Наблюдения за водяным паром

Некоторые атмосферные газы, такие как водяной пар и СО₂, поглощают и вновь излучают инфракрасную энергию из атмосферы на поверхность Земли. Этот процесс, известный как парниковый эффект, приводит к тому, что средняя приземная температура на 33 °С превышает ту, которая была бы при отсутствии этого эффекта. Если бы не парниковый эффект, средняя температура на Земле была бы прохладной и составляла −18 °С. Однако именно неконденсирующиеся или долгоживущие парниковые газы – в основном СО₂, но также метан (СН₄), закись азота (N₂О) и галоидоуглеводороды (ХФУ, ГФХУ, ГФУ) – выступают в качестве движущих факторов парникового эффекта. Водяной пар и облака создают быстродействующую обратную связь, т. е. водяной пар быстро реагирует на изменение температуры посредством испарения, конденсации и выпадения осадков.

Эта ярко выраженная обратная связь водяного пара означает, что при сценарии, учитывающем увеличение концентрации СО₂ в два раза по сравнению с доиндустриальным периодом, водяной пар и облака в глобальном масштабе приводят к росту тепловой энергии,  и этот вклад примерно в три раза превышает вклад долгоживущих парниковых газов. Поэтому, оценив способность захватывать тепло, выделяемое с поверхности Земли, приходим к выводу, что водяной пар и облака вносят самый большой вклад в потепление. Количество водяного пара в атмосфере непосредственным образом связано с количеством СО₂ и других долгоживущих парниковых газов, которые демонстрируют тенденцию к росту.

Мы не можем напрямую контролировать количество водяного пара в атмосфере, поскольку вода находится повсеместно на нашей планете – она покрывает 71 % поверхности Земли. Чтобы ограничить количество водяного пара в атмосфере и контролировать температуру Земли, мы должны ограничить выбросы парниковых газов, в отношении которых мы на деле можем что-то предпринять, т. е. СО₂ и других долгоживущих парниковых газов.

ГСА осуществляет наблюдения за водяным паром, поскольку он является важной составной частью атмосферы, играя заметную роль в климатической системе как активный парниковый газ и источник формирования облаков. Водяной пар также важен как химическое соединение, как в тропосфере, будучи источником гидроксильного радикала – наиболее важного окислителя в тропосфере, так и в стратосфере, где он влияет на истощение озона, особенно в полярных районах.

Измерение водяного пара

Водяной пар в атмосфере можно измерить с помощью разнообразных методов и наблюдательных платформ. Эти наблюдения главным образом используются для численного прогноза погоды, мониторинга и исследований климата и химии атмосферы. Водяной пар измеряется приборами in situ, установленными на аэростатах и самолетах, и удаленно спутниковыми и наземными датчиками.

Аппаратура для зондирования на аэростате, состоящая из конденсационного гигрометра НУОА (КГ, на переднем плане), озонного зонда с электрохимическим концентрационным элементом (ЭКЭ) (на заднем плане) и радиозонда InterMet (слева). Воздуховпускной патрубок из тонкой нержавеющей стали расположен на верхней стороне гигрометра. Такой же патрубок прикрепляется к нижней стороне прибора перед запуском.

Различные методы измерения водяного пара включают использование следующих приборов:

• пассивные микроволновые датчики, установленные на платформах на полярной орбите;
• инфракрасные датчики, которые являются основой для формирования самых длинных рядов спутниковых данных с использованием приборов для профилирования и зондирования водяного пара;
• устройства формирования изображений в ультрафиолетовом, видимом и ближнем ИК-диапазонах спектра (методы извлечения данных в дневное время, которые используют два канала и обеспечивают высокое пространственное разрешение (~1 км));
• лимбовое зондирование – метод зондирования различных слоев атмосферы посредством наблюдения по касательному лучу, не пересекающему поверхность Земли;
• радиозонды, широко используемые приборы для зондирования in situ, которые обеспе чивают высококачественные профили относительной влажности (помимо других переменных) с пока что непревзойденным вертикальным разрешением ~5 метров; ежедневно в мире запускаются около 1000 радиозондов. Установленные на радиозондах датчики влажности дают качественные данные о влажности в большей части тропосферы. Однако необходимо внести важные коррективы в их измерения влажности в верхней тропосфере и стратосфере;
• установленные на аэростатах конденсационные гигрометры, использующие охлаждаемое зеркало, температура которого тщательно контролируется при точке замерзания;
• наземные приборы, позволяющие проводить полунепрерывное зондирование воздушной массы над фиксированной местностью;
• различные дальнемагистральные самолеты гражданской авиации, оснащенные датчиками для измерения пара.

Выявлению тенденций в наблюденном водяном паре в атмосфере препятствуют неоднородности в рядах данных, возникающие в случае прерывания программ измерений, например, из-за ограничения продолжительности работы спутников или недостаточного документального подтверждения или недопонимания изменений в приборном обеспечении. Другой проблемой является объединение записей

различных приборов, которые не согласуются между собой. Примером служит несоответствие между записями спутниковых приборов HАLOE и MLS. Тем не менее наблюдения показывают устойчивое увеличение общего содержания водяного пара в вертикальном столбе атмосферы, а также суммарное увеличение содержания водяного пара в стратосфере за 30-летний период.

Эмрис Холл (CIRES, Колорадский университет) готовится запустить аэростат, оснащенный КГ НУОА, озонным зондом с ЭКЭ и радиозондом, с испытательного полигона Маршалла в Боулдере, штат Колорадо.

Водяной пар в климатических моделях

Во второй половине ХХ века количество водяного пара в стратосфере показало тенденцию к суммарному увеличению, но с 2000 г. наблюдались периоды как его роста, так и уменьшения (Nedoluha et al., 2013). В настоящее время нет полного понимания всех механизмов, вызывающих изменения водяного пара в стратосфере.  Перенос газов из тропосферы в стратосферу в основном происходит через тропическую тропопаузу. За счет низких температур в этой части атмосферы воздух становится замороженно-высушенным, и в стратосферу поступает очень мало воды. Важным источником водяного пара в стратосфере фактически является окисление метана, переносимого вверх из тропосферы. Предполагается, что будущее потепление вследствие изменения климата и повышение концентраций метана приведут к увеличению количества водяного пара в стратосфере.

Увеличение количества водяного пара в верхней тропосфере и нижней стратосфере (ВТНС) приводит к радиационному выхолаживанию на этих уровнях и вызывает потепление на поверхности. Результаты последних анализов показывают, что потепление на поверхности Земли может реагировать на субчасти на миллион (ppm) в отношении изменений объема водяного пара в нижней стратосфере. Исследования показали, что 10-процентное уменьшение объема водяного пара в стратосфере между 2000 и 2009 гг. замедлило скорость повышения глобальной приземной температуры за этот период примерно на 25 % по сравнению со скоростью повышения, которая имела бы место при воздействии только СО₂ и других парниковых газов.^[1] Более ограниченные данные предполагают, что количество водяного пара в стратосфере, возможно, увеличилось между 1980 и 2000 гг., и это могло бы повысить скорость потепления на поверхности земли за 10 лет в течение 1990-х годов примерно на 30 % по сравнению с оценками, не учитывающими эту возможность. Эти результаты показывают, что водяной пар в стратосфере является важным фактором глобального изменения климата на поверхности земли.

При отсутствии глобальных трехмерных наблюдений за водяным паром для проверки правильности расчетов на основе численных моделей часто используется продукция глобального реанализа. Два широко используемых комплекта данных реанализа – это комплект данных, подготовленный НАСА по результатам современного ретроспективного анализа для исследований и применений (MERRA), с его новейшим вариантом MERRA2 и комплект данных, подготовленный Европейским центром среднесрочных прогнозов погоды (ЕЦСПП) по результатам промежуточных реанализов (ERA Interim). 

Последнее исследование показало, что данные реанализа об атмосферном водяном паре на больших высотах, который играет важную роль в парниковом эффекте, являются не настолько точными, как думали ранее. Данные о водяном паре для области ВТНС из этих комплектов данных реанализа сравнили с данными о водяном паре, полученными с помощью микроволнового лимбового зонда (Microwave Limb Sounder (MLS)), установленного на спутнике AURA. Эти спутниковые данные не использовались для получения продукции указанных реанализов, поэтому они представляют собой независимый комплект данных, пригодный для проверки правильности. В процессе исследования обнаружено, что результаты реанализов достаточно сильно отличаются от данных наблюдений MLS, переоценивая глобальное среднегодовое количество водяного пара в верхней тропосфере примерно на 150 %. В вертикальном направлении перенос водяного пара через тропическую тропопаузу (16–20 км), согласно результатам реанализов, происходит быстрее примерно на 86 % по сравнению с наблюдениями MLS. В тропической части нижней стратосферы (21–25 км) средний вертикальный перенос, по данным ЕЦСПП, происходит на 168 % быстрее по сравнению с оценкой MLS, тогда как по данным MERRA и MERRA2, скорость вертикального переноса составляет не более 10 % от значений, полученных MLS. В горизонтальном направлении на уровне 100 гектопаскалей (гПа) как наблюдения с помощью MLS, так и результаты реанализов показывают более быстрый перенос к полюсу в северном полушарии по сравнению с южным. По сравнению с данными наблюдений MLS горизонтальный перенос водяного пара, по данным MERRA и MERRA2, происходит на 106 % быстрее в северном полушарии, но примерно на 42–45 % медленнее в южном полушарии. По данным ЕЦСПП, горизонтальный перенос происходит на 16 % быстрее в обоих полушариях по сравнению с данными наблюдений MLS.

Чтобы еще более усложнить эти расхождения, следует отметить, что данные о водяном паре, полученные MLS, показывают «сухое» отклонение на 10–20 % в тропической части верхней атмосферы по сравнению с данными конденсационных гигрометров, запущенных на метеорологических зондах в г.Хило, штат Гавайи, и г. Сан-Хосе, Коста-Рика, (Dale Hurst, 2016). «Сухие» отклонения в данных MLS могут незначительно уменьшить «влажные» отклонения в комплектах данных MERRA и ERA Interim относительно данных MLS.

Такие большие расхождения между различными типами данных наблюдений и между результатами наблюдений и реанализов свидетельствуют о наличии значительной неопределенности в измерениях, а также о нашем недопонимании процессов переноса и обезвоживания в области ВТНС. Они также свидетельствуют о крайней необходимости повышать количество и качество наблюдений за водяным паром в этой области. Как было отмечено в разделе об измерениях, работе современных систем наблюдений мешают различные недостатки, такие как ограниченная продолжительность работы спутников и недостаточное пространственно-временное распространение аэростатных и наземных измерений. Например, в мире существует лишь одно место (Боулдер, штат Колорадо), где имеются временные ряды аэростатных измерений водяного пара в области ВТНС за более чем 30 лет.

Модели, применяемые для прогноза климата в будущем, используют данные реанализа, чтобы убедиться в правильности моделирования современного климата. Следовательно, отсутствие точных данных о водяном паре в важной области ВТНС ограничит способность этих моделей прогнозировать будущий климат. 

Водяной пар как химическое соединение

Помимо того, что молекулы воды выступают в роли парникового газа и являются источником образования облаков, они также участвуют в химических реакциях в атмосфере. Наряду с озоном, водяной пар является важным источником формирования высокоактивного гидроксильного радикала (ОН). Радикал ОН является важнейшим окислителем в нижней атмосфере, выполняя функции основного поглотителя многих парниковых газов (например, СН₄, гидрохлорфторуглеродов (ГФХУ), гидрофторуглеродов (ГФУ)) и загрязняющих веществ (например, СО и неметановых углеводородов). В чистом воздухе радикал ОН образуется в процессе следующих двух реакций:

O₃ + n (I<340nm) –> O₂ + O(¹D)

O(¹D) + H₂O –> 2OH

Концентрация ОН в атмосфере зависит от количества озона и водяного пара. Продукция ОН также зависит от количества озона наверху, поскольку это определяет количество коротковолновой радиации, которое необходимо для расщепления молекулы озона.

В то время как тропосфера является достаточно влажной, стратосфера очень сухая, где обычно коэффициент смешения водяного пара составляет ≤ 5 частей/млн. Это означает, что в стратосфере обычно нет облаков. Однако если температура опускается ниже −78 °С, может образоваться особый тип облаков смешанной капельножидкой и кристаллической структуры и азотнокислых облаков (HNO₃ · 3H₂O) На поверхности частиц льда происходят химические реакции, которые превращают безопасные соединения «резервуара» хлора (хлористый водород HCl и нитрат хлора ClONO₂) в химически активные формы (окись хлора ClO), которые разрушают озон.

Тренды стратосферного водяного пара над городом Боулдер (Колорадо) указывают на фактическое увеличение водяного пара в стратосфере за 30 лет.  (По данным Hurst et al., 2011

Повышение концентраций водяного пара наряду с понижением температуры в стратосфере, что также является следствием изменения климата, приведут к увеличению количества таких облаков, а это послужит причиной более сильного истощения озона, которое будет продолжаться до тех пор, пока концентрация озоноразрушающих газов будет оставаться высокой.

Перламутровые облака в стратосфере на высоте 20–25 км над землей образуются в подветренных волнах, когда дуют сильные западные ветры над Норвежскими горами. Цвета обусловлены дифракцией вокруг частиц льда, образующих эти облака. Несмотря на их красоту, они служат предвестниками разрушения озона вследствие преобразования пассивных галогенных соединений в активные виды, разрушающие озон.

Нерешенные проблемы в области наблюдений водяного пара

Глобальное распределение водяного пара в верхней тропосфере и стратосфере не очень хорошо изучено из-за недостатка наблюдений с высоким вертикальным разрешением в этой области атмосферы. В некоторых случаях существуют значительные расхождения между спутниковыми данными, данными конденсационных гигрометров и результатами метеорологических реанализов. Необходимо иметь более точные данные с более широким географическим охватом. Наблюдаемые временные тренды в стратосферном водяном паре недостаточно понятны, и это свидетельствует о том, что мы не можем понять, как водяной пар поступает в стратосферу. Именно этими проблемами будет заниматься ГСА в будущем.

Ссылки

• Forster, P. M. de F., and K. P. Shine (2002), Assessing the climate impact of trends in stratospheric water vapor, Geophys. Res. Lett., 29, 1086, doi:10.1029/2001GL013909.
• Hurst, D.F., S.J. Oltmans, H. Vömel, K.H. Rosenlof, S.M. Davis, E.A. Ray, E.G. Hall and A.F. Jordan, 2011: Stratospheric water vapor trends over Boulder, Colorado: Analysis of the 30 year Boulder record. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 116(D2):D02306, doi:10.1029/2010JD015065.
• Hurst, D.F., 2016, personal communication.
• Jiang, Jonathan H., Hui Su,
Chengxing Zhai,
Longtao Wu, Kenneth Minschwaner,
 Andrea M. Molod,
Adrian M. Tompkins, 2015: An assessment of upper troposphere and lower stratosphere water vapor in MERRA, MERRA2, and ECMWF reanalyses using Aura MLS observations, J. Geophys. Res. Atmos., 120, 11,468–11,485, doi:10.1002/2015JD023752.
• Lacis, A.A., J.E. Hansen, G.L. Russell, V. Oinas and J. Jonas, 2013: The role of long-lived greenhouse gases as principal LW control knob that governs the global surface temperature for past and future climate change. Tellus B, 65:19734, doi10.3402/tellusb. v65i0.19734.
• Nedoluha, G. E., Michael Gomez, R., Allen, D. R., Lambert, A., Boone, C., and Stiller, G.: Variations in middle atmospheric water vapor from 2004 to 2013, J. Geophys. Res. Atmos., 118, 11285–11293, doi:10.1002/jgrd.50834, 2013.
• Solomon, S., K. H. Rosenlof, R. Portmann, J. Daniel, S. Davis, T. Sanford, and G. -K. Plattner (2010), Contributions of stratospheric water vapor to decadal changes in the rate of global warming, Science, 327, 1219-1223, doi:10.1126/science.1182488.

Дополнительные материалы

Observations of water vapour: N. Kämpfer (ed.), Monitoring Atmospheric Water Vapour, ISSI Scientific Report Series 10, DOI 10.1007/978-1-4614-3909-7, ©Springer Science+Business Media, LLC 2013

Water vapour as a greenhouse gas and as a feedback: https://www.skepticalscience.com/water-vapor-greenhouse-gas.htm

Авторы

Эд Длугокенки^[1], Сандер Хаувелинг^[2], Руд Дирксен^[3], Марк Шредер^[4], Дейл Херст^1,[5],