Климатические наблюдения

Основные составляющие атмосферу Земли газы – азот и кислород не поглощают распространяющееся от Солнца тепловое (инфракрасное) излучение. Радиационный баланс планеты определяют малые газовые составляющие (МГС) атмосферы и аэрозоли. К малым газовым компонентам относятся водяной пар, углекислый газ, метан, закись азота, озон, окись углерода и многие др. Те из них, что оказывают максимальное влияние на радиационные процессы в атмосфере Земли (Н2О, СО2, СН4, О3, N2O), особенно в «окнах» прозрачности ее инфракрасного спектра, относят к числу «парниковых» газов. Систематические сетевые наблюдения за их содержанием является важной геофизической задачей, имеющей прямое отношение к климатологии. Изучение трендов изменчивости МГС на фоне общеизвестного факта существенного роста содержания в атмосфере углекислого газа является необходимым для прогнозирования возможных климатических последствий. Рис. 1 иллюстрирует результаты измерений интегрального содержания в столбе атмосферы углекислого газа в районе оз. Иссык-Куль.

Рис. 1. Среднемесячные концентрации углекислого газа в объемных долях в толще атмосферы на станции "Иссык-Куль".

Измерения осуществляются по инфракрасным спектрам прямого солнечного излучения (ground-based solar cpectroscopy) c 1980 г. и демонстрируют упомянутый выше систематический рост содержания СО2 в атмосфере. Такие же измерения проводятся с 1998 г. и в Обнинске. Однако результаты оказываются менее репрезентативными из-за меньшего числа солнечных дней в году. В связи с этим в НПО «Тайфун» был разработан и внедрен метод определения содержания МГС в пробах приземного воздуха. Его аппаратная часть включает серийный инфракрасный Фурье-спектрометр и многоходовую газовую кювету, заполняемую пробой приземного воздуха. Записанные в поглощающем слое около 30 м спектры содержат характерные для МГС группы линий, интенсивность которых пропорциональна концентрации. Программная часть метода включает алгоритм моделирования спектра и подгонки к экспериментально зарегистрированному. Величины концентраций МГС, обеспечивающие наилучшее согласие «расчета» с «экспериментом» принимаются за результат измерения. В число измеряемых газов входят водяной пар, углекислый газ, метан, окись углерода и закись азота. Рис. 2 иллюстрирует результаты измерений содержания углекислого газа в приземном воздухе в г. Обнинск.

Рис. 2. Приземные концентрации углекислого газа в Обнинске. Вверху – среднедневные концентрации в 2010 г., внизу – среднемесячные за весь период измерений 1998-2012 гг.

График демонстрирует характерные сезонные вариации и устойчивый тренд содержания СО2 в атмосфере. На верхней панели рисунка отчетливо выделяется пик концентрации, связанный с лесными пожарами в Подмосковье летом 2010 г.

В настоящее время измерения на ст. «Обнинск» проводятся на современном исследовательско-измерительном комплексе МР-32. Более подробное описание содержится в Аналитическом обзоре за 2022 г. и файле MR32-OAP-2021.pdf в разделе публикации.

3. Спектрометр – 1, многоходовая кювета – 2. Назначение: Измерение концентраций H2O, CO2, CH4, CO, N2O в толще атмосферы и в пробах воздуха. 

Солнце-следящая система, установленная на крыше лабораторного здания, направляет луч света вниз на входную апертуру спектрометра, как показано стрелкой. При солнечной погоде измеряются концентрации указанных на рисунке газов в столбе атмосферы. При пасмурной погоде прибор переключается на внутренний источник излучения и определяется содержание этих МГС в пробах приземного воздуха. 

Полуэмпирические климатические модели глобальной циркуляции на высотах мезосферы и нижней термосферы (МНТ) - PDF файл.