Исследования в области мезомасштабной метеорологии стимулировались недавними достижениями в области наблюдений и возможностей численного моделирования, которые значительно улучшили инструменты, используемые учеными-атмосферниками для изучения мезомасштабных погодных систем.

Преподаватели и студенты кафедры активно участвуют в большом количестве различных исследовательских проектов в области мезомасштабной метеорологии.К ним относятся исследования скоплений конвективных облаков и линий шквалов в тропиках и средних широтах, исследования полос осадков вдоль фронтов, исследование морских слоев и страто-кучевых облаков над субтропическими океанами, а также исследования топографически вынужденных потоков, таких как нисходящие склоны. ураганы, блокирование и направление ветров орографией, роторы, вызванные горными волнами, и прогнозирование осадков в сложной местности. Эти явления изучаются с помощью наблюдений на месте, дистанционного зондирования, а также идеализированных и высокореалистичных математических моделей.Многие местные погодные явления на тихоокеанском северо-западе также изучаются в департаменте, где модель прогноза погоды с очень высоким разрешением для региона Пьюджет-Саунд запускается два раза в день на оперативной основе.

Сайты исследовательской группы:

Группа исследования облаков и аэрозолей
Улучшение микрофизики и параметризации осадков в мезомасштабных моделях (УЛУЧШЕНИЕ)
Группа мезомасштабных альпийских гор (MAP)
Группа мезомасштабного анализа и прогнозирования
Веб-сайт мезомасштабной группы
Региональный численный прогноз погоды

ГЛОБАЛЬНОЕ ИЗМЕНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ

ГЛОБАЛЬНОЕ ИЗМЕНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ Произведено с разрешения: Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА).1989. Спутник для исследования верхних слоев атмосферы: программа по изучению глобального изменения озона . Вашингтон, округ Колумбия: Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства.

ГЛОБАЛЬНОЕ ИЗМЕНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ

Атмосфера Земли меняется. Научные измерения задокументировали сдвиги в химическом составе в нижних слоях атмосферы, а также существенные изменения химического состава в верхних слоях атмосферы. Оба этих открытия имеют важное значение для земной жизни и человеческого общества.

Естественное и человеческое влияние

Некоторые из этих изменений имеют естественное происхождение. Изменения интенсивности солнечного излучения влияют на энергетический баланс, химический состав и динамику атмосферы, равно как и колебания интенсивности солнечного ветра и космических лучей из космоса. Вулканические извержения выбрасывают в атмосферу пыль, пепел и различные химические соединения. Такие природные явления обычно бывают периодическими или эпизодическими; их эффекты, хотя часто и драматичны, обычно не представляют серьезной угрозы для равновесия глобальной системы Земли.

Человеческая деятельность также ответственна за атмосферные изменения. Однако, в отличие от природных процессов, эта деятельность порождает долгосрочные тенденции, которые, если будут продолжаться, могут привести к большим и необратимым последствиям. Например, сжигание ископаемого топлива приводит к увеличению во всем мире концентрации двуокиси углерода в атмосфере, которая пропускает видимый свет, но улавливает инфракрасное излучение у поверхности Земли. Этот так называемый «парниковый эффект» вызовет тенденцию к глобальному потеплению.Если содержание углекислого газа в атмосфере продолжит увеличиваться нынешними темпами, по оценкам модельных исследований, средняя глобальная температура поверхности повысится примерно на 2 градуса. Цельсия к середине следующего столетия — изменение климата сильнее, чем когда-либо в организованных человеческих обществах.

Более того, углекислый газ — лишь один из нескольких «парниковых» газов. Другие, хотя по отдельности менее значимы, в совокупности могут производить сопоставимый эффект. К ним относятся закись азота (возникающая в результате микробной активности, сжигания и использования азотных удобрений), метан (вырабатываемый болотами, рисовыми полями и пищеварительной системой термитов и жвачных животных) и хлорфторуглероды, или ХФУ, которые все еще используются. в некоторых частях мира в качестве пропеллента для аэрозольных баллончиков и во всем промышленно развитом мире при производстве пенопласта, очистке промышленных компонентов, кондиционировании воздуха и холодильном оборудовании.

ХФУ и стратосферный озон

Введение ХФУ в атмосферу может в конечном итоге привести к истощению стратосферного озонового слоя Земли, который защищает земную жизнь от вредного солнечного ультрафиолетового излучения. Попав в нижние слои атмосферы, ХФУ мигрируют вверх в стратосферу, где они разлагаются ультрафиолетовым солнечным светом. Освободившийся таким образом хлор действует как катализатор разрушения озона. Имеются убедительные доказательства того, что ХФУ в значительной степени ответственны за существенное сезонное снижение уровней озона над Антарктикой в ​​последние годы, и растет беспокойство по поводу того, что глобальные уровни озона также страдают.Атмосферные концентрации двух основных ХФУ в настоящее время увеличиваются с угрожающей скоростью — 5% в год. Другие парниковые газы, такие как метан и закись азота, также играют роль в химии озона в верхних слоях атмосферы.

Соединенные Штаты запретили ХФУ в качестве пропеллента аэрозолей в 1978 году, и многие страны теперь согласились еще больше ограничить использование ХФУ. Однако наши знания химии верхних слоев атмосферы в настоящее время недостаточны для детального изучения проблемы озона, как и наше понимание динамических процессов и энергетических балансов, которые тесно связаны с химическими эффектами.Обоснованные политические решения 1990-х годов должны будут опираться на обширную базу данных, предоставленную систематической глобальной исследовательской программой, нацеленной на верхние слои атмосферы. Спутник НАСА для исследования верхних слоев атмосферы (UARS) является центральным элементом этой программы.


UARS: МАНДАТ


Мы исследовали внешние границы нашей Солнечной системы с помощью автоматизированных космических аппаратов, а астрономические обсерватории на околоземной орбите открыли новые окна во Вселенную. Тем не менее, верхние слои атмосферы Земли, начинающиеся всего на 10-15 км над поверхностью, остаются границей, в значительной степени неизведанной из космоса.Спутник НАСА для исследования верхних слоев атмосферы (UARS) проведет первое систематическое комплексное исследование стратосферы и предоставит важные новые данные о мезосфере и термосфере.

Глобальная исследовательская программа

Важные процессы в верхних слоях атмосферы — энергетический баланс, динамика и химия — имеют глобальный масштаб. Поэтому их исследование требует глобального охвата, которого можно достичь только с помощью дистанционного зондирования из космоса. В этом подходе датчики космического корабля измеряют энергию, излучаемую атмосферой, или энергию, поглощаемую или рассеиваемую солнечным светом, проходящим через атмосферу.Анализ результатов предоставляет подробную информацию о химических компонентах, температуре, ветрах и влиянии энергии, поступающей от солнечного света и солнечного ветра. Эти результаты помогут выявить механизмы, которые контролируют структуру и изменчивость верхних слоев атмосферы, улучшить предсказуемость истощения озонового слоя и определить роль верхних слоев атмосферы в климатической системе Земли.

Программа UARS основана на десятилетиях исследований ракет, воздушных шаров, самолетов и таких спутников, как телевизионные инфракрасные операционные спутники (TIROS) и орбитальные геофизические обсерватории (OGO), Solar Mesosphere Explorer (SME) и Nimbus.Цели миссии UARS — обеспечить более глубокое понимание:

  • Энергия, поступающая в верхние слои атмосферы;
  • Глобальная фотохимия верхних слоев атмосферы;
  • Динамика верхних слоев атмосферы;
  • Связь между этими процессами; и
  • Муфта между верхней и нижней атмосферой.

Помимо девяти экспериментальных групп, программа UARS включает десять теоретических групп с конкретными обязанностями по анализу и интерпретации данных.Одним из важных продуктов этих исследований станут компьютерные модели, моделирующие процессы в верхних слоях атмосферы. Это моделирование проверит наше понимание этих процессов и предоставит прогнозы изменений в структуре и поведении атмосферы, важных для формулирования будущей политики.

Исследование глобальных изменений

Национальный мандат на UARS датируется 1976 годом, когда Конгресс США, отвечая на выявление новых причин истощения озонового слоя, поручил НАСА расширить свою исследовательскую программу, связанную с верхними слоями атмосферы.Вскоре возникла активная исследовательская инициатива с участием ракет, самолетов и аэростатов, а также лабораторных и теоретических исследований. Эти исследования подтвердили, что химические вещества, созданные человеком, действительно разрушают стратосферный озон, усиливая обеспокоенность по поводу последствий этого истощения жизни на Земле. Признавая эту озабоченность, НАСА сделало своевременный полет UARS ключевым краткосрочным компонентом систематического долгосрочного плана изучения глобальных изменений из космоса.

Миссия

Запланированный на запуск космического корабля «Шаттл» в конце 1991 года, UARS будет работать на высоте 600 км над Землей по орбите, наклоненной на 57 градусов к экватору.Эта орбита позволит датчикам UARS «видеть» до 80 градусов по широте — таким образом, обеспечивая практически глобальный охват стратосферы и мезосферы — и производить измерения во всем диапазоне местного времени во всех географических точках каждые 36 дней.

Девять датчиков UARS предоставят самые полные данные о потребляемой энергии, ветре и химическом составе из когда-либо собранных. Взятые вместе, наборы данных дадут первый одновременный всеобъемлющий глобальный охват этих тесно связанных свойств атмосферы.Таким образом, эти наблюдения представляют собой комплексное исследование природы верхних слоев атмосферы. Дополнительные корреляционные данные, а также теоретические исследования, связанные с конкретными задачами датчиков, дополнят наблюдения UARS, чтобы обеспечить систематический единый исследовательский подход.

Международное наследие

Важным аспектом программы UARS является ее координация с дополнительными национальными и международными программами обучения и сбора данных.Другие страны вносят свой вклад в инструменты UARS, и ученые из многих стран в конечном итоге будут участвовать в анализе и использовании данных UARS.

По завершении миссии UARS мы получим резко расширенную и подробную картину энергетики, динамики и химического состава верхних слоев атмосферы. Затем эта информация будет доступна правительствам по всему миру, что позволит им более эффективно рассматривать роль деятельности человека в изменении свойств верхних слоев атмосферы.


СТРОЕНИЕ АТМОСФЕРЫ


Атмосфера Земли структурирована по слоям, каждый из которых обладает характерными физическими и динамическими свойствами, каждый из которых взаимодействует со слоями над и под ним. Для большинства целей эти слои атмосферы удобно классифицировать по изменению температуры с высотой.

Тропосфера

Тропосфера — это самый нижний слой атмосферы Земли, простирающийся на высоту 10-15 км в зависимости от широты.Этот регион содержит большую часть атмосферных облаков и погодных условий и является основным источником и поглотителем важных газовых примесей для более высоких слоев атмосферы. Ранние наблюдения показали, что температура в тропосфере понижается с высотой, и долгое время считалось, что эта взаимосвязь сохраняется во всей атмосфере.

Стратосфера

Однако к концу XIX века дальнейшие исследования показали более сложное поведение температуры. Леон Филлипп Тейссеренк де Борт, французский метеоролог, запустил сотни воздушных шаров, которые переносили термометры, барометры и гигрометры на высоту 10-15 км.Эти наблюдения на средних широтах показали, что температура понижается с высотой только до высоты около 12 км. Де Борт открыл тропопаузу, которая отмечает предел тропосферы и начало верхних слоев атмосферы.

Измерения на воздушном шаре Де Борта, которые не были особенно чувствительными, казалось, показали, что температура атмосферы оставалась примерно постоянной выше тропопаузы. Если бы это было так, можно было бы ожидать, что атмосферные газы будут рассортированы по слоям, или «стратам», в соответствии с их молекулярным весом; поэтому область над тропосферой была названа стратосферой.

Истинная структура верхних слоев атмосферы была обнаружена в серии экспериментов, последовавших за новаторскими исследованиями де Борта. В настоящее время известно, что стратосфера — это область интенсивных взаимодействий между радиационными, динамическими и химическими процессами, в которых горизонтальное смешение газовых компонентов происходит намного быстрее, чем вертикальное смешение. Вопреки раннему выводу де Борта, стратосфера теплее верхней тропосферы: температура над тропопаузой медленно увеличивается с высотой примерно до 50 км.Однако объяснение этому явлению не было найдено до 1930 года, когда Сидни Чепмен выдвинул правдоподобную теорию существования стратосферного озонового слоя. Поглощение солнечной ультрафиолетовой энергии озоном вызывает большую часть тепла в средней атмосфере.

Мезосфера и термосфера

На высоте выше 50 км влияние нагрева озоном становится менее важным из-за падения концентрации озона, и радиационное охлаждение становится относительно более важным.Таким образом, температура снова начинает снижаться с высотой. Этот эффект отмечает стратопаузу — верх стратосферы и низ мезосферы. Ракетные эксперименты 1940-х и 1950-х годов показали, что температура опускается до -70 градусов. до -140град. Цельсия в верхней мезосфере, в зависимости от широты и сезона.

В конце 1950-х годов полеты ракет исследовали область над мезосферой, термосферу, где температура снова начинает повышаться с высотой. Мезопауза на высоте около 80 км отделяет мезосферу от этого внешнего слоя атмосферы Земли.Нагревание термосферы происходит из-за поглощения высокоэнергетического солнечного излучения небольшим количеством остаточного молекулярного кислорода, который все еще присутствует, и температура может повышаться до 2000 градусов. Цельсия. На этих больших высотах остаточные атмосферные газы действительно распределяются по слоям в соответствии с молекулярной массой, как ранее предположил де Борт для стратосферы.

Поскольку космические аппараты на низкой околоземной орбите фактически проходят через внешнюю термосферу, прямой отбор образцов химических веществ широко используется для понимания свойств термосферы.Эксплорер-17, запущенный в 1963 году, стал первым спутником, который обеспечил количественные измерения газовой стратификации в термосфере. Однако мезосфера и нижние слои не могут быть исследованы таким образом напрямую — глобальные наблюдения из космоса требуют дистанционного зондирования с космического корабля на высоте значительно выше мезопаузы. Огромные технологические проблемы дистанционного зондирования атмосферы, многие из которых только сейчас решаются, задерживают детальное изучение стратосферы и мезосферы по сравнению с достижениями термосферных исследований.


ВЕРХНИЕ АТМОСФЕРНЫЕ ПРОЦЕССЫ


Химия, динамика и энергозатраты — это процессы, которые определяют структуру и поведение верхних слоев атмосферы. Эти процессы тесно взаимосвязаны и должны изучаться вместе. Только так мы сможем получить достаточно подробное понимание, позволяющее точно предсказывать влияние человека на верхние слои атмосферы.

Химия

Химические процессы ответственны за формирование и поддержание стратосферного озонового слоя Земли, который, в свою очередь, отвечает за эффект нагрева, который отличает стратосферу от тропосферы.Озоновый слой защищает земную жизнь от вредного воздействия солнечного ультрафиолетового излучения. Поэтому химические процессы в верхних слоях атмосферы, которые могут изменять концентрацию озона, являются центральным элементом исследовательской программы UARS.

Озон естественным образом образуется в средней и верхней стратосфере за счет диссоциации молекулярного кислорода солнечным светом. В отсутствие химических веществ, образующихся в результате деятельности человека, баланс озона поддерживается рядом конкурирующих химических реакций между встречающимися в природе видами, в первую очередь атомарным кислородом, молекулярным кислородом и оксидами водорода и азота.

Однако в современной стратосфере этот естественный баланс был изменен, в частности, из-за введения искусственных хлорфторуглеродов (ХФУ). Нет известных механизмов разрушения ХФУ в нижних слоях атмосферы; Таким образом, промышленно выпускаемые ХФУ продолжают накапливаться в тропосфере до тех пор, пока не будут перенесены в стратосферу. Там они диссоциируют под действием солнечного ультрафиолетового излучения с образованием атомарного хлора, который, как известно, разрушает озон посредством каталитических реакций, питаемых солнечным светом.

Большое разнообразие других химических веществ также необходимо принимать во внимание при любой попытке понять очень сложный химический состав стратосферы и судьбу озонового слоя (см. Страницы 16-17). UARS получит данные о большом количестве ключевых химических веществ в верхних слоях атмосферы.

Динамика

Ветры играют важную роль в переносе тепла и газов в верхние слои атмосферы. Глобальное распределение химических веществ определяется в первую очередь движениями планетарного масштаба с периодами в несколько дней и более.Однако мелкомасштабные движения важны в нескольких контекстах, включая обмен газами между тропосферой и стратосферой. По оценкам, до 70% общей стратосферной воздушной массы ежегодно обменивается с тропосферой, обеспечивая постоянное восходящее проникновение тропосферных видов в стратосферу и нисходящий перенос продуктов стратосферных реакций.

Поля ветра в верхних слоях атмосферы тесно связаны с распределением некоторых газовых примесей, а также с энергозатратами.Поскольку озон является наиболее частым поглотителем солнечного ультрафиолетового излучения в стратосфере и мезосфере, его пространственное распределение сильно влияет на характер нагрева атмосферы в этих регионах. Кроме того, скорости химических реакций, которые определяют обилие видов, чувствительны к температуре, обычно возрастая с повышением температуры. Таким образом, атмосферный нагрев влияет на химию и, создавая градиенты давления, на поля ветра (см. Страницы 20-21).

Потребляемая энергия

Излучение Солнца оказывает доминирующее влияние на процессы в верхних слоях атмосферы.Практически все солнечное ультрафиолетовое излучение в диапазоне длин волн 120–300 нм поглощается в стратосфере, мезосфере и нижней термосфере. Эта энергия вместе с энергозатратами магнитосферы в высоких широтах имеет фундаментальное значение для фотохимии и динамики верхних слоев атмосферы. Солнечное излучение в сочетании с охлаждением излучением в тепловой и инфракрасной области спектра создает большую часть сезонной, вертикальной и широтной изменчивости тепловой структуры атмосферы, которая, в свою очередь, контролирует большую часть динамики верхних слоев атмосферы.Поэтому количественное понимание атмосферных радиационных процессов имеет важное значение для исследований химии и динамики верхних слоев атмосферы (см. Страницы 22-23).


ИССЛЕДОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ: ПЕРСПЕКТИВА


Человеческий интерес к исследованиям атмосферы восходит к глубокой древности. Древнегреческая философия считала воздух одним из четырех основных элементов (вместе с землей, огнем и водой), из которых состоит все сущее. Демокрит даже предложил атомную теорию атмосферы.Научные исследования атмосферы в 17-18 веках заложили основы современной физики и химии и положили начало систематическому изучению свойств атмосферы.

Воздушные шары и самолеты

Разработка пилотируемого воздушного шара в конце 1700-х годов предоставила первую платформу, пригодную для исследований на больших высотах. Вскоре последовал ряд важных открытий, таких как постоянство отношения азота и кислорода во всей нижней тропосфере.К началу 20 века интерес к пилотируемым полетам на воздушном шаре ослабевает, но улучшения в конструкции аэростатов, приборов и связи с землей вскоре привели к возобновлению исследовательской деятельности. В 1930-х и 1940-х годах воздушные шары достигли высоты более 20 км для сбора данных о погодных условиях, явлениях в верхних слоях атмосферы и космических лучах. Современные воздушные шары, которые могут летать на расстоянии более 40 км, остаются предпочтительной платформой для многих атмосферных исследований; хотя они ограничены в географическом и высотном охвате, они предлагают увеличенное время наблюдений, гибкость запуска и умеренную стоимость.Самолеты, специально разработанные для полетов на очень больших высотах (до 22 км), теперь могут выполнять быстрые измерения свойств стратосферы на месте и с помощью дистанционного зондирования.

Ракеты

Ракеты стали важным инструментом исследований в начале 20-го века, а к 1930-м годам они уже давали фундаментальные новые данные о верхних слоях атмосферы. Исследования во время Второй мировой войны значительно повысили возможности и характеристики ракет. Несмотря на короткое время наблюдений и ограниченный географический охват, послевоенные полеты на ракетах очертили основные особенности атмосферы на очень больших высотах, помогая установить нашу нынешнюю картину изменений температуры и состава с высотой.Они также предоставили первые измерения солнечного ультрафиолетового спектра, практически свободного от атмосферного поглощения.

Космический корабль

Космическая эра, начавшаяся в 1957 году, открыла новое измерение в исследованиях атмосферы. Первые спутниковые изображения погодных условий и характеристик поверхности Земли были получены в 1960 году. Космические аппараты на низкой околоземной орбите измеряли непосредственно химический состав и другие свойства верхней термосферы, но космические наблюдения за стратосферой и мезосферой должны были ждать развития удаленных -сенсорные приборы.В течение 1970-х и 1980-х годов серия все более изощренных экспериментов (например, OGO, Atmospheric Explorers, Nimbus) продемонстрировала огромный потенциал методов дистанционного зондирования для исследования верхних слоев атмосферы. UARS применяет эти методы созревания к широкому спектру атмосферных свойств в рамках систематической комплексной исследовательской программы.


ВЕРХНЯЯ АТМОСФЕРА: ГЛОБАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ


Недоступность верхних слоев атмосферы долгое время препятствовала его глобальному изучению.Поглощение тропосферы затрудняет прямое наблюдение с наземных станций, которые в любом случае в основном ограничены земельными участками. Воздушные шары могут нести массивные инструменты, а ракеты позволяют более мелким грузам достигать больших высот, но обширный географический охват с помощью этих средств невозможен. Глобальное изучение верхних слоев атмосферы требует дистанционного зондирования из космоса, что позволяет быстро и систематически получать сведения об атмосферных свойствах во всем мире.

Предыдущие спутниковые наблюдения

Первый космический аппарат TIROS, запущенный в 1960 году, положил начало исследованиям атмосферы из космоса.Хотя этот новаторский спутник был разработан для наблюдений за погодой, он наглядно продемонстрировал возможности дистанционного зондирования атмосферы для исследований. Последовательные космические аппараты TIROS, эксплуатируемые Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (NOAA), вернули данные, которые становятся все более точными и актуальными для атмосферных исследований. Однако успехи в таких операционных программах зависели от экспериментальных инструментов, разработанных НАСА для научных исследований.

Спутники NASA Nimbus, запущенные между 1964 и 1978 годами, служили испытательными площадками для новых методов дистанционного зондирования, предоставляли данные о структуре верхних слоев атмосферы и проложили путь для передачи проверенных технологий дистанционного зондирования для оперативного использования NOAA.Другие спутники НАСА использовали дистанционное зондирование и в некоторых случаях методы на месте для исследования термосферы и верхней мезосферы в 1970-х и начале 1980-х годов. К ним относятся орбитальные геофизические обсерватории, исследователи атмосферы, исследователи динамики, исследователь солнечной мезосферы и спутник радиационного баланса Земли.

Существующие потребности в исследованиях

Эти космические исследования значительно продвинули наше понимание верхних слоев атмосферы.Однако их выводы также подняли важные новые проблемы и вопросы, которые необходимо решить с помощью исследовательских спутников нового поколения.

Например, анализ концентраций озона над Антарктидой, измеренных спектрометром общего содержания озона (TOMS) на борту «Нимбус-7», подробно проследил развитие антарктической «озоновой дыры», обнаруженной первоначально в результате наземных наблюдений. Современное объяснение этого явления подчеркивает химические механизмы, инициированные искусственными хлорфторуглеродами (ХФУ), в сочетании с чрезвычайно низкими температурами, продолжительной ночью и уникальной атмосферной динамикой, наблюдаемой в полярных регионах.Озоновая дыра в Антарктике, таким образом, представляет собой поразительный пример взаимосвязи между химическим составом, динамикой и энергозатратами верхних слоев атмосферы, что является важной областью исследований UARS.

Возможное влияние ХФУ на уровни озона во всем мире пока нельзя точно предсказать. Из-за сложности химии стратосферы необходимо измерить и более точно измерить гораздо больше химических веществ, чтобы численное моделирование глобальных уровней озона стало надежным. Кроме того, из-за важности динамических эффектов также необходимы обширные новые данные о стратосферном ветре; прямые измерения ветра до сих пор проводились только в тропосфере.Кроме того, необходима определенная серия измерений подводимой энергии, проводимых одновременно с химическими и динамическими наблюдениями, чтобы ограничить модели верхних слоев атмосферы. UARS, основанный на результатах предыдущих спутниковых экспериментов, предоставит фундаментальные данные, необходимые во всех трех областях исследований.


UARS: КОМПЛЕКСНЫЙ ДИЗАЙН


Миссия UARS на сегодняшний день является самым сложным космическим исследованием верхних слоев атмосферы, которое когда-либо предпринималось.Тем не менее, конструкция всех основных компонентов миссии — обсерватории UARS, инструментария, операций миссии и анализа научных данных — воплощает в себе такую ​​высокую степень интеграции, что миссия, по сути, представляет собой единый эксперимент.

Обсерватория УАРС

Обсерватория включает в себя девять инструментов UARS, специально разработанный инструментальный модуль и модульный космический корабль с множеством миссий (MMS). MMS включает в себя стандартные модули для ориентации, связи и обработки данных, электроэнергии и движения.Эти модули предлагают возможность обслуживания на орбите, и вся обсерватория была спроектирована так, чтобы позволить ее извлечение и возвращение на Землю экипажу космического шаттла в случае необходимости.

Scientific Instruments

Инструменты UARS были выбраны для получения наиболее полной и тщательно интегрированной экспериментальной картины верхних слоев атмосферы, когда-либо полученной. Эти исследования будут основываться на, расширять и консолидировать результаты предыдущих миссий, которые уже дали некоторое представление о сложности процессов в верхних слоях атмосферы.

Будут выполнены три типа измерений: (1) состав и температура, (2) ветер и (3) подводимая энергия. Четыре прибора УАРС предназначены для измерений первого рода; они будут спектроскопически определять концентрации многих различных химических веществ и определять изменение температуры атмосферы с высотой, наблюдая за инфракрасными выбросами углекислого газа. Два прибора, использующие интерферометрию высокого разрешения, будут изучать ветры в верхних слоях атмосферы, регистрируя доплеровский сдвиг света, поглощаемого или испускаемого молекулами атмосферы.Еще три исследования позволят получить оценки энергии, падающей на атмосферу, путем измерения солнечного ультрафиолетового излучения и потока заряженных частиц из магнитосферы Земли.

Эти девять экспериментов, проведенных совместно и одновременно, фактически составляют единое исследование. Десятый прибор, предназначенный для измерения общей солнечной радиации («солнечной постоянной»), также будет доставлен для расширения набора данных, важных для исследований глобального климата.

Операции миссий

При планировании операций UARS руководствовались двумя основополагающими принципами. Во-первых, эффективная работа потребует активного участия каждого исследователя приборов и центра управления полетами в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА (GSFC) в Гринбелте, штат Мэриленд. Кроме того, для достижения целей программы будет важна высокая степень координации измерений с помощью различных инструментов.

Эти принципы реализуются в рамках долгосрочного научного плана, который будет определять летные операции UARS.Ежедневные научные планы, разработанные на основе этого унифицированного подхода, будут храниться в системе управления командования в центре управления полетами GSFC. Научные исследователи, действуя как скоординированная группа, будут помогать руководить повседневным командованием космическим кораблем, чтобы обеспечить выполнение задач миссии, требующих наблюдения с использованием нескольких инструментов. Данные о характеристиках приборов и космических аппаратов будут немедленно доступны на компьютерах удаленного анализа (RAC), эксплуатируемых учеными в их домашних учреждениях, что будет способствовать высокой степени взаимодействия между группами исследователей и научным оперативным персоналом.

Анализ данных

Система данных UARS обеспечивает основу, которая объединяет миссию UARS и ее многочисленные наборы данных. Эта система, включающая программное обеспечение, разработанное исследователями приборов, преобразует наблюдения UARS в обработанные, каталогизированные информационные продукты, необходимые для облегчения быстрого анализа и понимания сложных атмосферных процессов. В соответствии с работой UARS как единого интегрированного эксперимента, все данные UARS будут объединены и предоставлены всем исследователям (как экспериментальным, так и теоретическим) с самого начала программы наблюдений.Эта политика, вместе с высоко интерактивной связью управления полетом с сетью RAC и возможностью влиять на планирование миссии, позволит ученым немедленно обнаруживать необычные особенности и быстро реагировать на такие спорадические события, как солнечные вспышки и извержения вулканов.


АТМОСФЕРНАЯ ХИМИЯ


Растущая обеспокоенность всего мира по поводу истощения защитного озонового слоя Земли резко обострила важность химии верхних слоев атмосферы.Лучшее понимание многочисленных, сложных и взаимосвязанных химических реакций в стратосфере является особенно важной исследовательской потребностью. Именно эта задача является основной движущей силой миссии UARS.

Химия верхних слоев атмосферы может быть организована в виде реакций в пределах нескольких семейств компонентов, содержащих азот (N), водород (H) или хлор (Cl), вместе с взаимодействиями между этими семействами. Каждое семейство включает три основных типа видов: исходные молекулы, свободные радикалы и молекулы-резервуары / поглотители.

Исходные молекулы представляют собой относительно стабильные соединения, полученные в результате биологических, геологических или антропогенных процессов, происходящих на поверхности Земли. Свободные радикалы — это короткоживущие высокореактивные промежуточные частицы, образующиеся в результате диссоциации исходных молекул солнечным ультрафиолетовым излучением или реакциями с другими составляющими стратосферы. Молекулы-резервуары / поглотители представляют собой долгоживущие соединения, в которые могут временно объединяться свободные радикалы; они вступают во множество реакций, в результате которых образуются стабильные виды.

Исходные молекулы

Молекулы-источники являются долгоживущими в тропосфере и в конечном итоге достигают стратосферы, где диссоциируют с образованием высокореактивных свободных радикалов. Наиболее важными исходными молекулами являются:

  • Хлорфторуглероды CFC-11 (CFCl3) и CFC-12 (CF2Cl2), используемые в холодильном оборудовании и кондиционировании воздуха, при производстве пенопласта, в качестве растворителей и в качестве пропеллентов для аэрозольных баллончиков в некоторых странах. Они полностью промышленного происхождения.В стратосфере ХФУ диссоциируют под действием солнечного ультрафиолетового излучения с образованием атомарного хлора, который разрушает озон посредством эффективной каталитической реакции.
  • Закись азота (N2O), образующаяся в основном в результате естественных процессов, но также в результате использования синтетических азотных удобрений. Тропические леса — главный источник. В стратосфере N2O является химическим источником других, более реактивных оксидов азота, таких как оксид азота (NO) и диоксид азота (NO2), которые участвуют в истощении озона (O3)
  • Метан (Ch5) , образованный болотами, болотами, тундрой, рисовыми полями, термитами и жвачими животными.При бурении нефтяных и газовых скважин также могут высвобождаться значительные количества. В стратосфере метан является родоначальником группы активных веществ, содержащих кислород и водород, которые играют ключевую роль во всей химии стратосферы.

Свободные радикалы

Свободные радикалы являются ключевыми промежуточными формами во многих важных цепных реакциях в стратосфере, в которых молекула озона разрушается, а радикал регенерируется. Например, атомарный хлор, выделяющийся в результате стратосферной диссоциации молекул CFC, реагирует с озоном (O3) следующим образом:

Cl + O3 -> ClO + O2,

O + ClO -> O2 + Cl.

Конечным результатом этой пары реакций является превращение атомарного кислорода (O) и озона в молекулярный кислород (O2):

О + О3 -> 2 О2.

Хлор, действуя как катализатор, выживает после реакции и инициирует последовательные реакции.

В аналогичном каталитическом процессе участвуют NO и NO2, которые образуются в стратосфере в результате реакций с участием N2O. Происходит аналогичная цепочка реакций, в которых озон разрушается, а NO регенерируется.Гидроксильный радикал ОН также является каталитическим разрушителем озона.

Молекулы резервуара / стока

После участия в ряде таких реакций свободные радикалы, наконец, рекомбинируют в более стабильные молекулы-резервуары / сток. В конечном итоге они переносятся в тропосферу и выбрасываются из атмосферы. Таким образом, образование молекул-резервуаров / стоков прекращает каталитическое разрушение озона, но не раньше, чем один свободный радикал, такой как NO, Cl или OH, разрушит многие тысячи молекул озона.

Анализ, теория и моделирование

Теоретический анализ и численное моделирование необходимы для интеграции новых наблюдений в согласованные теоретические основы, отражающие наше понимание верхних слоев атмосферы. Численные модели также проверяют это понимание, предоставляя результаты, которые можно сравнить с независимыми данными. Некоторые модели дают прогнозы будущих тенденций.

Современные атмосферные модели включают более 200 химических реакций между более чем 40 химически активными веществами.Одномерные модели, которые отражают наиболее полный химический состав и дают средний глобальный химический состав атмосферы, который изменяется с высотой, используются для ряда целей, например, для прогнозирования будущих уровней озона. Двумерные модели включают вариации широты и высоты, таким образом предоставляя информацию о географических и сезонных эффектах; однако они требуют аппроксимации транспортных процессов и предъявляют гораздо более высокие требования к вычислительным ресурсам. Разрабатываются трехмерные модели, учитывающие и продольные вариации, но в настоящее время они включают только относительно простые химические процессы и требуют самых мощных компьютеров.

Теоретические исследования также необходимы для полного использования данных UARS и уточнения атмосферных моделей. Такие исследования являются неотъемлемой частью исследований UARS и помогут заложить основы для политических решений, необходимых для реагирования на глобальные атмосферные изменения.


АТМОСФЕРНЫЙ СОСТАВ И ТЕМПЕРАТУРА


Концентрация газа в атмосфере может быть измерена дистанционно путем наблюдения характерных длин волн излучения, испускаемого или поглощаемого газом.В случае поглощения Солнце или различные звезды служат источниками света, а поглощение определяется из измерений ослабления света вдоль луча зрения от источника. Поскольку количество испускаемого или поглощенного излучения зависит от температуры газа, а также от концентрации, UARS также будет проводить измерения температуры, чтобы дать возможность количественного определения состава атмосферы по спектральным данным.

Для молекулярных газов, изучаемых UARS, характерные длины волн излучения лежат в инфракрасной и микроволновой областях спектра.Четыре датчика UARS будут производить глобальные измерения вертикального распределения озона, метана, водяного пара и других второстепенных частиц, участвующих в химии озонового слоя. Кроме того, два из этих датчиков будут получать профили температуры атмосферы путем наблюдений за инфракрасным излучением, испускаемым углекислым газом, который, как предполагается, хорошо перемешан по всей атмосфере.

(1) CLAES

Криогенный эталонный спектрометр Limb Array (CLAES) будет определять концентрации членов семейств азота и хлора, а также озона, водяного пара, метана и углекислого газа путем наблюдений за тепловым излучением в инфракрасном диапазоне на длинах волн от 3.От 5 до 12,7 мкм. Чтобы получить вертикальный профиль концентрации веществ, CLAES использует телескоп, спектрометр и линейную матрицу из 20 детекторов для одновременных измерений на 20 высотах в диапазоне от 10 до 60 км.

Поскольку детекторы и оптика генерируют собственное тепловое излучение, их необходимо охлаждать до температур, которые подавляют это излучение ниже температуры наблюдаемых газов. Криогенная система CLAES состоит из двух компонентов: блока твердого неона при -260 град.C, который охлаждает детекторы, чтобы минимизировать шум детектора, и окружающий блок из твердого диоксида углерода при -150 ° C, чтобы уменьшить фоновое излучение от оптической системы. Хотя использование пассивных хранимых криогенов ограничивает полезный срок службы прибора для наблюдений, это единственный практический способ достижения очень низких температур, необходимых для детекторов CLAES.

(2) ISAMS

Улучшенный стратосферный и мезосферный зонд (ISAMS), радиометр с фильтром, использующий 8 детекторов, наблюдает инфракрасные молекулярные излучения с помощью подвижного внеосевого отражающего телескопа.В дополнение к сканированию атмосферы по вертикали, телескопу можно также дать команду на просмотр регионов по обе стороны от обсерватории UARS, что обеспечивает расширенный географический охват. В приборе ISAMS используется холодильник цикла Стирлинга для охлаждения 8 детекторов до -195 ° C, что обеспечивает потенциально долгий срок службы.

Одна из интересных особенностей ISAMS заключается в том, что он переносит пробы некоторых газов, которые необходимо измерить, в ячейках прибора.Атмосферное излучение, собираемое телескопом, будет проходить через эти ячейки на пути к детекторам. Такая конструкция позволяет ISAMS согласовывать полные спектры газов в ячейках со спектрами, наблюдаемыми в атмосфере. Кроме того, ISAMS использует широкополосные фильтры для изоляции участков спектра, что позволяет проводить измерения тех газов, которые из-за их химической активности не могут быть ограничены в ячейках.

Эксперимент ISAMS будет измерять концентрации химических соединений азота, а также озона, водяного пара, метана и окиси углерода посредством наблюдений в инфракрасной области спектра с 4.От 6 до 16,6 мкм. Этот прибор является улучшенной версией прибора, который работал с 1978 по 1983 год на борту «Нимбуса-7».

(3) MLS

Микроволновый датчик конечностей (MLS) будет измерять выбросы моноксида хлора, перекиси водорода, водяного пара и озона в микроволновом диапазоне спектра на частотах 63, 183 и 205 ГГц (то есть с длинами волн 4,8, 1,64 и 1,46 мм). . Наблюдения за оксидом хлора имеют особое значение, поскольку этот газ является ключевым реагентом в химическом цикле хлора, который разрушает озон; микроволновые измерения необходимы для наблюдений за этим видом, и MLS является уникальным среди инструментов UARS в обеспечении чувствительности к микроволновому излучению.Наблюдения MLS впервые предоставят глобальный набор данных по монооксиду хлора в верхних слоях атмосферы.

MLS также определит высоту уровней атмосферного давления. Поскольку MLS является микроволновым прибором, для сбора излучения в нем используется антенна, а не оптические устройства.

(4) HALOE

Измеряя поглощение инфракрасного излучения в атмосфере на длинах волн от 2,43 до 10,25 микрон, эксперимент по оккультации галогенов (HALOE) определит вертикальное распределение фтористоводородной и соляной кислот, а также метана, углекислого газа, озона, водяного пара и других веществ. семейство азота.Обе галогеновые кислоты являются резервуарными видами, и HALOE будет особенно эффективен при измерении их концентраций.

В эксперименте HALOE используются образцы нескольких наблюдаемых газов в качестве поглощающих фильтров перед детекторами для получения высокой степени спектрального разрешения. В приборе также используются широкополосные фильтры для обнаружения газов, для которых не требуется такое высокое спектральное разрешение.

Во время каждой орбиты UARS, во время восхода и заката космического корабля, HALOE будет направлен на Солнце и измерять поглощение энергии вдоль этого луча зрения.Есть 28 возможностей солнечного затмения в день, предоставляя данные для 14 различных долгот в каждом из северных и южных полушарий.


АТМОСФЕРНЫЕ ВЕТРЫ


Динамические процессы оказывают сильное влияние на химический состав верхних слоев атмосферы. Поэтому высокогорное распределение химических веществ, включая озон и исходные молекулы, свободные радикалы и молекулы резервуаров / поглотителей, которые вступают в цепочки реакций озона, невозможно понять только с помощью фотохимических исследований.И наоборот, процессы динамики верхних слоев атмосферы очень чувствительны к изменениям химического состава, вызываемым солнечным нагревом озонового слоя, а также восходящим распространением энергии из тропосферы.

Ветры в верхних слоях атмосферы могут быть измерены непосредственно с помощью наземных радаров и лидаров, а также с помощью приборов для зондирования с аэростатов и ракет. Такие методы позволяют изучать мелкомасштабные динамические процессы и осуществлять долгосрочный мониторинг динамики атмосферы над фиксированными местами развертывания; однако они по сути ограничены несколькими географическими точками.Для исследования динамических процессов глобального масштаба, определяющих распределение озона и других компонентов верхней атмосферы, необходимы спутниковые данные.

Измерения ветра УАРС

Миссия UARS предоставит первые прямые глобальные измерения горизонтального поля ветра в верхних слоях атмосферы. С помощью теоретических исследований и численного моделирования данные UARS прольют новый свет на фундаментальные вопросы динамики стратосферы и мезосферы.К таким вопросам относятся относительная важность различных типов волнового движения в зависимости от высоты, относительная роль потоков тропосферной энергии и производства энергии на месте за счет солнечного нагрева, факторы, влияющие на нарушение полярной зимней циркуляции в стратосфере, и механизмы, отвечающие за тёплую зиму и холодную летнюю мезопаузу. В сочетании с измерениями состава атмосферы UARS эти динамические результаты могут также помочь ученым понять процессы, ответственные за развитие антарктической «озоновой дыры» весной в Южном полушарии.

Предыдущие спутниковые исследования предоставили косвенные оценки поля ветра в верхних слоях атмосферы с помощью метода, который использует наблюдаемые профили температуры и теоретические приближения. Эксперименты CLAES и ISAMS на борту UARS также дадут косвенные оценки скорости ветра с помощью этого метода, а также наблюдения за химическими составляющими.

Кроме того, два других прибора UARS — доплеровский формирователь изображения высокого разрешения (HRDI) и интерферометр отображения ветра (WINDII) — будут обеспечивать прямые наблюдения за скоростью ветра путем измерения доплеровских сдвигов выбранных линий излучения и поглощения.Эти смещения будут измеряться в двух разных направлениях, что даст две составляющие скорости ветра относительно космического корабля; истинная скорость ветра может быть затем рассчитана на основе геометрии наблюдения и информации о скорости космического корабля. Движение космического корабля в сочетании с вертикальным сканированием инструментами позволит создать трехмерную глобальную карту поля ветра в верхних слоях атмосферы.

Поскольку характеристики атмосферного излучения и поглощения сильно зависят от высоты, необходимо использовать ряд атомных и молекулярных спектральных характеристик для получения широкого диапазона высот.Более того, в обоих экспериментах доплеровский сдвиг, возникающий при движении космического корабля, должен быть отделен от сдвигов, вызванных атмосферными движениями. Требуются высокое спектральное разрешение и устойчивая платформа для наблюдений.

(5) HRDI

На высотах ниже 45 км доплеровский тепловизор высокого разрешения будет наблюдать доплеровские сдвиги спектральных линий в системе атмосферных полос молекулярного кислорода для определения поля ветра. На таких высотах нет резких эмиссионных линий в сиянии лимба Земли, но полосы кислорода содержат много линий, которые выглядят как глубокие абсорбционные особенности в ярком спектре рассеянного солнечного света.Трехэталонный интерферометр Фабри-Перо, служащий спектральным фильтром высокого разрешения, обеспечит эффективное подавление интенсивного континуума излучения за пределами линий поглощения. HRDI будет использовать эти возможности дневного поглощения для получения данных о ветре в стратосфере и верхних слоях тропосферы с точностью 5 м / с или выше.

На высотах более 60 км HRDI будет наблюдать эмиссионные линии нейтрального и ионизированного атомарного кислорода в видимой и ближней инфракрасной областях спектра с помощью того же интерферометрического метода.Однако, в отличие от молекулярных линий поглощения, эмиссионные линии наблюдаются как днем, так и ночью. Эти измерения позволят получить поле ветра в мезосфере и термосфере с точностью 15 м / сек или лучше.

Инструмент HRDI включает в себя внеосевой телескоп с перегородками на двухосевой карданной конструкции, движение которой контролируется микропроцессором. Сканирование высоты обычно выполняется сначала в направлении вперед скорости космического корабля. Затем телескоп поворачивают назад для второго сканирования высоты, которое дает измерения в той же области атмосферы примерно через 7 минут после первого сканирования; этот интервал мал по сравнению с характерными временными рамками для изменений поля ветра.Поле зрения HRDI обеспечивает вертикальное разрешение 4 км на краю Земли.

(6) WINDII

Интерферометр Wind Imaging использует линии излучения для основных измерений доплеровского сдвига. Помимо линий нейтрального и ионизированного атомарного кислорода, к ним относятся две линии молекулы ОН и линия молекулярного кислорода. WINDII будет получать измерения как днем, так и ночью на высотах более 80 км.

Спектральный фильтр WINDII представляет собой интерферометр Майкельсона высокого разрешения.Инструмент состоит из телескопа, интерферометра и детекторной матрицы. Телескоп видит 45 градусов. и 135град. от вектора скорости КА одновременно. В нормальном режиме работы детектор обеспечивает разрешение по вертикали около 4 км и по горизонтали около 20 км. Точность скорости ветра в пределах 10 м / сек ожидается в диапазоне высот от 80 до 300 км.


ВХОДЫ ЭНЕРГИИ


Верхняя атмосфера получает энергию от Солнца через два источника: ультрафиолетовое излучение и магнитосферные заряженные частицы.Эти источники энергии играют центральную роль в химических процессах, которые создают и разрушают озон, а также в нагревании и динамике этого региона. Программа наблюдений UARS обеспечит измерения, необходимые для определения чистого воздействия солнечной энергии на количество и распределение озона в стратосфере.

Солнечное излучение

Хотя ультрафиолетовое излучение составляет лишь около 5% всей энергии, излучаемой Солнцем, оно является основным источником энергии для стратосферы и мезосферы, играющим доминирующую роль как в энергетическом балансе, так и в химическом составе.Поэтому для проверки моделей верхних слоев атмосферы необходимо точное знание солнечного ультрафиолетового спектра и его изменчивости во времени. На сегодняшний день измерения установили абсолютные значения солнечного потока в пределах +/- 30% в диапазоне от 140 до 210 нм с большей точностью на более длинных волнах. Однако эти измерения недостаточно точны для изучения реакции атмосферы на изменения солнечного ультрафиолетового излучения, возникающие в результате вспышек, вращения Солнца или 11-летнего цикла солнечной активности.Срочно необходимо новое поколение наблюдений солнечного ультрафиолета.

Длины волн излучения, представляющие наибольший интерес, лежат между 115 и 300 нм, которые из-за атмосферного поглощения можно наблюдать только над стратосферой. Однако измерения с помощью космических аппаратов в этой спектральной области затруднены, поскольку само излучение может ухудшить работу прибора и детектора. Поэтому два прибора UARS, которые будут измерять спектр солнечного ультрафиолета, были специально разработаны для обеспечения точной и долгосрочной калибровки.

Заряженные частицы

Солнце также является источником заряженных частиц высокой энергии, в первую очередь электронов и протонов, которые возникают в таких событиях, как солнечные вспышки, и устремляются наружу через солнечную систему. Многие из тех, кто достигает Земли, оказываются в ловушке магнитосферы Земли. Когда магнитосфера становится возмущенной — например, магнитной бурей — большое количество этих захваченных частиц выпадает в верхние слои атмосферы, создавая полярные сияния, поскольку они взаимодействуют с разреженными газами термосферы и верхней мезосферы.Наиболее энергичные из заряженных частиц могут проникать в стратосферу, где они инициируют некоторые из тех же химических реакций, что и солнечный свет. Поэтому наблюдения солнечного ультрафиолетового излучения должны быть дополнены измерениями воздействия таких частиц, особенно частиц высокой энергии.

(7) СУСИМ

Монитор солнечного ультрафиолетового спектрального излучения (SUSIM), который будет установлен на платформе для позиционирования Солнца / звезд UARS, будет измерять солнечное ультрафиолетовое излучение в диапазоне длин волн от 120 до 400 нм с разрешением до 0.1 нм. Прибор предназначен для обеспечения собственных источников света для долгосрочной абсолютной калибровки для отслеживания любых изменений в отклике прибора во время космического полета.

SUSIM включает в себя два спектрометра, семь детекторов и набор из четырех дейтериевых ультрафиолетовых калибровочных ламп. Один спектрометр будет наблюдать за Солнцем и измерять изменение солнечного ультрафиолетового потока как функцию времени, а второй будет контролировать калибровочные лампы. Одна из четырех дейтериевых ламп в приборе будет служить источником калибровки.Один раз в день эта ультрафиолетовая лампа включается и устанавливается последовательно перед каждым спектрометром. Стабильность выходного сигнала этой первичной калибровочной лампы с дейтерием будет проверяться по сравнению с тремя другими лампами, которые будут использоваться еженедельно, ежемесячно и ежегодно для дополнительной уверенности в калибровке.

(8) SOLSTICE

Эксперимент по сравнению солнечной / звездной освещенности (SOLSTICE), также установленный на платформе для определения местоположения Солнца и звезд, будет измерять солнечное ультрафиолетовое излучение в диапазоне длин волн от 1115 до 430 нм с разрешением 0.12 нм. Этот инструмент обладает уникальной способностью сравнивать выходное солнечное ультрафиолетовое излучение с ультрафиолетовым излучением стабильных ярких синих звезд с использованием той же оптики. Таким образом, эти звезды представляют собой эталоны, по которым измеряется солнечное излучение. В будущем инструменты, подобные SOLSTICE, могут быть выведены на орбиту для продолжения измерений солнечного излучения относительно этих звездных калибровочных стандартов, создавая таким образом запись долгосрочных изменений солнечного ультрафиолетового спектра.

Эксперимент состоит из спектрометра с тремя спектральными каналами, каждый с отдельной решеткой и фотоумножителем. SOLSTICE будет направлен на Солнце в дневное время на каждой орбите и на одну из калибровочных звезд в течение большей части ночного участка орбиты. Чтобы учесть большую разницу в силе сигнала между солнечными и звездными измерениями, SOLSTICE может изменять продолжительность измерения от 1 секунды до 17 минут, спектральную полосу пропускания от 0.От 1 до 5,0 нм, а площадь входной щели — в 10 000 раз.

(9) ПЭМ

Инструмент Particle Environment Monitor (PEM) будет определять тип, количество, энергию и распределение заряженных частиц, инжектируемых в термосферу, мезосферу и стратосферу Земли. PEM будет использовать три отдельных датчика, установленных на штанге, для измерения электронов с энергией от 1 эВ до 5 МэВ, протонов с энергией от 1 эВ до 150 МэВ и силы магнитного поля Земли — и все это в непосредственной близости от космического корабля.

В дополнение к этим измерениям частиц на месте PEM будет включать в себя 16-элементный массив детекторов рентгеновского излучения, чтобы обеспечить широкий пространственный охват энергии, вводимой в верхние слои атмосферы электронами высокой энергии. Поскольку эти электроны замедляются при прохождении через атмосферу, рентгеновские лучи испускаются и рассеиваются во всех направлениях. PEM будет обеспечивать рентгеновские изображения в диапазоне энергий от 2 до 50 кэВ, что приведет к реконструкции глобального трехмерного энергетического спектра электронов с энергией до 1 МэВ.


УПРАВЛЕНИЕ ДАННЫМИ UARS


Набор данных UARS предоставит наиболее полную и подробную картину химического состава, динамики и энергетического баланса верхних слоев атмосферы. Оптимальное использование этого бесценного ресурса требует широкого участия научного сообщества и предоставления высокопроизводительной системы наземных данных. Ключевой особенностью плана управления данными UARS является соединение центральных компьютеров НАСА с сетью универсальных мини-компьютеров — компьютеров удаленного анализа, или RAC, — расположенных в домашних учреждениях ученых

Научный анализ

Одним из важнейших элементов миссии UARS является раннее вовлечение и активное участие ученых-теоретиков, представляющих все аспекты изучения стратосферы и мезосферы.В дополнение к теоретикам, связанным с исследованиями приборов, существует также десять теоретических групп, каждая из которых возглавляется главным исследователем, с конкретными областями ответственности за анализ и интерпретацию данных.

На этапе подготовки к запуску эти ученые разрабатывают методы анализа данных и уточняют теоретические модели для моделирования радиационных, химических и динамических процессов в верхних слоях атмосферы. Некоторые из отдельных моделей в конечном итоге могут быть объединены в более обширные модели, которые будут реалистично моделировать сложную взаимосвязь этих процессов в стратосфере и мезосфере.

На этапе полета исследователи будут анализировать поступающие данные и обновлять стратегии наблюдений, чтобы максимизировать научную отдачу от миссии. Этот подход будет особенно важен для инициирования специальных наблюдений в ответ на необычные события, такие как солнечные вспышки, извержения вулканов или внезапное потепление атмосферы.

После завершения операций миссии ученые смогут проводить анализ и моделирование исследований на основе очень обширного набора атмосферных данных, включая исчерпывающие корреляционные данные, а также результаты, полученные с помощью инструментария UARS.

Система наземных данных

Система наземных данных UARS состоит из (1) Центрального центра обработки данных (CDHF), расположенного в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА, (2) миникомпьютерных компьютеров удаленного анализа (RAC) на объектах главных исследователей и (3) специализированная система электронной связи для подключения RAC к CDHF.

Данные телеметрии с магнитофонов на борту космического корабля UARS будут передаваться через спутниковую систему слежения и ретрансляции данных (TDRSS) в средство сбора данных (DCF) в GSFC.DCF выполнит проверку качества, обратит время записанных на магнитную ленту сигналов, удалит избыточные данные и передаст результаты в CDHF. Там программы, которые были разработаны исследователями приборов с использованием RAC и переданы в CDHF, преобразуют данные в форму, подходящую для научного анализа. Эти обработанные данные будут каталогизированы и сохранены в базе данных, связанной с CDHF.

CDHF будет использоваться в первую очередь для (1) производственной обработки всех научных данных, полученных с космического корабля, (2) интерактивной обработки и / или анализа небольших подмножеств данных исследователями, использующими RAC, и (3) обслуживания UARS база данных для доступа вначале главных исследователей UARS, а затем и научного сообщества в целом.Большая часть данных в CDHF будет храниться в режиме онлайн, чтобы облегчить пользователям быстрый доступ. Каталог атрибутов данных, поддерживаемый в системе управления базой данных, позволит выполнять поиск по таким характеристикам, как параметр измерения, время наблюдения, инструмент, уровень данных и уровень проверки.

Перед запуском RAC используются для разработки программ, необходимых для преобразования данных телеметрии в полезную с научной точки зрения информацию. После запуска исследователи приборов будут использовать свои RAC для проверки данных и доработки своего программного обеспечения для обработки.Все исследователи будут использовать свои RAC для получения доступа к данным на CDHF и для геофизического анализа данных.

В некоторых случаях RAC будут связаны с более крупными компьютерами для более сложного научного анализа или для включения в сложные атмосферные модели. Специальная электронная система связи, которая соединяет RAC с CDHF, также позволит исследователям UARS получить доступ к другим сетям научных данных.


За дополнительной информацией о программе UARS обращайтесь:

Руководитель программы:

Майкл Р.Лютер 

Код EED

Штаб-квартира НАСА

Вашингтон, округ Колумбия 20546

Ученый программы:

Д-р Роберт Дж. МакНил 

Код EEU

Штаб-квартира НАСА

Вашингтон, округ Колумбия 20546

Руководитель проекта:

Луис Гонсалес 

Код 430

Центр космических полетов Годдарда

Гринбелт, Мэриленд 20771

Ученый проекта:

ДокторКарл А. Ребер 

Код 610

Центр космических полетов Годдарда

Гринбелт, Мэриленд 20771

Границы | Грандиозные задачи атмосферной науки

В качестве объекта исследования атмосферные науки охватывают все процессы, происходящие в атмосфере, вместе с ее связями с другими системами, в основном с гидросферой, криосферой, литосферой, биосферой и космическим пространством. Таким образом, это обширная дисциплина, и задача описания основных проблем — непростая, и влечет за собой определенную степень дублирования с некоторыми другими серьезными проблемами в науках о Земле и окружающей среде.Поскольку с науками о климате может происходить особое совпадение, следует помнить, что атмосферные процессы отличаются от климатических во временном масштабе, причем последние происходят в течение длительных периодов, обычно более 30 лет, но в любом случае достаточно длительных, чтобы произвести значимые средние. Атмосферные процессы играют центральную роль в формировании состояния климата, но также и во многих воздействиях и обратных связях, которые определяют масштабы изменения климата и его возможные последствия. Кроме того, в последнее время в науках об атмосфере был достигнут впечатляющий прогресс с точки зрения преимуществ, предоставляемых частным лицам и организациям.Поток атмосферной «информации» имеет большое значение при принятии решений, касающихся здоровья, сельского хозяйства, энергетики, энергетики и окружающей среды. В этой статье «Грандиозные вызовы» основное внимание уделяется атмосфере, хотя сильное взаимодействие с другими частями Земли и ее окружающей средой, вместе с вовлеченными социальными последствиями, является общей темой для всех описанных проблем.

В течение следующих нескольких лет прогресс в атмосферных науках имеет важное значение для улучшения понимания основных процессов и их моделирования; это потребует подлинного прогресса в наблюдательных, концептуальных и технологических подходах.По этой причине следующий неполный список из 12 отобранных проблем включает проблемы, связанные с наблюдениями и усвоением данных, те, которые относятся к традиционным дисциплинам (физика и химия атмосферы, динамика атмосферы и прогнозирование погоды), и те, которые связаны с взаимодействием между атмосферой и его границы, а также те, которые связаны с атмосферной составляющей климатических исследований.

Задача 1: Ассимиляция данных

Проблемы, связанные с ассимиляцией данных для наблюдения Земли в ближайшие годы, связаны с техническими и общими тематическими аспектами, а также с возможностью использовать преимущества новых и захватывающих возможностей в системах наблюдения Земли.Выгоды от решения этих проблем, вероятно, будут включать улучшения повторного анализа, улучшения прогнозов погоды, улучшенную систему наблюдений и улучшенную основу, на которой могут быть построены элементы климатических моделей. Среди технических проблем наиболее важными являются пять областей: (1) ассимиляция связанных данных для учета связей между различными элементами земной системы; примеры включают соединение атмосферы и океана, океана и криосферы, а также атмосферы и суши; (2) ассимиляция ансамблевых данных для учета естественной изменчивости и / или для представления ошибок в земной системе — здесь технические усилия будут сосредоточены на проектировании реалистичных ансамблей; (3) выполнение ассимиляции данных с повышенным пространственным разрешением, представляющее земную систему в более мелких масштабах (мезомасштаб и более мелкий), включая теоретические разработки для учета изменений в условиях баланса; (4) лучшее представление ошибок (случайных и систематических) в наблюдениях и моделях, используемых при ассимиляции данных, включая представление ошибок прогнозов, ошибок моделей и коррекции систематических ошибок в режиме онлайн; (5) расширение и консолидация совместной оценки состояния и подхода обратного моделирования с целью изучения биогеохимических циклов (например,г., углеродный цикл). Главной задачей здесь является консолидация и интеграция усилий сообщества по ассимиляции данных метеорологических и космических агентств, исследовательской и оперативной деятельности, а также платформ наблюдения на месте и спутниковых наблюдений, включая все континентальные и глобальные взаимодействия, а также эффективное применение этих усилий на разработку новых миссий по наблюдению Земли.

Задача 2: Мелкомасштабные процессы в атмосфере

Несколько проблем очевидны с точки зрения нашего фундаментального понимания процессов малого масштаба и связанных приложений, многие из которых в настоящее время активно обсуждаются и изучаются.Во-первых, увеличенная вычислительная мощность позволяет более детально моделировать задачи механики жидкости, таким образом, даже стабильно стратифицированные потоки теперь моделируются прямым численным моделированием. В то же время эти передовые вычислительные методы также требуют нового поколения схем параметризации для численного прогноза погоды (ЧПП) и моделирования климата. Например, при высоких разрешениях нельзя игнорировать сложную динамику, которая происходит в городских районах, и для их представления требуются конкретные схемы ЧПП.При меньших размерах сетки в ЧПП приближается к так называемой серой зоне турбулентности, и ее влияние необходимо понимать и количественно оценивать. Есть некоторые возможности для улучшения с точки зрения представления облаков и суточного цикла глубокой конвекции, и то же самое относится к физическим процессам, которые управляют стабильными пограничными слоями и суточным циклом, а также прерывистым характером турбулентности, особенно в спокойных условиях. Кроме того, более высокое разрешение также требует более совершенных методов, позволяющих интерпретировать сделанные наблюдения.В метеорологии пограничного слоя закрытие баланса поверхностной энергии и теплового баланса в полевых наблюдениях требует дальнейшего внимания. Наконец, проблемы с данными, с которыми сталкивается метеорология, также возрастут, в частности, из-за большей доступности как профессиональных, так и краудсорсинговых наблюдений (Muller et al., 2013).

Задача 3: Химия загрязнения воздуха

Ключевые компоненты программы по решению наиболее важных проблем для исследователей в области химии загрязнения воздуха можно описать под следующими тремя заголовками: (1) Загрязнение помещений и здоровье: с учетом тенденции людей оставаться в основном в помещениях на работе, в школе и на досуге важно изучить влияние загрязнения помещений на здоровье человека в результате выбросов внутри помещений и / или проникновения наружного окружающего воздуха.В последние годы процессы, регулирующие качество воздуха в помещениях, заметно изменились в результате внесения изменений в строительные нормы и правила с целью повышения энергоэффективности. До сих пор остается много неизвестного в отношении источников, соединений и процессов, которые влияют на качество воздуха в помещениях и их влияние на благополучие людей. (2) Пыль и качество воздуха: с постоянным улучшением характеристик выбросов транспортных средств, эффекты аэрозольного загрязнения в городских районах теперь все чаще можно связать с другими источниками выбросов, такими как перенос естественной пыли и повторное взвешивание дорожная пыль, в основном в южных европейских регионах с более сухим климатом в районах, подверженных переносу пыли из пустынь Северной Африки.Понимание этих воздействий и применение мер по их смягчению (для повторного взвешивания дорожной пыли) являются областями будущих исследований. (3) Сжигание биомассы: В связи с изменением климата и опасениями по поводу воздействия и стоимости ископаемого топлива сжигание биомассы в настоящее время широко используется для отопления жилых помещений в Европе. Было обнаружено, что во многих городских районах, особенно зимой, бытовая биомасса является важным источником загрязнения воздуха твердыми частицами. В настоящее время некоторый акцент делается на оценке воздействия сжигания биомассы с точки зрения качества городского воздуха, а также на изучении характеристик выбросов оборудования и установок для сжигания биомассы, а также на влияние состава. сжигаемых частиц биомассы на здоровье человека.

Задача 4: Взаимодействие аэрозоля и облака

Нет никаких сомнений в том, что аэрозольные частицы активно участвуют в образовании облаков, поставляя ядра конденсации облаков (CCN) и ядра льда (IN). Было высказано предположение, что изменения концентраций аэрозолей изменят время жизни облаков и эффективность выпадения осадков и, следовательно, повлияют на радиационное воздействие земной системы. Этой теме были приложены большие усилия, что привело к быстрому развитию с точки зрения знаний, методологий и методов (например,г., Ван, 2013). Несмотря на этот прогресс, по-прежнему трудно сделать какие-либо значимые выводы о климатологическом воздействии аэрозолей в региональном и глобальном масштабах. Напротив, взаимодействие аэрозоля и облака на молекулярном и микрофизическом уровне становится все более и более предсказуемым, а его моделирование — более детерминированным. Похоже, что в наших знаниях существует значительный разрыв между мелкомасштабными (молекулярными и микрофизическими) процессами и крупномасштабными (региональными / глобальными) событиями в этой области.Мы полагаем, что по-прежнему существует потребность в синтезе многомасштабных результатов для четкого определения связанных с этим проблем и улучшения текущего набора инструментов и методологий, необходимых для устранения разрыва.

Задача 5: Прогноз погоды

Явления, описываемые жидкостями, сложны, однако появление законов движения жидкости обманчиво просто, уравнения, управляющие этими законами, нелинейны, что подразумевает множественные (и трудные для понимания) типы эффектов обратной связи. Атмосфера и временная эволюция ее состояния не избавляют от этой проблемы.В любом случае одним из основных направлений исследований в области наук об атмосфере за последние несколько десятилетий было создание надежных прогнозов в 2–7-дневном диапазоне с учетом огромных потенциальных экономических выгод; однако такие методы по-прежнему страдают от проблем, связанных со сбором и использованием данных, которые в основном собираются над океанами. В этом отношении могло бы помочь использование новых данных со спутников и наземного дистанционного зондирования, равно как и правильное обслуживание традиционных наборов данных, таких как уже несколько устаревшая глобальная сеть необработанных зондирований.Улучшение измерений водяного пара и свойств поверхности земли также является приоритетом. Физические проблемы остаются такими же, какими они были, когда они были определены более десяти лет назад (Национальный исследовательский совет, 1998 г.), а именно: лучшее понимание природы взаимодействия между атмосферными и поверхностными процессами, гидрологическим циклом, динамикой. глубокая конвекция, роль тропопаузы в динамике атмосферы, новый импульс в развитии мезомасштабных моделей и улучшение параметризации, используемой в волновых моделях погоды и климата.Примером важности этих улучшений является сопротивление орографической гравитационной волны, параметризация которого в моделях прогноза погоды и климата нуждается в обновлении, учитывая важность некоторых эффектов, которые, как было показано в недавних исследованиях, являются важными. Среди них влияние сдвига ветра как на сопротивление поверхности, так и на поток волнового импульса (и его диссипацию), а также на сопротивление, создаваемое захваченными подветренными волнами, энергия которых распространяется и рассеивается вниз по потоку от их источника, а не вверх. Последствия этих орографических гравитационных волн для турбулентности при ясном небе (CAT), очень серьезной авиационной опасности, не были удовлетворительно определены количественно.Большинство методов прогноза CAT используют эмпирические предикторы, явно не связанные с гравитационными волнами, но хорошо известно, что направленный сдвиг (который является повсеместным по своей природе) приводит к разрушению гравитационных волн, которые могут быть важным источником CAT. Улавливание гравитационных волн с подветренной стороны гор или холмов приводит к образованию неустойчивых, турбулентных замкнутых круговоротов, известных как роторы, которые также представляют серьезную авиационную опасность. Наше понимание условий, необходимых для возникновения этих структур течения, является неполным и, несомненно, выиграет от последних достижений в теории горных волн.

Задача 6: Дистанционное зондирование для метеорологии и климата

Наземное и спутниковое дистанционное зондирование позволило значительно продвинуться в нашем понимании погодных и климатических систем, а также их изменений (Yang et al., 2013), позволив количественно оценить процессы и пространственные параметры. временные состояния атмосферы, суши и океанов. Хорошие примеры тому — интенсивное использование спутниковых изображений в метеорологии и пространственные закономерности повышения уровня моря.Длительность рассматриваемых временных рядов обычно слишком мала, чтобы их можно было использовать для фиксации долгосрочных тенденций многих климатических переменных, поэтому одной из основных проблем является увеличение продолжительности этих временных рядов. Дистанционное зондирование региональных и глобальных циклов облаков и осадков также необходимо для мониторинга климата и проверки результатов моделирования. В физике атмосферы есть две заметные проблемы; первая — разработать инновационные исследования, посвященные микрофизике облаков и взаимосвязи с физикой грозового разряда, а также всем аспектам, связанным с наблюдением и измерением атмосферного электричества, а вторая — разработать новые исследования пассивных радиометров и радаров, которые помогут нам чтобы понять структуру облаков и осадков с особым акцентом на процессы тропических теплых дождей, слабые осадки на средних широтах, снегопады, содержание жидкости в облаках и ледяной воды, осадки воды и профили водяного пара.Одна из гидрометеорологических задач состоит в том, чтобы расширить и улучшить наши наблюдения и моделирование атмосферной и континентальной частей круговорота воды, чтобы сделать возможным его закрытие (например, в горных районах, полярных регионах).

Задача 7: Атмосферная ветвь гидрологического цикла

Среди множества проблем, связанных с гидрологическим циклом, проблемы, связанные с переносом влаги в атмосфере, заслуживают особого упоминания, поскольку они существуют полностью в сфере атмосферных наук.Здесь мы рассматриваем наиболее острые проблемы, описанные в недавнем обзоре Gimeno et al. (2012). Диагностика источников влаги стала основным исследовательским инструментом при анализе экстремальных явлений (например, наводнения, засухи) и может рассматриваться как основной инструмент для региональных и глобальных климатических оценок; поэтому необходимо проверить согласованность различных подходов, используемых для установления взаимосвязей источник-поглотитель для атмосферного водяного пара. Ключевое значение имеет улучшение нашего понимания того, как источники влаги влияют на изотопы осадков; это важно само по себе, но также важно для правильной интерпретации наиболее важных палеоклиматических архивов, включая ледяные керны и пещерные отложения.Еще одна проблема — лучшее понимание роли переноса влаги как основного фактора, вызывающего экстремальные метеорологические явления (сильные дожди через такие сооружения, как струи низкого уровня и атмосферные реки, или засуха из-за продолжительного сокращения поступления водяного пара из источника влаги. регионов). Чтобы оценить, оставались ли регионы-источники влаги стационарными в прошлые годы, необходимо понять влияние основных режимов изменчивости климата на изменчивость регионов влажности и то, как перенос влаги происходит в меняющемся климате.Эти нерешенные вопросы представляют собой серьезную проблему для ученых-климатологов.

Задача 8: Взаимодействие весов при моделировании климата

Взаимодействие между различными пространственными и временными масштабами приводит к тому, что мы называем климатом. (Lorenz 1967) был одним из первых, кто подчеркнул важность масштабных взаимодействий в объяснении некоторых ключевых характеристик климата, наблюдаемых в различных регионах. Нелинейный характер большинства этих масштабных взаимодействий затрудняет их моделирование, и, как следствие, это все еще является источником неопределенности при моделировании климата.Были предложены некоторые эмпирические методы для уменьшения масштаба результатов климатических моделей, но они все еще несколько противоречивы (Pielke and Wilby, 2011), особенно когда они используются для интерпретации долгосрочных климатических прогнозов в региональном масштабе. Использование граничных условий из глобальной модели, в которой прогнозируются связанные взаимодействия между всеми основными подсистемами климатической системы (атмосфера, океан, биосфера и криосфера), имеет ряд проблем, так как сохранение крупномасштабных климатических ошибок в глобальные модели, его большая зависимость от боковых граничных условий или отсутствие двустороннего взаимодействия между региональными и глобальными моделями.Роль мелкомасштабных атмосферных процессов, обычно в короткоживущих явлениях, оказывается весьма актуальной, особенно в тропических регионах, где мезомасштабные конвективные системы взаимодействуют с крупномасштабными циркуляциями и имеют решающее значение в гидрологическом цикле. Например, тропические циклоны могут привести к очень влажным или засушливым годам в некоторых регионах в зависимости от их активности и траектории. Этот элемент довольно сложно моделировать в климатических моделях, но его вклад в региональный климат не вызывает сомнений и должен быть лучше понят, чтобы включить его в системы моделирования климата.

Вызов 9: Экстремальные события

В последние годы влияние различных метеорологических и климатических явлений приобрело большое значение в глазах средств массовой информации и населения в целом, отчасти в результате таких экстремальных явлений, как волны тепла в Европе (2003 г.), России (2010 г.) , или США (2011), или смертоносные и чрезвычайно дорогостоящие ураганы, которые обрушились на густонаселенные районы в последние годы, включая Новый Орлеан (Катрина, 2005) и столичный район Нью-Йорка (Sandy, 2012).Аналогичным образом, продолжительные периоды засухи вызвали серьезные проблемы для производителей зерновых, в том числе на юге Австралии (2002–2010 годы) или на юго-западе США, или из-за повышенной вероятности лесных пожаров (Амазония, 2005 и 2010). Некоторые из этих экстремальных явлений тесно связаны с возникновением интенсивных режимов циркуляции, таких как Североатлантическое колебание (САК), или с блокированием и смещением штормовых путей и реактивного течения. По определению, экстремальные явления во временном ряду редки, поэтому существует острая необходимость, связанная с анализом экстремальных явлений, в максимально возможном расширении климатических рядов, и по этой причине реконструкция климата прошлого на основе инструментальных данных, исторические данные и прокси-данные по-прежнему необходимы.В недавнем отчете МГЭИК (IPCC, 2013) показано, что этот растущий интерес к экстремальным климатическим явлениям необходимо рассматривать в более широком контексте изменения климата, учитывая, что ожидаемые изменения глобального, регионального и даже местного климата, скорее всего, будут ощущаться через изменения по размаху и частоте экстремальных явлений.

Вызов 10: Влияние Солнца на климат

Было подсчитано, что около 8% недавнего глобального изменения климата можно отнести к изменчивости солнечной активности, но к этой цифре следует относиться с осторожностью, учитывая, что ряд аспектов солнечного воздействия и механизмов, связывающих изменчивость солнечного света с климатической системой Земли, остаются плохо изучены (Gray et al., 2010). С возрастающей сложностью и изощренностью моделей атмосферы и климата, а также с необходимостью повышения точности сделанных прогнозов, важно иметь возможность включать в эти модели более полную картину солнечного воздействия. Источники солнечного воздействия можно разделить на компоненты, связанные с излучением и частицами. Научный фокус радиационного воздействия в настоящее время смещается с глобальных на региональные реакции, обусловленные вариациями в спектральной освещенности солнечного излучения (SSI).Остаётся ряд вопросов о природе вариаций SSI, о том, как они должны быть реализованы в моделях и как они изменятся в будущих солнечных циклах, если Солнце переместится от своего текущего грандиозного максимума солнечной активности к новому громадному минимуму. Компонент, управляемый частицами, подразделяется на эффекты осаждения энергичных частиц (EPP) и космических лучей (CR). Эффект EPP первоначально влияет на верхнюю стратосферу и нижнюю термосферу. Хотя химические эффекты EPP на атмосферу в настоящее время хорошо изучены, существует острая необходимость в понимании дальнейших динамических эффектов, а также потенциальных механизмов и величин с точки зрения климата Земли.Потенциальное влияние EPP на климат — это новая область исследований, которая приобретает все большее значение сейчас, когда климатические модели распространяются на более высокие высоты, на которые более прямое влияние EPP оказывает влияние EPP. EPP обеспечивает один из ключевых путей переноса из нижней термосферы в стратосферу и далее, вниз в тропосферу через связь стратосферы и тропосферы в полярных регионах. Влияние EPP также может стать более выраженным в ближайшем будущем, поскольку радиационное воздействие станет более подверженным влиянию перехода к минимальным типам солнечной активности.Компонент, управляемый КЛ, в настоящее время считается наименее изученным из источников солнечного воздействия, хотя для решения этого вопроса предпринимаются постоянные международные исследования. Недавние результаты показали, что, хотя КЛ могут стимулировать зародышеобразование аэрозолей, в глобальном плане эти эффекты невелики, и остаются вопросы о физических механизмах, связывающих КЛ и зародышеобразование аэрозолей.

Задача 11: Погода и климат в городах

Городской остров тепла (UHI), пожалуй, самый известный эффект присутствия городов на местном микроклимате; Температура воздуха в ночном городе может быть намного выше (до 10 ° C и более), чем в окрестностях.Городской климат, возникшая 20 лет назад отраслью метеорологии, в настоящее время является зрелой областью исследований. Он охватывает широкий круг тем, от фундаментальных теоретических исследований до более прикладных исследований, основной целью которых является применение климатических знаний для улучшения проектирования городов по всему миру. Микрометеорология всегда была основной областью интересов в городских исследованиях из-за ее масштабов. Инструменталисты в области городской климатологии первыми начали непрерывное развитие приборов и анализа процессов с 1970-х годов.Процессы, ведущие к формированию UHI (в основном физические по своей природе из-за трехмерной формы и материалов, из которых состоит городская ткань), возникли в результате этих ранних исследований. Сегодня остается ряд проблем, связанных с измерением этого довольно сложного городского пограничного слоя. Новые инструменты телеметрии ближнего действия используются для получения специализированного представления о физических процессах. Такие инструментальные разработки неизбежно будут продолжаться. Городской климат стал рассматриваться специалистами по моделированию атмосферы только тогда, когда атмосферные модели достигли достаточно высокого разрешения (несколько км), чтобы можно было явным образом представить города.Первые модели, представляющие обмен энергией и водой между городскими поверхностями и атмосферой, появились в начале 2000-х годов (см. Обзоры в Masson, 2006 и Martilli, 2007), и теперь все чаще используются в моделях численного прогнозирования погоды. Первые международные взаимные сравнения городских моделей (Grimmond et al., 2010, 2011) обсудили некоторые очевидные средства улучшения, например, в представлении городской растительности. Кроме того, примерно на 15 лет позже атмосферных моделей, региональные климатические модели теперь имеют пространственное разрешение, совместимое с городскими масштабами.Это, конечно, представляет собой новую проблему в правильном представлении городов в климатических моделях. Точно так же исследования городской метеорологии не могут ограничиваться физикой или химией, но должны учитывать поведение жителей. Хотя биометеорологические исследования уже существуют, особенно с точки зрения уровня комфорта человека, взаимодействие между метеорологическим и социальным мирами, например, как с точки зрения комфорта человека, так и с точки зрения использования энергии, зависящей от метеорологии, по-прежнему остается одной из основных проблем. для городских метеорологов.

Вызов 12: Истощение и восстановление озонового слоя

Хотя минимумы концентрации стратосферного озона все еще наблюдаются во многих регионах, начинают появляться признаки восстановления. В стратосфере Антарктики концентрация галоидуглеродов достигла пика примерно в 2000 году, а затем начала уменьшаться. Текущие прогнозы предполагают, что полное восстановление может произойти примерно к 2050 году. Это означает, что одной из основных задач является обеспечение непрерывного мониторинга как озона, так и озоноразрушающих газов, чтобы гарантировать восстановление.Улучшение базового понимания процессов и их моделирования особенно важно в контексте меняющегося климата. Необходимо моделировать оба направления, то есть то, как изменение климата повлияет на озоновый слой и как восстановление озона повлияет на погоду и климат. Так называемые климатохимические модели (CCMs, Lamarque et al., 2013), по-видимому, имеют ключевое значение в этом случае.

Приведенный выше список задач на ближайшие несколько лет в исследованиях в области атмосферных наук касается лишь некоторых из наиболее неотложных нерешенных вопросов и, естественно, остается неполным.Проблемы, описанные здесь, не должны рассматриваться как вероятные основные темы исследований в Frontiers in Atmospheric Science; Любая интересная работа, связанная с атмосферой науки, должна найти отражение в журнале.

Благодарности

Частично поддержан MINECO (Испания), проектами TRAMO и FEDER. Команда ассоциированных редакторов журнала Frontiers in Atmospheric Science дает полезные комментарии.

Список литературы

Гимено, Л., Штоль, А., Триго, Р. М., Домингес, Ф., Йошимура, К., Ю, Л. и др. (2012). Океанические и наземные источники континентальных осадков. Ред. Geophys . 50: RG4003. DOI: 10.1029 / 2012RG000389

CrossRef Полный текст

Грей, Л. Дж., Бир, Дж., Геллер, М., Хей, Дж. Д., Локвуд, М., Маттес, К. и др. (2010). Солнечные воздействия на климат. Ред. Geophys . 48: RG4001. DOI: 10.1029 / 2009RG000282

CrossRef Полный текст

Гриммонд, К. С. Б., Блэкетт, М., Бест, М. Дж., Барлоу, Дж., Байк, Дж. Дж., Белчер, С. Е. и др. (2010). Проект сравнения международных моделей городского энергобаланса: первые результаты этапа 1. J. Appl. Meteorol. Climatol . 49, 1268–1292. DOI: 10.1175 / 2010JAMC2354.1

CrossRef Полный текст

Гриммонд, К. С. Б., Блэкетт, М., Бест, М. Дж., Барлоу, Дж., Байк, Дж. Дж., Белчер, С. Е. и др. (2011). Первоначальные результаты Фазы 2 сравнения международной модели городского энергобаланса. Внутр.J. Climatol . 31, 244–272. DOI: 10.1002 / joc.2227

CrossRef Полный текст

IPCC. (2013). Изменение климата: отчет об оценке Межправительственной группы экспертов по изменению климата . Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета.

Lamarque, J.-F., Shindell, D. T., Josse, B., Young, P.J., Cionni, I., Eyring, V., et al. (2013). Проект по взаимному сравнению химии атмосферы и моделей климата (ACCMIP): обзор и описание моделей, моделирования и диагностики климата. Geosci. Модель. Dev . 6, 179–206. DOI: 10.5194 / GMD-6-179-2013

CrossRef Полный текст

Лоренц, Э. Н. (1967). Природа и теория атмосферы . Женева: ВМО, 161.

Мартилли, А. (2007). Текущие исследования и будущие проблемы городского мезомасштабного моделирования. Внутр. J. Climatol . 27, 1909–1918. DOI: 10.1002 / joc.1620

CrossRef Полный текст

Массон В. (2006). Моделирование городской поверхности и мезомасштабное влияние городов. Теор. Прил. Climatol . 84, 35–45. DOI: 10.1007 / s00704-005-0142-3

CrossRef Полный текст

Мюллер, К. Л., Чепмен, Л., Гриммонд, К. С. Б., Янг, Д. Т., и Цай, X. (2013). Датчики и город: обзор городских метеорологических сетей. Внутр. J. Climatol . 33, 1585–1600. DOI: 10.1002 / joc.3678

CrossRef Полный текст

Национальный исследовательский совет. (1998). Атмосферные науки: вступление в XXI век .Вашингтон, округ Колумбия: The National Academies Press.

Пилке, Р. А. старший, и Уилби, Р. Л. (2011). Уменьшение масштабов регионального климата — в чем смысл? EOS 93, 52–53. DOI: 10.1029 / 2012EO050008

CrossRef Полный текст

Ван, К. (2013). Воздействие антропогенных поглощающих аэрозолей на облака и осадки: обзор последних достижений. Атмос. Res . 122, 237–249. DOI: 10.1016 / j.atmosres.2012.11.005

CrossRef Полный текст

Ян, Дж., Gong, P., Fu, R., Zhang, M., Chen, J., Liang, S., et al. (2013). Роль спутникового дистанционного зондирования в исследованиях изменения климата. Nat. Клим. Обмен 3, 875–883. DOI: 10.1038 / nclimate1908

CrossRef Полный текст

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *