Полеты над Арктикой: как российские ученые исследуют атмосферу. "В МИРЕ НАУКИ" № 10

В Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения РАН работает единственный в стране постоянно действующий научно-исследовательский самолет-лаборатория.

ТУ-134 «Оптик» предназначен для измерения оптических и метеорологических параметров атмосферы, состава воздуха, зондирования подстилающей поверхности, включая водную. О работе уникального летательного аппарата, климатических изменениях и результатах зондирования атмосферы над морями Арктики рассказывает директор Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева  СО РАН доктор физико-математических наук Игорь Васильевич Пташник.

─ Игорь Васильевич, чем уникален самолет Ту-134 «Оптик»?

─ Наш самолет-лаборатория — единственное сегодня в стране воздушное судно, которое регулярно совершает полеты для проведения научных исследований. Он оборудован широким набором современных приборов для измерения самых разных параметров атмосферы. Воздушные наблюдения на территории России с помощью поколения подобных самолетов проводятся нашим институтом ежегодно на протяжении вот уже 40 лет. За эти годы нам удалось накопить бесценные знания о свойствах и динамике атмосферы над всей территорией бывшего СССР, а теперь России, и над морями российской Арктики.

В прошлом году у нас состоялась уникальная экспедиция (подобных экспериментов не было даже в Советском Союзе): самолет совершил облет на разных высотах всех шести морей российской Арктики: Баренцева, Карского, Восточно-Сибирского, Чукотского, Берингова и моря Лаптевых. Были выполнены измерения ряда важнейших параметров: в первую очередь это, конечно, концентрация разных газов, включая парниковые — углекислый газ, метан и др., а также параметры аэрозоля, радиационных характеристик (излучений от Солнца) и т.д. Измерялись также некоторые характеристики поверхности морей. Исследования атмосферы проводились на высотах от 200 до 9 тыс. м над уровнем моря.

Ну и, конечно, исключительная особенность самолета-лаборатории «Оптик» — это наш летный отряд: ученые, как молодые, так и уже солидного возраста, всецело увлеченные своим делом.

─ О чем говорят полученные результаты? Нам стоит тревожиться?

─ В ходе арктической экспедиции получены интересные и. как вы верно отметили. тревожные результаты. Один из них, можно сказать, основной, — это повышенное содержание метана, сильного парникового газа: он в десятки раз сильнее, чем С0₂ (просто в нашей атмосфере его содержится гораздо меньше, чем диоксида углерода). Повышенное содержание метана было зафиксировано над всеми шестью морями российской Арктики.

Следует подчеркнуть, что повышение концентрации метана в приземном слое воздуха в Арктике было ранее зафиксировано в судовых экспедициях, а интегральное содержание — по спутниковым данным. В отличие от этих результатов мы измерили с высокой точностью его вертикальное распределение во всей толще тропосферы — от приводного слоя до тропопаузы (высоты, на которой температура начинает расти), которая в этих широтах находится на 9-10 км. В некоторых полетах самолет ее пересекал.

─ С чем связано такое повышенное содержание метана?

─ Есть разные гипотезы. Например, что в теплеющем океане биота начинает более интенсивно выделять метан, а он из океана поступает в атмосферу. Подругой версии (члена-корреспондента РАН И.П. Семилетова), это может быть результатом разложения газогидратов под шельфовыми льдами. Авторы считают, что из-за таяния многолетней мерзлоты шельфов этих морей (вследствие потепления климата) газогидраты под ними начинают разлагаться и метан просачивается в эти «проталины», либо сама тающая мерзлота также может быть источником эмиссии карбоносодержащих газов. Но эта версия, пожалуй, сегодня наименее поддержана научным сообществом.

Исследования члена-корреспондента РАН И.В. Богоявленского говорят о том, что это, скорее всего, связано с естественными тектоническими процессами, в результате которых происходит как таяние многолетней мерзлоты под шельфами арктических морей, так и разложение газогидратов с выходом карбонсодержащих газов. То есть в этой версии нагрев получается вследствие тектонических процессов, снизу, а не из-за воздействия антропогенных факторов. И тогда это явление может как усиливаться, так и ослабевать в разные периоды времени.

Есть версия о том, что это биота, обитающая в воде, выносится в арктические моря из устьев великих сибирских рек. Вдоль всего побережья Северного Ледовитого океана есть многочисленные озера, насыщенные биотой, которые также могут давать эмиссию метана в летнее время.

Подытоживая: сегодня пока нет окончательной определенной версии, объясняющей повышенное содержание метана над морями российской Арктики. Существуют разные гипотезы. И, конечно, это большой вызов для научного сообщества. Узнать причину очень важно.

─ Метан распределяется над всеми шестью морями равномерно или над какими-то из них концентрация выше?

─ По данным И.П. Семилетова, обнаружившего «сипы» в ходе судовых экспедиций, максимальная концентрация метана наблюдается над Восточно-Сибирским морем и морем Лаптевых. По нашим самолетным данным, наибольшая концентрация метана была зарегистрирована над Карским и Баренцевым морями: почти до 7% выше, чем фоновое содержание. Над другими морями превышение над фоном поменьше — 4-5%. Но над всеми морями зафиксировано повышенное содержание в нижних нескольких километрах над уровнем моря, которое потом быстро спадает. На высоте около 1-2 км концентрация уменьшается уже почти до фоновой, кроме Карского моря, где метановый шлейф тянется до нескольких километров.

─ А какое есть объяснение подобному распределению?

─ Это тоже пока непонятно. Может быть, дело в частичном выносе воздушных масс с суши, в том числе с прибрежных озер, которые, как я сказал, насыщены биотой и потому выделяют в атмосферу много метана. Может быть, они больше воздействуют на Баренцево и Карское моря, так как на их прибрежных территориях находится огромное количество таких озер. Вблизи восточных морей рельеф гористый и озер значительно меньше. Но это пока однозначно не установлено и еще предстоит выяснять.

─ В одном из своих недавних выступлений вы говорили, что наши деревья стали хуже поглощать С0₂. С чем это связано?

─ Пока наши исследования дают только некоторые основания для таких действительно тревожных выводов. За 25 лет наблюдений нами было обнаружено, что так называемая минимальная концентрация С0₂ над бореальными лесами Сибири до 2005 г. практически не росла, то есть тренд был почти нулевой. Минимальная концентрация наблюдается летом, так как в этот период леса наиболее активно поглощают углекислый газ; соответственно, зимой концентрация СО_г над лесами увеличивается. Так вот, если до 2004 г. эти минимальные (летние) концентрации в среднем почти не изменялись, то начиная с 2005 г. наблюдается их рост. Очевиден устойчивый тренд — рост углекислого газа из года в год, если не брать в расчет небольшие от года к году флуктуации. Причем скорость этого роста существенно больше, чем рост эмиссии диоксида углерода в мире, то есть среднеглобальный рост. Поэтому складывается впечатление, что уменьшилось именно поглощение С0₂ лесами. Но, может быть, это связано с подстилкой в лесах, где тоже свое биоразнообразие, на активность которого могут влиять, например, участившиеся пожары. Хотя прямой корреляции с пожарами мы не обнаружили.

Почему это произошло, почему экосистема, связанная с бореальными лесами, стала меньше поглощать С0₂ в самый вегетативно активный период, то есть летом, — это пока загадка. Для ее решения нужно привлекать лесоведов и почвоведов, продолжать мониторинг, выяснять, почему происходит такой рост. Сегодня мы уже проверили корреляцию с лесными пожарами, вырубками, засухой, но явной взаимосвязи ни с одним из этих факторов не обнаружили. Поэтому пока остается гипотеза, что это связано все-таки со снижением поглощательной способности лесов.

— Расскажите подробнее о самом самолете Ту-134 «Оптик». Сколько человек на борту во время экспедиций, сколько длится полет?

─ Наш летный отряд состоит из 25 человек. Упомянутая экспедиция по всем шести морям заняла 42 часа летного времени, около полутора недель. Мы стараемся летать каждый месяц, но обходится это дорого и. конечно, регулярность полетов зависит от финансирования. Один час полета на Ту-134 «Оптик» стоит более 370 тыс. рублей, и это только расходы на горючее. К счастью, нам помогают французские и японские коллеги, которые заинтересованы в изучении климатических процессов, происходящих над Сибирью, ведь Сибирь — это крупный климатообразующий регион

Нынешнее воздушное судно Институт оптики атмосферы арендует уже десять лет; ранее оно принадлежало другому владельцу. Наш самолет рассчитан на 40 лет работы, и этот срок, к сожалению, уже подошел к концу, с 2020 г. самолет должен ежегодно проходить аттестацию для продления полетов. В любой момент он может не пройти сертификацию — и этот многолетний проект остановится. Чтобы продолжать исследования, нам, конечно, нужен новый летательный аппарат.

─ Как пандемия COVID-19 отразилась на работе ученых?

─ Наша экспедиция проходила в трудных условиях, потому что это был сентябрь 2020 г., самый разгар пандемии. У отряда возникли трудности организационного характера, которые, надо сказать, были успешно преодолены летным коллективом. Добавилась необходимость постоянно сдавать ПЦР-тесты, и иногда это приходилось делать в самых неожиданных местах, в самых разных аэропортах. Кроме того, северные аэропорты, как правило, работают «по регламенту»: начинают принимать самолеты с девяти утра и заканчивают в пять вечера. Суббота и воскресенье — выходные. Поскольку наш полет по морям проходил с запада на восток, к полетному времени добавлялась поясная разница в часах и это сокращало полетный рабочий день. В некоторых аэропортах не было горючего, чтобы заправиться. В общем, мы столкнулись с целым рядом организационных сложностей, но оно того стоило — ведь сам полет оказался очень интересным и совершенно особенным.

─ Какие еще параметры, кроме концентрации двуокиси углерода и метана, мониторит команда во время полета?

─ Мы измеряем профили концентраций нескольких газов, как я уже упоминал, это  н₂о, со₂, сн₄, со, so₂.NO, N0₂ и О_э. Измеряются также параметры аэрозоля, концентрации трех фракций аэрозоля от 3 нм до 30 мкм, проверяем химический состав органической и неорганической составляющей аэрозоля, сажу. ГНЦ «Вектор» регистрирует в пробах биоаэрозоль. В ходе экспедиции было показано, например, что концентрация аэрозоля уменьшается в среднем с запада на восток, что соответствует норме, поскольку основные источники находятся на западе. Было зафиксировано также, что содержание углекислого газа падает у поверхности моря, и это хорошо: наши северные моря по-прежнему поглощают С0₂, как, в общем, и должно быть.

Кроме того, измерялись метеопараметры на разных высотах: температура, давление, влажность и т.д. Измерялось радиационное излучение от поверхности Земли. Этот параметр может служить источником информации, например, о вегетационном индексе. С помощью специального флуоресцентного лидара фиксировалось наличие планктона в поверхностном слое морей.

─ Наша атмосфера со временем становится грязнее или нет? Что говорят ваши исследования о загрязнении воздуха?

─ Тут два аспекта, которые нужно различать. Если говорить о «фоновой» атмосфере на Земле, то есть вдали от промышленных центров, то я думаю, что благодаря «экологической революции» 1970-х гг. в большинстве развитых стран атмосфера становится в целом чище, за исключением роста эмиссии парниковых газов. В результате антропогенного влияния углекислый газ вырос с 300 ppm (миллионных долей в воздухе) до 400 ррт за последние 30 лет. И это один из основных факторов, который обусловливает глобальное потепление. Но атмосфера в отдельных городах, например, Сибири, стала заметно грязнее. Это другая сторона вопроса, и тут нужно принимать серьезные меры.

─ Возможно ли четко разделить антропогенный и природный факторы, влияющие на рост того или иного газа? Как не перепутать одно с другим?

─ В отдельных случаях это возможно. Есть газы, которые на 70-80% однозначно антропогенные. Это прекрасно известно, и в естественном состоянии в природе их очень мало: например, фтор, хлор- и бромсодержащие фреоны, угарный газ и т.д. Хлорсодержащие фреоны и вообще хлор в атмосфере на 80% имеют антропогенное происхождение.

─ Что насчет метана и углекислого газа? Здесь мы тоже можем отличить природный газ от антропогенного?

─ Конечно, метан и С02 как содержатся в атмосфере естественным образом, так и выделяются человеком. Но антропогенный углекислый газ и метан имеют, как правило, другой изотопный состав, он более легкий. Не вдаваясь в подробности, скажу, что при сжигании природных ископаемых (торфа, каменного угля, нефти, газа) образуется основной, легкий изотоп С02 и по изменению соотношения в атмосфере легкого и тяжелого изотопа можно оценивать антропогенную эмиссию диоксида углерода в атмосферу, обусловленную сжиганием природных ископаемых.

─ Можно сказать, что мониторинг, который вы ведете на территории Арктики и Сибири, ставит диагноз. А как лечить болезнь?

─ «Лечение» было предложено международным сообществом еще несколько лет назад и закреплено в Парижском соглашении об изменении климата. Этот небезызвестный документ был подписан подавляющим числом стран. Основные действия, которые в этом плане может предпринять человечество, — это уменьшать долю углеродной энергетики, то есть сокращать использование любых источников энергии, которые приводят к значительному выделению углекислого газа и метана в атмосферу. Было наглядно показано, что эти меры реально могут снизить объем выделения вредных газов, соответственно, уменьшить скорость роста температуры и. возможно, не допустить рост средней глобальной температуры до двух градусов по сравнению с преиндустриальным периодом. Но удастся ли это сделать? Пока что есть сомнения.

Важно понимать, что увеличение средней глобальной температуры на два градуса по сравнению с преиндустриальным периодом может серьезно повлиять на десятки миллионов людских жизней. Причем по иронии судьбы будут страдать жители малоразвитых регионов, таких, например, как Африка, которые меньше всего ответственны за этот антропогенный рост углекислого газа в атмосфере. Глобальное потепление ведет к повышению уровня океана, затоплению определенной части суши. Но парадокс в том, что это будет хоть и относительно небольшая, но жизненно важная для жителей бедных стран часть суши, поскольку это те самые несколько процентов суши, где получают наибольший урожай риса и других культур, и с этого урожая кормятся около 50% населения Земли. Поэтому последствия изменения климата ударят в первую очередь по наиболее бедным странам, а ресурсов, чтобы справиться с этими последствиями, у них нет.

─ Насколько Россия вписывается в мировой тренд декарбонизации?

─ Не секрет, что наша страна живет в основном за счет нефти и газа. Исторически так сложилось, что углеводородное топливо стало нашим основным источником энергии. Мы его и экспортируем, и сами активно используем. Поэтому, конечно, в вопросах декарбонизации Россия пока сильно отстает от других развитых стран мира.

Нам нужно совершенствовать технологии безуглеродной энергетики, и здесь особое внимание стоит обратить на атомную энергию, в освоении которой Россия уже имеет большой опыт. Конечно, аварии в Чернобыле и Фукусиме в какой-то степени поставили под удар доверие мирового сообщества к атомной энергетике. Тем не менее, специалисты, которые вплотную занимаются этим вопросом, в один голос говорят, что сегодня атомная энергетика уже в значительной степени безопасна и поэтому ставку стоит делать именно на атомные станции.

Кроме того, есть еще ветряная энергетика, которая в нашей стране пока совершенно не развита. Есть также солнечные батареи, и за последние 10-15 лет в Европе произошел значительный прорыв в их развитии и использовании. Сейчас солнечными батареями в Европе обставляется все начиная от домов и заканчивая административными учреждениями. Эффективность солнечных батарей выросла, а цена упала, так что на это направление обязательно стоит обратить внимание. Ну и есть надежда, конечно, на термоядерную энергетику, то есть термоядерный синтез.

─ Говорят, что Мировой океан изучен очень плохо. А как обстоят дела с атмосферой?

─ Я полагаю, что атмосфера Земли все же изучена гораздо лучше, чем океан, хотя, возможно, специалисты по атмосфере с этим не согласятся. Здесь мы уже на достаточном уровне освоили измерения, да и сама атмосфера более доступна для нашего изучения, чем океан с его глубинами и огромным давлением на этих глубинах.

Сегодня мы знаем много о нашей атмосфере. Есть специальные программы, которые моделируют ее глобальную циркуляцию, учитывая все больше и больше факторов, таких как поглощение солнечной радиации, перенос тепла, перенос воздушных масс, влияние океана и т.д. Есть большой массив измерений. Однако нерешенные вопросы остаются и здесь: например, аэрозоль, компонент атмосферы, который присутствует везде, но по-прежнему остается самым серьезным фактором неопределенности при расчете теплового баланса атмосферы.

Сотрудники нашего института совместно с коллегами из Финляндии сейчас исследуют новую гипотезу о том, что биогенные выделения растений — фитонциды — могут влиять на процесс аэрозолеобразования. Во многих регионах, в том числе в Сибири, зарегистрированы периодические всплески внезапного аэрозолеобразования (нуклеации): это частицы размером в десятки-сотни нанометров. И есть предположение, что это может быть обусловлено фитонцидами, которые выделяются растениями, и что процесс становится более и более активным в связи с ростом объемов С0₂. Это аэрозолеобразование, в свою очередь, влияет на облакообразование и, соответственно, на климат. Есть и другие вопросы по аэрозолеобразованию и образованию некоторых типов облаков.

─ А какие еще есть неизученные явления в атмосфере?

─ Мне на ум сразу приходят шаровые молнии, которые считались загадочным атмосферным явлением еще в моем детстве. Они и остаются таковыми по сей день. Общепризнанной теории о природе шаровых молний в мире до сих пор нет.

─ Игорь Васильевич, подводя итоги, расскажите, пожалуйста, что ждет атмосферу Земли в будущем?

─ Это во многом зависит от человечества. Если не брать в расчет такие возможные катаклизмы, как суперизвержение вулкана, крупный астероид или какие-то другие космические факторы, то в остальном все зависит исключительно от нас. Если мы остановим наше губительное воздействие на атмосферу парниковыми газами, затормозим рост глобального потепления, которое ничего хорошего нам не сулит, то, я думаю, мы вполне сможем еще тысячи лет жить в той прекрасной атмосфере, которую пока еще имеем сегодня.

Наша атмосфера уникальна, она способна очищаться от парниковых газов благодаря лесам и морям. Эта регенеративная способность очень ценна, особенно если мы говорим о будущем. Но на нынешнем этапе развития человечества его способности загрязнять атмосферу, да и биосферу вообще, настолько выросли, что атмосфера уже не успевает регенерировать сама. Очень важно учитывать это, когда мы строим планы на будущее.