WSibIso

  • Увеличить размер
  • Размер по умолчанию
  • Уменьшить размер
Главная О проекте WSibIso Предпосылки исследования

Предпосылки исследования

        Глобальные водные и углеродные циклы являются наиболее важными взаимодействующими климатическими подсистемами, и с физической точки зрения, и с точки зрения будущих последствий изменения климата, которые отразятся на человеческом обществе. Они в значительной степени контролируют различные механизмы обратных связей системы Земли с возмущениями энергетического баланса в тропосфере. Радиационный дисбаланс Земли из-за роста концентрации парниковых газов в атмосфере примерно удваивается при учете сопутствующего роста концентрации водяного пара. Две дополнительные климатические обратные связи относятся к гидрологическим циклу и являются более неопределенными чем связь, обусловленная водяным паром, а именно, обратная связь, обусловленная изменениями облачного покрова и обратная связь, обусловленная отражательной способностью снега и льда. На крупном региональном масштабе водные циклы оказывают главное влияние на энергетический запас поверхности посредством скрытых потоков тепла, связанных с испарением и конденсацией. Многие важные процессы не могут быть удовлетворительно описаны посредством прямых наблюдений. Например, процессы, происходящие внутри облака в существенной степени недоступны для методов спутникового и наземного дистанционного зондирования. Поэтому относительное содержание изотопомеров молекул воды H218O и HD16O (обычно обозначаемое как δ18O и δD) могут быть использованы в качестве аналитического инструмента для определения различных «скрытых», но ключевых аспектов водного цикла (Schmidt et al. 2005).

        Глобальное потепление является одной из основных экологических проблем, и ожидается, что наиболее сильно оно проявится в высоких широтах. Более того, антарктические ландшафты особенно чувствительны к изменению температуры из-за тающей вечной мерзлоты (Callaghan & Jonasson 1995). В дополнение к этому, взаимосвязи между биосферой и атмосферой оказывают воздействие на климат и за пределами субарктических и арктических территорий. Некоторые области Арктики уже подверглись потеплению на 0.75ºC в десятилетие на протяжении последних тридцати лет, эти области включают также континентальную часть Сибири. Основной причиной потепления за последние 50 лет, по всей видимости, является рост концентрации парниковых газов (Dlukokencky et al. 1998, IPCC 2001). Рост концентрации атмосферного CO2 может поддерживать чистую продуктивность большинства болотных экосистем (Oechel et al. 1993, 1994). Эффект температурного роста становится важен при регуляции гидрологических циклов болот через суммарное испарение (Kane 1997), для роста количества питательных веществ (Chapin et al. 1995), и для увеличения продолжительности сезона роста растительности (Oberbauer et al. 1998). Зона Западной Сибири, наиболее уязвимая перед изменением климата, составляет приблизительно 600 км в ширину. В этой зоне присутствуют крупные нетронутые болота с областями вечной мерзлоты. На этих болотах в темпах накопления торфа над частично замерзшим слоем торфа были найдены свидетельства изменения климата (Lapshina et al. 2001). Наблюдаемый рост температуры воздуха в криолитической области Западной Сибири крайне неблагоприятно сказывается на верхнем почвенно-растительном покрове, который выполняет роль теплоизолятора между атмосферой и вечной мерзлотой. Это влияние приводит к исчезновению мхов и лишайников, деградации торфяных и болотистых почв, вследствие ускорения процессов минерализации торфа, термокарста, термоэрозии, криосолифлюкции и т.п. Арктические и северные озера и реки играют важную роль и поддержании регионального углеродного баланса, так как северные водяные экосистемы занимают большую территорию (до 20% Западной Сибири), преимущественно перенасыщены CO2 и CH4, и играют роль источника этих газов в атмосфере (Kling et al. 1991, Huttunen et al. 2003, Sobek et al. 2003). Хотя оценки углеродного баланса обычно не учитывают горизонтальный транспорт углерода от земных экосистем к водным экосистемам, потери углерода из водной окружающей среды должны быть учтены при расчете углеродного баланса (Heikkinen, 2003).

        Невозможно осуществить статистически значимое количество прямых приземных измерений за приемлемое время и доступные средства, учитывая протяженность Субарктической области Западной Сибири (Рис. 1) и необходимое для учета количество различных типов болот и водной среды, при расчете баланса данной области. В Западной Сибири, особенно в средней и северной зоне тайги, разрабатываются и эксплуатируются крупные нефтяные месторождения, что приводит к существенным выбросам углеродсодержащих газов, включая CO2 и неcгоревшую часть CH4 из нефтяных газовых факелов (Gribanov et al., 2007), Рис. 2. Однако, в настоящее время всё ещё существуют нетронутые области торфяников, пригодные для опорных измерений. Новое поколение спутниковых сенсоров с высоким спектральным разрешением, такие как TANSO-FTS на борту GOSAT, действующий AIRS на AQUA, а так же TES/AURA и IASI/METOP-A и будущие сенсоры IASI/METOP-B и сенсор с OCO-2 (см. Таблицу 1) позволяющие восстанавливать вертикальные профили различных газов в атмосфере, таких как HDO, H2O, CO2, CH4 и др. (Грибанов и др. 2001, 2007, 2011). Применение этих методов в этом проекте концентрация углеродсодержащих газов в атмосфере может быть замерена несколько раз в день над обширными территориями. При калибровке этих данных наземными экспериментальными данными, полученными как наземными ИК Фурье-спектрометрами, так и прямыми приземными измерениями, может быть подсчитан углеродный баланс и влияние наземной (торфяной) экосистемы на углеродный обмен с атмосферой.

Рис. 1. Область исследования и ключевые места.

Рис.2 Изображение со спектрорадиометра MODIS на борту спутника Terra, полученное над территорией Западной Сибири 12 января 2006 г. Ломанные линии показывают расположения двух газовых трубопроводов. Температура воздуха у поверхности -50ºC. Множественные шлейфы представляют собой газовые выбросы из газовых компрессоров и факелов попутного газа.

Таблица 1. Передовые спутники на полярных орбитах с гиперспектральными инструментами предоставляющие возможность определения в атмосфере CH4, CO2 и H2O (изотопомеры) с глобальным покрытием.

Спектрорадиометр/ Спутниковая платформа

Спектральный диапазон Тепловой ИК (ТИК)/ ближний ИК (БИК) и геометрия

CO2

CH4

H2O (изотопы)

Первый инструмент

IMG/ADEOS (1996-1997)

ТИК, надир

Chedin et al, 2003

Грибанов и др., 2001

Clerbaux et al, 2003

Захаров и др. 2004

Herbin et al, 2007

Действующие инструменты

Sciamachy/Envisat

(2002-present )

БИК, надир

Buchwitz et al, 2005

Buchwitz et al, 2005

Franckenberg et al, 2009

AIRS/AQUA

(2002-present)

ТИК, надир

Maddy et al, 2008

Грибанов и др., 2007

Xiaozhen Xiong et al 2010

Нет

TES/AURA

(2004-present)

ТИК, надир

Kulawik et al 2010

Да

Worden et al 2006

ACE/SCISAT (2003-present)

ТИК, лимб

Rinsland et al 2010

Curtis et al, 2009

Nassar et al, 2007

IASI/MetOp-A (2006-present)

ТИК, надир

Crevoisier et al, 2009

Clerbaux et al, 2009

Crevoisier et al, 2009

Herbin et al, 2009

TANSO-FTS/GOSAT (2009-present)

ТИК, надир

БИК, надир

Yokota et al, 2009

Yokota et al, 2009

Да

Планируемые к запуску

IASI/MetOp-B (2012)

ТИК, надир

Да

Да

Да

OCO-2 (2013)

БИК, надир

Да

Возможно

 

 

        Данная заявка основана на следующих недавних технологических и научных достижениях:

  • Восстановление изотопического состава водяного пара методами спутникового (Захаров В.И. и др., 2004) и наземного (Грибанов К.Г. и др., 2011) дистанционного зондирования. Этот метод был разработан нами в 2004 году и с тех пор несколько инструментов на различных спутниковых платформах позволили осуществить восстановление изотопического состава водяного пара на различных высотах, с различным разрешением и над различными поверхностями (Webster and Heymsfield, 2003, Payne et al., 2007; Worden et al., 2007; Frankenberg et al., 2009; Nassar et al., 2007);
  • Техники восстановления метана и двуокиси углерода в атмосфере над широкой территорией Западной Сибири из инфракрасных гиперспектральных измерений с высоким спектральным разрешением (Clerbaux и др., 2009, Грибанов и др., 2007, 2010). Для восстановления вертикального профиля и содержания в столбе изотопомеров воды из наземных спектральных измерений высокого разрешения могут быть применены новые методы итеративной регуляризации для решения обратной задачи (Васин В.В, 2010);
  • Ставшие недавно доступными инфракрасные лазерные спектрометры. Эта технология необходима для понимания ключевых процессов в водном цикле, имеющих место в планетарном пограничном слое. ИК лазерные спектрометры обладают точностью, соизмеримую с точностью масс-спектрометров и дополняющую ее;
  • Ставшие недавно доступными системы-анализаторы парниковых газов, определяющие концентрации CH4, CO2, и H2O in-situ, а также газовые потоки методом вихревой (турбулентной) ковариации (например, система GHG-1 фирмы LI-COR Biosciences);
  • Ставшие недавно доступными наземные ИК Фурье-спектрометры для измерения прямого проходящего через атмосферу солнечного излучения, что позволяет получить содержание следовых газов в атмосферном столбе, включая отдельные изотопомеры;
  • Включение изотопомеров воды в модели общей циркуляции атмосферы (МОЦА). Уже более двух десятилетий физика изотопомеров воды, учитываемая моделями общей циркуляции атмосферы, позволяет определять влияние специфических процессов, таких как вертикальное движение воздушных масс в конвективных башнях, сход снега или рециркуляция воды над континентами, на изотопический состав различных ветвей в атмосферном водном цикле. Возможность напрямую сравнить результаты численных расчетов с относящимися к ним непосредственными измерениями обладает особой ценностью. Две изотопические модели общей циркуляции атмосферы ECHAM5-wiso и LMDZiso будут использованы для данной цели;
  • Продолжающаяся разработка модели взаимодействия земной поверхности, учитывающей взаимодействия между снежным и растительным покровом, замерзающей и тающей вечной мерзлотой и ее влияние на гидрологию и углеродный баланс. Это предоставляет возможности для разработки изотопической версии этой модели и объединения ее с упомянутыми выше изотопическими моделями общей циркуляции.