По стопам полярных исследователей

В январе 2015 г. в кромешной темноте при температуре -40 °С научная экспедиция отправилась в замерзший Северный Ледовитый океан. Ее цель состояла в том, чтобы лучше понять изменения в Арктике, происходящие из-за тенденции к замене более старого и толстого ледяного покрова, который обычно выдерживал летнее таяние, более молодым и тонким, который в большей степени подвержен таянию в летний период. Возможно, эта тенденция оказывает большое влияние на процессы, связанные с морским льдом и взаимодействием между океаном и атмосферой, и ее последствия выходят за пределы локального климата в Арктике. Выдвинуто предположение о связях между потерей массы морского льда и экстре­мальными синоптическими ситуациями зимой в Азии и Северной Америке.

Норвежская экспедиция по исследованию молодого морского льда (N-ICE2015) использовала научно-исследовательское судно Lance Нор­вежского полярного института в качестве базы среди дрейфующего льда к северу от Шпицбергена для организации научно-исследовательского лагеря в условиях тонкого арктического льда. Исследователи разбили лагерь недалеко от судна (83° с.ш.), после чего свободно плыли вместе с морским льдом, выполняя измерения льда, океана, атмосферы и эко­системы. Около 70 ученых из многих областей науки, представлявших свыше 10 стран, работали вместе по 3-6 недель на борту судна, чтобы установить, как арктическая система реагирует на резкие изменения, которые произошли за последние десятилетия, при этом большое вни­мание уделялось взаимодействию между атмосферой, льдом и океаном.

Ученым пришлось столкнуться с большим количеством сложностей: помимо кромешной темноты и мороза, во время полярной ночи лед, на котором исследователи должны были устанавливать приборы, чтобы производить измерения вдали от судна во избежание нежелательных воздействий, был очень непрочным. Несколько раз во время экспедиции лед двигался и ломался под ногами. Из-за этого пришлось организовать несколько спасательных операций в сложных условиях, когда оборудо­вание возвращали на судно, а лагерь приходилось переносить на новую плавучую льдину. Белые медведи также представляли постоянную угрозу как для людей, так и для оборудования. Эти любопытные по своей природе животные несколько раз проникали в лагерь и «играли», сея хаос, с научным оборудованием, развлекая наблюдавших за этим людей.

Лед, на котором исследователи должны были устанавливать приборы, чтобы производить измерения вдали от судна во избежание нежелательных воздействий, был очень непрочным и ломался под ногами несколько раз во время экспедиции.

Каким образом атмосферные процессы влияют на более тонкий паковый лед?

Чтобы ответить на этот вопрос, полный комплект аппаратуры для исследования атмосферы разместили как на судне, так и на льду для получения неискаженных измерений вдали от судна. Измерения включали приземную метеорологию с 10-метровой мачты, приземную радиацию в условиях апвеллинга и даунвеллинга и турбулентные потоки. Для измерения температуры, влажности и ветра на высоте до 30 км дважды в день запускали радиозонды. Весной установили содар (акустический радар, используемый в качестве профилометра), который давал ценную информацию о вертикальных движениях в пограничном слое. Над судном измерялись облака с помощью обла­комера и лидара. Лидар предоставляет информацию о типе частиц в облаках: капли воды, ледяные кристаллы или смесь тех и других.

Несколько сильных бурь в зимний период во время экспедиции N-ICE2015 позволили исследовать влияние циклонов в высокоширотной Арктике. Эти явления переносили значительное количество тепла и влаги в Арктику, изменяя энер­гетический баланс над обширными территориями за счет адвекции, вторичного излучения облачности и турбулентного перемешивания в пограничном слое атмосферы. По мере того, как бури приближались к судну, температура и влажность резко возрастали; одна буря вызвала повышение приземной темпе­ратуры от -40 °С почти до 0 °С за 48 часов. Данные о приземной радиации и турбулентных потоках во время этих переходов указывают на большие изменения в приземном энергетическом балансе.

Также вызывает интерес роль арктических бурь в таянии морского льда. Во время многих из этих бурь скорость ветра превышала 15 м/с, что значи­тельно увеличивало давление ветра на поверхности морского льда. Поскольку более тонкий паковый лед может легче ломаться под воздействием бурь и волн, чем более толстый лед, ученые N-ICE2015 отслеживали взаимодействие тонкого пакового льда и бурь, используя комплекс буев, следящих за его движением, а с помощью спутниковых наблюдений измеряли воздействие на него волн. Эти буи разме­щались в составе двух комплектов на поверхности льда на расстоянии нескольких десятков километров от судна Lance. Эта работа выполнялась с помощью лыжного патруля и снегоуборочных машин во время полярной ночи и с помощью вертолета при свете дня.

Предварительные результаты экспедиционных изме­рений турбулентных потоков и физических свойств океана показывают корреляцию между бурями и увеличением потоков тепла в океане, которые спо­собствуют дальнейшему таянию и разрушению пакового льда. Особый интерес океанографы про­явили, пытаясь понять, доходит ли тепло океана от более теплых приточных вод Атлантики до нижней стороны льда и растапливает ли его. Помимо судовых измерений, автономные буи на дрейфующих льдинах также измеряли таяние льда, чтобы дать представ­ление о более крупномасштабных процессах. Бури и более подвижный паковый лед могут служить тем механизмом, благодаря которому глубинное тепло океана способствует таянию льда.

Для сравнения, летние условия были «спокойными» при менее интенсивной синоптической активности и более слабых ветрах. По мере приближения лета на поверхностный энергетический баланс все более сильное влияние оказывает солнечная радиация, хотя это влияние в значительной степени варьируется за счет облачности. Предварительные результаты показывают, что облачность неуклонно возрастает от 50 % зимой (январь-февраль) до 90 % летом (май-июнь). С началом таяния облака играют важную и комплексную роль в энергетическом балансе, поскольку они блокируют поступающий солнечный свет, но при этом обеспечивают большое количество дополнительного поступающего инфракрасного излучения; высокое альбедо снега (т.е. наибольшая часть солнечного света, падающего на поверхность, отражается, поступая обратно в космос) часто озна­чает, что увеличение ИК-излучения может превзойти потери солнечного света. Радиационное воздействие облаков и процессы в пограничном слое являются ключевыми параметрами для понимания энергетиче­ского баланса в Арктике, но пока эти параметры все еще не просто воспроизвести в моделях численного прогноза погоды и сопряженных моделях климата. Измерения облачности и процессов в пограничном слое в ходе экспедиции N-ICE2015 позволят получить ценный комплект данных для сравнения с данными моделирования и комплектами данных, получен­ными в результате повторного анализа данных об атмосфере.

Ученым потребуются многие годы для анализа и интерпретации огромного количества данных, собранных в процессе экспедиции, чтобы лучше понимать происходящие изменения. Именно на это ориентированы ученые, работавшие на борту судна Lance в период с января по июнь.