Человек без устали загрязняет окружающее его пространство. Природа реагирует на это соответственно: изменением климата, повышением радиационного фона и прочими, не лучшим образом влияющими на условия жизни и здоровье обитателей планеты неприятностями. Можно ли контролировать ситуацию, чтобы не допустить необратимых последствий? Работы ученых, в том числе научного сотрудника Института оптики атмосферы им. В.Е.Зуева СО РАН Татьяны РУССКОВОЙ, позволяют утвердительно ответить на этот вопрос. Она занимается проблемой восстановления оптических и микроструктурных характеристик атмосферного аэрозоля и общего содержания двуокиси азота по данным спутниковых измерений. Молодой ученый надеется, что результаты ее исследования, поддержанного грантом Президента РФ, помогут вовремя нажать на “тревожную кнопку” и, главное, послужат весомым аргументом в пользу неуклонного соблюдения всеми нами экологической безопасности. Наш корреспондент постарался вникнуть в непростую тему.
— Атмосферные аэрозоли — это взвешенные в воздухе твердые и жидкие частицы, химический состав, размер, форма и другие параметры которых определяются их происхождением и цепочкой различных превращений в процессе атмосферного переноса, — объясняет Татьяна Владимировна. — Сообщество аэрозольных частиц разнообразно: один только размер варьируется от нанометров до нескольких десятков микрометров. Микроструктуру аэрозольного ансамбля можно описать функцией распределения частиц по размерам.
Аэрозоли — не инертные, витающие в воздухе образования. Они активно взаимодействуют с солнечным излучением. Способность частиц рассеивать и поглощать солнечный свет определяется их оптическими характеристиками — коэффициентом ослабления излучения, альбедо однократного рассеяния (то есть вероятности выживания фотона), матрицей рассеяния, которые, в свою очередь, зависят от размера, формы и природы частиц.
Рассеивая и поглощая излучение, аэрозоли оказывают заметное влияние на радиационный режим атмосферы Земли. Как элементы климатической системы, они играют серьезную роль: непосредственно воздействуют на условия переноса солнечной радиации и свойства облачности. Изменяя радиационный баланс на уровне верхней границы атмосферы, аэрозоли могут приводить к вариациям температуры атмосферы и земной поверхности и, как следствие, к изменениям других параметров климата.
Мощные извержения вулканов, пылевые бури, лесные пожары, удушливый смог и другие катаклизмы сопровождаются выбросом в атмосферу интенсивно рассеивающих или поглощающих солнечное излучение частиц. Этот процесс дестабилизирует жизнь современного общества и вызывает экологический дисбаланс. Природные аномалии последних лет (например, устойчивые антициклоны и связанные с ними лесные и торфяные пожары в европейской части России и Сибири) упрямо указывают, что нельзя не обращать внимания на этих нано- и микро-“обитателей” нашей планеты.
Альбедо однократного рассеяния относится к числу радиационно и климатически значимых характеристик атмосферного аэрозоля. В экстремальных ситуациях, например при масштабных лесных пожарах, информация о пространственном распределении альбедо приобретает особую актуальность. В ансамбле разнообразных и многочисленных продуктов горения биомассы преобладают аэрозольные частицы, поглощательная способность которых определяется, главным образом, наличием в их составе коричневого (brown carbon) и черного (black carbon) углерода. Поглощая солнечное излучение в разных диапазонах спектра, углерод способствует нагреву атмосферы Земли.
Для оценки экологического состояния атмосферы, изучения процессов изменения климата, повышения достоверности прогнозов и решения множества других задач нужны систематические наблюдения оптических и микроструктурных аэрозольных характеристик с большим пространственно-временным разрешением. Ведь атмосферный аэрозоль, как правило, динамически неустойчивая, нестабильная дисперсная система, обладающая ярко выраженной пространственно-временной изменчивостью.
— Как восстанавливают характеристики аэрозолей по данным спутниковых измерений?
— Мировое научное сообщество давно использует как наземные, так и спутниковые измерения солнечной радиации для оптической диагностики атмосферы Земли. Это возможно благодаря тому, что солнечный свет, проникая во все более глубокие слои атмосферы, взаимодействует с ее различными компонентами и земной поверхностью. Формируется световое поле (его наблюдают с наземных станций, а также космических платформ), которое несет в себе полезную информацию о “соучастниках” взаимодействия. Цель исследователя в том, чтобы извлечь нужные данные из наблюдаемой энергетической характеристики, то есть решить обратную задачу, получив сведения о распространении света в среде. Математическое моделирование играет здесь главную роль.
Уже разработано несколько ключевых алгоритмов восстановления аэрозольных характеристик в столбе атмосферы по данным спутниковых измерений. Выделим два основных подхода. В первом (Look-Up-Table) используют многопараметрические таблицы с результатами численного моделирования отраженной радиации для некоторого ансамбля оптических моделей среды и условий эксперимента. Искомые характеристики аэрозоля отвечают той оптической модели, при которой наблюдается максимальное соответствие между рассчитанным и реально наблюдаемым полем яркости. Это наиболее распространенный прием. Второй подход более сложный, но перспективный, его суть в обращении данных измерений в режиме реального времени.
Точность восстановления не только аэрозольных, но и других характеристик атмосферы (например, общего содержания двуокиси азота — своеобразного индикатора локального и регионального загрязнения) пока нельзя назвать высокой. И это неслучайно. Изучать атмосферу Земли со спутников невероятно сложно: кроме методических погрешностей и погрешности решения некорректных обратных задач есть множество факторов, искажающих принимаемый спутником оптический сигнал.
Наш проект, поддержанный грантом Президента России, посвящен развитию методов восстановления оптических и микроструктурных характеристик атмосферного аэрозоля и общего содержания двуокиси азота по данным спутниковых наблюдений. Также мы исследуем различные факторы (облачность, сложная топография поверхности, отражающие свойства поверхности), в результате пренебрежения и недостаточного учета которых точность восстановления снижается.
— Как давно вы ведете эту работу? Что удалось сделать?
— С основами моделирования переноса солнечной радиации в атмосфере Земли я познакомилась еще в студенческие годы, обучаясь на факультете прикладной математики и кибернетики Томского государственного университета. Серьезно работать над решением задач оптики атмосферы, в том числе обратных, начала в аспирантуре Института оптики атмосферы под руководством Татьяны Борисовны Журавлевой.
Мои первые работы были посвящены восстановлению оптических характеристик аэрозоля по данным наземных спектрально-угловых измерений яркости неба. На следующем этапе мы исследовали различные факторы, влияющие на точность восстановления. Условия задачи усложняли постепенно. В результате в тесном контакте с ведущим научным сотрудником Института физики атмосферы Михаилом Алексеевичем Свириденковым мы создали алгоритм, позволяющий восстанавливать не только оптические, но и микроструктурные характеристики сферических и несферических аэрозольных частиц. Тестировали алгоритм на данных наземных измерений, полученных, в основном, с помощью автоматизированных фотометров, функционирующих в рамках международной сети аэрозольного мониторинга AERONET, развиваемой НАСА. Результаты апробации нашего алгоритма показали тесную корреляционную связь с данными AERONET, а также с оценками аэрозольных характеристик, полученными по данным самолетного зондирования тропосферы.
За период работы в этом направлении мы разработали множество программных продуктов и алгоритмов для решения разных задач теории переноса. Опыт, приобретенный при проведении этих исследований, трудно переоценить. Ведь задачи, связанные с обработкой спутниковой информации, гораздо более сложные, так как требуют учета большого количества факторов, частью которых можно пренебречь при обработке наземных измерений.
— Какими могут быть точки приложения ваших исследований?
— Очевидно, какую бы масштабную наземную наблюдательную сеть вы ни создали, она охватит лишь часть территории Земли. Получение глобальных оперативных данных о состоянии экосистемы Земли возможно только с помощью измерительных средств космического базирования. Космический сегмент систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) развивается стремительно. Увеличивается количество космических аппаратов, совершенствуется аппаратура ДЗЗ, в том числе российская. Интенсивное развитие технологий ДЗЗ диктует необходимость разработки соответствующего математического и алгоритмического аппарата для решения прямых и обратных задач. Существует ли алгоритм решения обратной задачи, который можно считать идеальным? Пожалуй, нет. Все алгоритмы нуждаются в независимой проверке и дальнейшем усовершенствовании.
С ростом количественных и качественных показателей в центрах приема космических данных происходит многократный прирост объема спутниковой информации. Для оперативного усвоения, обработки и анализа спутниковых данных нужны не только значительные вычислительные ресурсы, но и эффективные вычислительные алгоритмы. В рамках проекта мы планируем повысить производительность кодов, на выполнение которых требуются существенные затраты машинного времени.
Результаты исследования важны не только для решения исключительно экологических задач — изучения процессов глобального изменения климата, идентификации источников антропогенного загрязнения, отслеживания пространственно-временного распределения аэрозольных характеристик, оценки радиационных эффектов аэрозоля, создания глобальных аэрозольных моделей. Их можно использовать в качестве методической базы при разработке новых приборов спутникового базирования, предназначенных для изучения атмосферы Земли и других планет.
Материал подготовил Василий ЯНЧИЛИН
Фото предоставлено Т.Руссковой
Нет комментариев