Организация системы мониторинга за климатическими изменениями в России и других странах

Информация о состоянии окружающей природной среды, об изменениях этого состояния используется человеком давно. Последние сто с лишним лет наблюдения ведутся регулярно — достаточно напомнить о метеорологических, фенологических и некоторых других наблюдениях.

С развитием техники, когда у человека появилась большая возможность воздействовать на природу, преобразовывать ее, полнее использовать природные ресурсы, геофизическая информация становится для него все более важной, необходимой. С помощью такой информации можно определять оптимальные природные условия для осуществления различных мероприятий, предсказывать как благоприятные, так и неблагоприятные факторы для ведения хозяйства, принимать меры для уменьшения влияния неблагоприятных условий на жизнь и деятельность людей. В состав такой информации входят данные наблюдений за фактическим состоянием окружающей среды, прогнозы изменений природных условий.

Известно, что длительное время наблюдения производились лишь за изменениями состояния природной среды, обусловленными естественными (природными) причинами.

Актуальность данной работы. В последние десятилетия во всем мире резко возросло воздействие человека на окружающую среду, стало очевидным, что бесконтрольная эксплуатация природы может привести к весьма серьезным негативным последствиям. В связи с этим возникла еще большая необходимость в детальной информации о состоянии биосферы.

Известно, что состояние биосферы изменяется под влиянием естественных и антропогенных воздействий. Однако есть существенное различие в результатах таких воздействий: состояние биосферы, непрерывно меняющееся под влиянием естественных причин, как правило, возвращается в первоначальное. Изменения температуры и давления, влажности воздуха и почвы, колебания которых в основном происходят около некоторых относительно постоянных средних значений, сезонные изменения биомассы растительности и животных — все это примеры таких естественных изменений. Средние величины, характеризующие состояние биосферы (ее климатические характеристики в любом районе земного шара, природный состав различных сред, круговорот воды, углерода и других веществ, глобальная биологическая продуктивность) существенно изменяются лишь в течение очень длительного времени (тысяч, иногда даже сотен тысяч и миллионов лет). Крупные равновесные экологические системы, геосистемы под влиянием природных процессов меняются также чрезвычайно медленно. Эти постепенные эволюционные изменения происходят только за промежутки времени, измеряемые историческими эпохами.

В отличие от изменений состояния биосферы, вызываемых естественными причинами, ее изменения под влиянием антропогенных факторов могут происходить весьма быстро; так, изменения, происшедшие по этим причинам в некоторых элементах биосферы за последние несколько десятков лет, сравнимы с некоторыми естественными изменениями, происходящими за тысячи и даже миллионы лет.

Естественные изменения состояния окружающей природной среды, как кратковременные, так и длительные, в значительной степени наблюдаются, изучаются существующими во многих странах геофизическими службами (гидрометеорологической, сейсмической, ионосферной, гравиметрической, магнитометрической и др.).

Для того чтобы выделить антропогенные изменения на фоне естественных (природных), возникла необходимость в организации специальных наблюдений за изменением состояния биосферы под влиянием человеческой деятельности.

Целью дипломной работы является рассмотрение организации системы мониторинга за климатическими изменениями в России и других странах. Поставленная цель позволила сформулировать следующие задачи исследования:

1. Рассмотреть организацию системы мониторинга в странах ЕС и США.

2. Проанализировать особенности организации системы мониторинга в России.

3. Показать особенности преподавания темы «Климат Земли» и «Климат России» на уроках географии в 6 и 8 классах средней школы.

Отличия от излагавшейся за рубежом концепции глобальной системы наблюдений и научные основы мониторинга были изложены Ю. А. Израэлем в докладе на Первом межправительственном совещании по мониторингу, созванным в Найроби (Кения, февраль 1974 г.) (некоторые положения доклада были включены в документы совещания), в докладах на I Советско-американском симпозиуме по всестороннему анализу окружающей природной среды (Тбилиси, март 1974 г.) и на первом совещании группы экспертов по проекту № 14 программы «Человек и биосфера» (Москва, апрель 1974 г.). Основное содержание этих докладов опубликовано в журнале «Метеорология и гидрология» (Израэль Ю.А., 1974), в трудах и материалах совещаний (Израэль Ю.А., 1975). Позднее эти вопросы были подробнее изложены в работах (Осуществление в СССР системы мониторинга загрязнения природной среды, 1978).

В 1975 г. появилась статья академика И. П. Герасимова о научных основах современного мониторинга окружающей среды (Герасимов И.П., 1975).

Хотя Ю. А. Израэль (Израэль Ю.А., 1980) и Р. Э. Мунн (Munn R.E., 1973) использовали определение мониторинга в основном применительно к антропогенным изменениям природной среды, этот термин некоторыми участниками международных совещаний толковался в очень широком смысле. Так, вновь предлагалось уже много лет существующие геофизические службы (их обязанности) объединить в систему мониторинга; на Первом межправительственном совещании по мониторингу (1974 г.) ставился вопрос об «экономическом», «научном» мониторинге (при этом имелось в виду не экономическое или научное обоснование мониторинга, а объединение системой мониторинга систем наблюдения или получения информации об экономическом развитии стран, о научном потенциале и исследованиях в различных странах). Такие предложения на совещании приняты не были.

На том же совещании были изложены основные положения и цели программы Глобальной системы мониторинга окружающей среды (ГСМОС) (Report of the international Meeting on Monitoring Held at Nairobi, 1974), где было уделено внимание, с одной стороны, предупреждению об изменениях состояния природной среды, связанных с загрязнением, а с другой — предупреждению об угрозе здоровью человека, угрозе стихийных бедствий, а также экологическим проблемам.

В последние десятилетия резко возросли темпы создания баз данных (БД) о состоянии природной среды. Только во Всероссийском научно-исследовательском институте гидрометеорологической информации — Мировом центре данных (ВНИИГМИ-МЦЦ) Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Росгидромет) с середины 60-х годов количество баз данных увеличилось от нескольких десятков на ЭВМ второго поколения до 200 на персональных ЭВМ с общим объемом, превышающим несколько сотен гигабайт. Ежегодное поступление национальных и международных данных в Российский Государственный фонд по гидрометеорологии и мониторингу природной среды (Госфонд) составляет не менее 2 — 3 гигабайт, и это без учета спутниковых данных. Более подробно с информационными ресурсами по гидрометеорологии и мониторингу природной среды в России можно ознакомиться по Интернет на Web-сайте ВНИИГМИ-МЦД http://www.meteo.ru.

В последнее десятилетие к работе по созданию баз данных подключились многие учреждения Росгидромета (Арктический и Антарктический НИИ — ААНИИ (http://www.aari.nw.ru), Дальневосточный региональный научно-исследовательский гидрометеорологический институт — ДВНИГМИ (http://www.hydromet.com.ru), Главная Геофизическая обсерватория — ГГО, Государственный океанографический институт — ГОИН (http://www.oceanography.ra), Государственный гидрологический институт — ГГИ, некоторые УГМС РАН (Тихоокеанский океанологический институт — ТОИ (http://www.paciric.marine.su), Институт океанологии им. П. П. Ширшова — ИО РАН), Госкомрыболовства (Атлантический, Тихоокеанский и Полярный научные институты рыбного хозяйства и океанографии — АтлантНИРО (http://www.bytecity.ru/ZAtlant), ТИНРО, ПИНРО), МО РФ (Государственный научный институт навигации и гидрографии — ГэсНИНГИ (http://www.vkesimo.navy.ru)). В стране насчитывается более ста учреждений, поддерживающих копии или крупные выборки баз и массивов данных о состоянии природной среды, и десятки учреждений целенаправленно занимаются подготовкой данных на технических носителях.

1. Организация системы мониторинга в странах ЕС и США

1.1 Общее понятие о системе климатического мониторинга

Систему повторных наблюдений одного и более элементов окружающей природной среды в пространстве и во времени с определенными целями в соответствии с заранее подготовленной программой было предложено называть мониторингом (Munn R.E., 1973).

Функционирование системы глобального и регионального климатического мониторинга, служб сбора климатических данных необходимо для практического использования представляемой информации о климате при ведении и развитии хозяйства, изучении климата и его возможных изменений и колебаний, для целей оптимизации взаимодействия человека с природой.

Такие данные уже длительное время собираются и представляются заинтересованным организациям и лицам многими национальными метеорологическими службами. Всемирная метеорологическая организация (ВМО) обеспечивает международный обмен этими данными и способствует их использованию в практической деятельности.

Исполнительный Комитет ВМО в 1977 и 1978 гг. (на XXIX и XXX сессиях), обсуждая Всемирную климатическую программу, в качестве первой задачи намечаемой программы назвал климатический мониторинг и представление климатических данных (Сокращенные отчеты XXIX и XXX сессий Исполнительного Комитета Всемирной Метеорологической Организации с резолюциями, 1977, 1978).

Определив мониторинг природной среды как информационную систему, позволяющую выделить изменения состояния биосферы под влиянием антропогенной деятельности, под термином «климатический мониторинг» будем понимать информационную систему, позволяющую выделять антропогенные изменения и колебания климата.

Очевидно, что для выделения антропогенных составляющих изменений и колебаний климата необходимы наблюдения, оценка и прогноз таких антропогенных изменений.

Если климат рассматривается как совокупность состояний атмосферы, повторяемость условий погоды, его можно описать набором статистических характеристик возможных состояний атмосферы. Состояние атмосферы определяется набором метеорологических величин, характеризуется совокупностью атмосферных явлений и процессов, поэтому наблюдения, измерения характеристик состояния атмосферы, осредненные за определенный интервал времени, будут непосредственно соответствовать мониторингу климата.

Состояние атмосферы, характер протекающих в ней процессов зависят от физических свойств и состава атмосферы, от воздействующих на нее факторов и могут существенно меняться в результате взаимодействия атмосферы со всеми элементами биосферы и в первую очередь с подстилающей поверхностью.

Именно поэтому для понимания изменений и колебаний климата необходимы данные о состоянии климатической системы атмосфера — океан — поверхность суши (с реками и озерами) — криосфера — биота и о взаимодействии элементов этой системы за длительный период времени, т. е. осуществление климатического мониторинга.

Очевидно, что для выделения антропогенных изменений и колебаний климата необходимо также тщательно изучить естественную изменчивость климата.

Сбор данных о климатах прошлого также можно отнести к климатическому мониторингу — для этой цели требуется создать систему сбора и изучения ископаемых и других косвенных данных о возможных колебаниях и изменениях климата за последние столетия, тысячелетия и более отдаленные интервалы времени (анализ колец деревьев, в том числе и давно погибших, образцов донных отложений, моренных отложений, колонок льда, пыльцевой анализ и т. п.). Все это позволит изучить влияние изменений климатической системы на климат в прошлом.

Для того чтобы изучить антропогенные изменения климата необходимо изучить влияние изменений характеристик подстилающей поверхности за счет антропогенного воздействия (строительства крупных гидротехнических сооружений, изменений площади лесных насаждений, строительства городов), изучить антропогенные изменения состава и оптических свойств атмосферы (за счет выброса аэрозольных частиц и различных газовых примесей), а также возможное влияние интенсивных тепловых выбросов. Оценка глобального атмосферного загрязнения и его влияния на климат признана ЮНЕП одной из целей Глобальной системы мониторинга окружающей среды (ГСМОС) (Материалы Межправительственного совещания по мониторингу, 1974).

Естественные и антропогенные изменения климата могут в свою очередь повлиять на состояние биосферы, вызывая различные экологические последствия, на нормальное функционирование отдельных популяций растений и животных, а также, причем существенно, на хозяйственную деятельность человека и в конечном итоге на его здоровье и благосостояние. Это может повлечь за собой экономические и социальные последствия (Федоров Е.К., 1979).

Этот раздел мониторинга является частью экологического мониторинга. Для его осуществления необходима организация специальной системы наблюдений: изучение воздействия на экологические системы в различных регионах, по-видимому, потребует комплексных наблюдений в зонах, не возмущенных локальной антропогенной деятельностью, типа биосферных заповедников.

Климатический мониторинг и службы получения климатических данных могут быть направлены на решение различных практических и научных задач. Так, решение множества практических прикладных задач — в сельском хозяйстве, водном хозяйстве, энергетике, строительстве, морских отраслях и других видах хозяйственной деятельности человека — требует обширной климатической информации. Служба сбора климатических данных для этих целей представляется необходимой, хотя очевидно, что такая служба выходит за рамки мониторинга антропогенных изменений климата.

Обширный набор данных об отдельных характеристиках элементов биосферы, о процессах, определяющих изменчивость климата, необходим для изучения изменений и колебаний климата, понимания таких изменений, выделения антропогенных составляющих. Это в первую очередь относится к изучению пространственно-временной изменчивости климата различного масштаба.

Прогноз сезонных и межгодовых колебаний климата требует организации специальной глобальной системы наблюдений, неравномерной в пространстве и во времени.

Очевидно, что наблюдения, направленные на изучение изменчивости, должны учитывать также инерционность климатической системы.

Анализ, оценка современного климата, прогноз его возможных изменений и колебаний требуют большого количества данных, ставят задачу всестороннего анализа состояния окружающей природной среды (Всесторонний анализ окружающей природной среды, 1975) и моделирования климата.

Таким образом, наиболее важными задачами климатического мониторинга являются сбор данных, анализ и оценка естественных и антропогенных изменений и колебаний климата (включая сравнение климатов прошлого с климатом настоящего), изменений состояния климатической системы, выделение антропогенных эффектов в тех изменениях климата, которые удается обнаружить, выявление естественных и антропогенных факторов, действующих в направлении изменений климата, и критических элементов биосферы, воздействие на которые может быстрее всего привести к климатическим изменениям.

Для решения этих задач наряду с созданием системы климатического мониторинга требуется проведение широкой исследовательской программы, моделирования климатических колебаний и изменений.

Как уже отмечалось, получение климатических данных широко используется в практической деятельности человека, так как наиболее разумным направлением хозяйственной деятельности является наилучшее приспособление развивающегося хозяйства к существующим климатическим условиям. В связи с этим параллельно с климатическим мониторингом в этом разделе будут описываться и те стороны служб сбора климатических данных, которые представляют информацию, выходящую за пределы приведенного выше определения мониторинга.

Тем не менее, необходимо отметить, что все эти информационные системы тесно связаны между собой.

С учетом всего сказанного, широкий круг вопросов климатического мониторинга и вопросов, относящихся к возможным изменениям и колебаниям климата, можно сгруппировать по следующим основным разделам (Израэль Ю.А., 1979):

1. Измерение основных метеорологических величин, изучение и анализ атмосферных явлений и процессов, характеризующих соответствующий режим погоды (сюда относится и получение климатических данных для использования при организации и ведении хозяйственной деятельности).

2. Мониторинг состояния климатической системы. Сбор данных, характеризующих реакцию климатической системы и ее элементов на любые естественные и антропогенные воздействия.

3. Мониторинг внутренних и внешних факторов (особенно мониторинг антропогенных факторов), воздействующих на климат и состояние климатической системы; мониторинг источников этих воздействий.

4. Мониторинг возможных физических и экологических изменений в окружающей среде в результате климатических изменений и колебаний (сюда относится мониторинг большинства косвенных показателей изменчивости климата).

В настоящее время со спутников возможно измерение большинства метеорологических величин и основных характеристик климатической системы. Иногда эти измерения затруднительны, точность их еще не высока, однако некоторые наблюдения со спутников проводятся уже более успешно, чем с помощью наземных средств.

С учетом возможностей существующих и развивающихся спутниковых систем и целесообразности организации тех или иных измерений для получения более точной информации о климате Земли и состоянии климатической системы выделим следующие направления функционирования спутниковых систем.

1. Измерения метеорологических величин и получение других данных, важных для понимания колебаний и изменений климата, в местах, где имеются наземные наблюдательные средства.

2. Измерения тех же величин в труднодоступных для наземных измерений районах:

а) в континентальных областях,

б) в океанических областях.

3. Измерения величин и факторов, труднодоступных или не поддающихся прямым определениям с поверхности земли:

а) интегральных характеристик подстилающей поверхности (альбедо, величины, характеризующие энергои массообмен подстилающей поверхности с атмосферой);

б) некоторых компонентов радиационного баланса системы Земля — атмосфера (отраженное солнечное излучение и длинноволновое уходящее излучение земных объектов);

в) корпускулярного и жесткого электромагнитного солнечного и космического излучения.

4. Использование спутников для оперативной передачи данных из труднодоступных областей земного шара.

Предлагается следующая приоритетность использования перечисленных возможностей (пункты 1 — 3) спутниковых систем для получения климатической информации:

Пункт 1 2 (а) 2 (б) 3 (а) 3 (б) 3 (в)

Приоритет … III II I II I I

При определении приоритетности принималось во внимание наличие уже существующих наземных систем наблюдения.

В настоящее время со спутников проводятся (или могут проводиться) такие важнейшие наблюдения, как наблюдения полей облачности и ветра; температуры и влажности воздуха на различных высотах; температуры поверхности океана; протяженности (границ) морского льда и снежного сезонного покрова суши; зон, покрытых растительностью (и характеристик их состояния) на суше и планктоном в океане; влажности почвы, зон и интенсивности осадков; основных компонентов радиационного баланса (Ветлов И.П., 1977).

Поля облачности идентифицируются уже более десяти лет. Пространственное распределение и структура определяются путем фотографирования в видимом и ИК диапазонах. Ведутся успешные работы по измерению фазового состояния облаков (путем сопоставления результатов измерений радиояркостной температуры облаков в полосе поглощения жидкокапельной воды в области 0,8 см и радиационной температуры в окне прозрачности 10 — 12 мкм), высоты и температуры верхней границы облаков (фотометрическим и радиометрическим методами).

Требуется увеличение точности в определении высоты облачности. Этим целям должен служить Международный проект по спутниковой климатологии облаков.

Температурные профили в атмосфере определяются из анализа данных инфракрасного или микроволнового излучения в полосах поглощения для газов с известной концентрацией (двуокись углерода, кислород). Точность восстановленных профилей достигает 2 — 3 °C до высот 30 — 35 км.

Представляет интерес спутниковая информация о поле ветра, восстановленном по дрейфу облаков нижнего и верхнего ярусов. Скорость ветра в океане можно определять по повышению радиояркостной температуры, связанному с увеличением количества пены (ее образование начинается при скорости ветра 7 м/с). За счет этого эффекта возможно восстановление скорости ветра с точностью ±2 м/с в интервале 5 — 30 м/с (Кондратьев К.Я., 1982). Перспективно использование ИК лидарного зондирования, где точность может быть повышена. Для восстановления атмосферного давления используется метод поглощения СВЧ излучения (в области 30 — 70 ГГц), здесь точность может достигать 1,5 — 2,0 гПа.

Точность спутникового определения осадков невелика, поскольку оно основано на связи между яркостью облаков и интенсивностью осадков; здесь будущее, безусловно, принадлежит активной радиолокации.

Определение температуры поверхностного слоя воды океана производится с помощью измерений излучения в окнах прозрачности в ИК и СВЧ диапазонах спектра; точность измерений составляет ±(1… 1,5)°С и ограничивается (особенно в ИК диапазоне) поглощением облачностью, слоями пыли и другими атмосферными помехами. Необходимо подчеркнуть важность определения температуры поверхностного слоя океана; так, по этой величине можно приближенно определить энтальпию деятельного слоя океана и использовать эту величину для количественных суждений о турбулентном обмене тепла и влаги между атмосферой и океаном. В связи с этим нужны точности в определении температуры поверхностного слоя океана до нескольких десятых долей градуса.

Разрабатываются методы вертикального зондирования температуры и плотности подповерхностного слоя океана вплоть до границы слоя перемешивания. Точность определения температуры суши несколько хуже.

Границы и протяженность ледяного и снежного покровов определяются в видимом диапазоне с хорошей точностью. Сочетание одновременных наблюдений в видимом и ИК диапазонах позволяет определить различные типы полярных льдов, а измерения в микроволновом диапазоне (в области длин волн около 1,5 см) — различить с большой точностью области покрытия льдом и чистой воды, льды различного возраста и толщины.

Исключительно интересные данные были получены с помощью локатора бокового обзора (активная локация), действующего на советских метеорологических спутниках с 1983 г.

Важные свойства поверхности (растительность, количество планктона в океане) определяются с использованием многоспектральных изображений.

Количество и распределение планктона в океане может быть получено по данным измерений хлорофилла по полосе поглощения отраженного солнечного излучения в области 0,43 мкм и интенсивности люминесценции фитопланктона.

Определение влажности почвы и осадков возможно с помощью микроволновых радиометров.

Имеются широкие возможности измерений со спутников ряда характеристик элементов климатической системы и других параметров, подверженных антропогенным воздействиям.

Антропогенные воздействия могут существенно повлиять на мутность атмосферы, способствуют увеличению двуокиси углерода в атмосфере, появлению примесей, влияющих на озоносферу (галогеноуглеводороды, закись азота).

Слои пыли (мутность атмосферы) идентифицируются со спутников путем фотографирования области горизонта и углового распределения и поляризации рассеянной солнечной радиации.

Оптическая толщина атмосферы определяется по измерениям углового распределения отраженной солнечной радиации в интервалах видимого и ближнего ИК диапазонов спектра (0,55; 0,74; 1,0; 2,2 мкм).

Распределение аэрозольных частиц определяется из вертикального распределения коэффициента аэрозольного ослабления в полосах поглощения составляющих атмосферу газов с постоянной концентрацией.

Общее количество некоторых газовых компонентов атмосферы, таких, как водяной пар, двуокись углерода, озон, может определяться с использованием спектрометрии полос поглощения излученной тепловой (в ИК диапазоне для озона 9,6 мкм) и отраженной (и рассеянной) солнечной радиации в УФ диапазоне спектра. Возможно также определение вертикального распределения озона. Послойное определение водяного пара возможно по измерениям полос поглощения в области 6,3 и 20 — 25 мкм в ИК диапазоне и в области 1,35 см в СВЧ диапазоне

На взаимодействие океана с атмосферой, величину альбедо поверхности океана может существенно повлиять загрязнение нефтепродуктами, образование на поверхности океана пленок, нарушающих массообмен между океаном и атмосферой.

Данные о загрязнении поверхности океана получают путем измерения обратной солнечной радиации и собственного излучения. В системах дистанционного обнаружения нефтяных и других загрязнений используются излучения в ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном и СВЧ диапазонах. Оценки изменения солености воды можно получить путем СВЧ радиометрических измерений.

Как отмечалось в предыдущей главе, роль спутниковых данных для получения информации об антропогенных изменениях поверхности суши исключительно велика. Эти данные важны для понимания причин возможных изменений климата. По данным со спутников можно оценить изменение растительного покрова за счет вырубки лесов, опустынивания, изменения характера сельскохозяйственных культур, что дает возможность судить о причинах изменения альбедо земной поверхности. Эффекты, связанные с урбанизацией, также сказываются на альбедо. Крупные ирригационные сооружения, перераспределение водных ресурсов влияют на характер влагооборота и альбедо поверхности; эти изменения и изменения снежного покрова в районе городов и промышленных районов легко прослеживаются со спутников при фотографировании в видимом и ИК диапазонах.

Компоненты радиационного баланса, соответствующие отраженному солнечному излучению (в спектральном диапазоне 0,3 — 3,0 мкм) и тепловому излучению с поверхности земли (в диапазоне длин волн 3 — 100 мкм), существенно зависят от антропогенных факторов (антропогенного изменения альбедо земной поверхности, интенсивности теплового излучения земных объектов).

Все компоненты радиационного баланса Земля — атмосфера определяются со спутников, причем некоторые компоненты могут определяться с лучшей точностью, чем с поверхности земли.

Антропогенные изменения в околоземном космическом пространстве также определяются с помощью спутниковых наблюдений. Так, искусственные радиационные пояса Земли были определены радиометрическими приборами, установленными на спутнике.

1.2 Климатический мониторинг в ЕС

Термин «мониторинг» появился перед проведением Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде (Стокгольм, 5 — 16 июня 1972 г.). Первые предложения по поводу такой системы были разработаны экспертами специальной комиссии СКОПЕ (Научный комитет по проблемам окружающей среды) в 1971 г. Упоминания об этой системе можно найти в рекомендациях Стокгольмской конференции; основные элементы мониторинга описаны в работе Р. Э. Мунна (Munn R.E., 1973). Сам термин «мониторинг», по-видимому, появился в противовес (или в дополнение) термину «контроль», в трактовку которого включалось не только наблюдение и получение информации, но и элементы активных действий, элементы управления.

В то время дискуссия велась по мониторингу загрязнений; мониторингу природных ресурсов уделялось лишь небольшое внимание. В дальнейшем рядом рабочих групп обсуждалась проблема мониторинга в целом. Однако можно усмотреть некоторые противоречия в выводах и предложениях этих групп. Многие в круг обязанностей мониторинга произвольно включали обязанности уже существующих геофизических служб; предполагалось создать универсальную Службу Земли, которая должна была бы представлять информацию о любых изменениях состояния природной среды на земном шаре, а затем смешивались обязанности этой службы и системы мониторинга.

На Первом межправительственном совещании по мониторингу, созванным в Найроби (Кения, февраль 1974 г.), был определен список приоритетных загрязнителей для их учета при организации мониторинга; было решено также установить контроль за параметрами, необходимыми для интерпретации результатов измерения загрязнений. Совещание высказалось за то, чтобы международное сотрудничество по организации глобального мониторинга строилось на основе существующих национальных и международных систем, чтобы максимально использовались для координирования и осуществления программ мониторинга специализированные агентства Организации Объединенных Наций (Report of the international Meeting on Monitoring Held at Nairobi, 1974). Большинство решений этого совещания было одобрено на II сессии Совета управляющих Программы ООН по проблемам окружающей среды (ЮНЕП) и получило признание (Martin B., Sella F., 1977).

Однако ряд целей, поставленных перед глобальной системой мониторинга, хотя и соответствует интересам как развитых, так и развивающихся стран, вносят некоторую неясность в распределение обязанностей между уже существующими системами (например, Всемирной службой погоды Всемирной метеорологической организации) и предлагаемой системой мониторинга. По-видимому, налицо желание показать в качестве результата необходимой работы ранее созданные, уже функционирующие в течение многих лет системы, вместо того, чтобы направить усилия па ликвидацию пробелов, связанных с отсутствием определенных данных об изменении состояния природной среды за счет антропогенных воздействий в существующих информационных системах. Конечно, такую работу необходимо проводить, опираясь на опыт, структуру и саму сеть существующих геофизических служб.

В соответствии с резолюцией Генеральной Ассамблеи ООН об охране глобального климата в интересах выживаемости человечества была подготовлена Рамочная Конвенция ООН по проблемам изменения климата. В 1992 году ее подписали 150 стан мира. Главная цель Конвенции — разработка стратегии сохранения климатической системы достижением стабилизации концентрации парниковых газов в атмосфере на таком уровне, который бы не оказывал неблагоприятного антропогенного воздействия на климат. Обеспечить оговоренный уровень необходимо за период времени, достаточный для адаптации экосистем к изменениям климата. К настоящему времени Конвенцию ратифицировали 176 государств, в том числе все республики бывшего СССР, за исключением Беларуси и Таджикистана. Каждая из стран-участниц приняла на себя ряд обязательств.

В последние годы, в связи с увеличением зависимости промышленных объектов от гидрометеорологических условий, в отдельных странах стали создаваться специальные базы данных. Например, в Италии для энергетики создана база данных по 54 метеорологическим станциям с 1961 г., в состав которой включены сведения о продолжительности солнечного сияния, относительной влажности, состоянии неба, атмосферных осадках, направлении ветра и температуре воздуха (Вязилов Е.Д., 2001, С. 78).

В 1980 г. в Метеорологическом управлении Великобритании был создан большой архив данных (как по объему, так и по составу), предназначенный для обработки на ЭВМ (Ширман Р.Дж., 1982). В состав баз данных включены как исходные, так и расчетные характеристики. На основе синоптических данных, поступающих по каналам связи, создается месячный архив по Северному полушарию, отдельно выделяются массив данных по Британским островам и массив международных данных. На основе месячного архива создается годовой архив (рис. 1).

Рис. 1. Базы данных Великобритании (Вязилов Е.Д., 2001)

Морские данные с британских и зарубежных судов после сортировки и слияния формируют архивы временных рядов по данным кораблей погоды и плавучих маяков, исторические данные до 1960 г., массив годовой периодичности. Все эти базы данных записаны на 4000 МЛ.

В последние годы в ЕС бурно развивается направление космического мониторинга. Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) из космоса является быстроразвивающейся отраслью, а количество пользователей снимками, как в общественном, так и в частном секторе постоянно растет. На фоне расширяющихся рынков, изменений климата и террористических атак, и в связи с растущим стратегическим значением наблюдений Земли из космоса, все более признается необходимость координированных подходов в глобальном масштабе. С учетом этого, Европейское космическое агентство (ЕКА), в тесном сотрудничестве со своими 17 странами-членами, национальными космическими агентствами, Европейской комиссией (ЕК) и организацией EUMETSAT, которая является оператором европейских метеорологических спутников, разработало европейскую политику в этой области на ближайшую четверть века. Она называется «Живая планета» («Living Planet»).

Европа начала усиливать свои позиции в наблюдении Земли из космоса в 1970;х годах. Успех программы Meteosat, космические аппараты ERS-1 and ERS-2, а также усилия отдельных стран, например, французские спутники SPOT, — все это помогло Европе занять ведущие позиции в глобальном наблюдении Земли. С наступлением нового века появляется потребность более эффективно управлять окружающей средой, вести контроль природных ресурсов и углублять понимание климатических процессов.

В 2002 году был запущен ENVISAT, крупнейший космический аппарат ЕКА для наблюдений Земли. На его борту находятся 10 сложных приборов, ведущих наблюдения в оптическом и радиолокационном диапазоне и исследующих химические процессы в атмосфере. Они обеспечивают непрерывное наблюдение и контроль за земной сушей, атмосферой, океанами и ледовыми полями. Данные ENVISAT, собранные воедино, дают информацию о том, как функционирует система Земля, облегчают понимание факторов, приводящих к изменению климата. Более того, данные, получаемые с комплекта бортовой аппаратуры способствуют развитию прикладных задач коммерческого и оперативного характера. В частности, приборы MIPAS и SCIAMACHY позволяют построить глобальные трехмерные карты распределения в атмосфере метана и углекислого газа. А прибор AATSR дает глобальную картину распределения температур на поверхности океана с точностью 0,3 градуса C, а также состояние растительного покрова, лесов и сельскохозяйственных угодий (см. рис. 2, Приложение 1). Научная аппаратура MERIS измеряет «цветность» океана в широком диапазоне длин волн, и дает визуальную картину глобального потепления с помощью картографирования распределения фитопланктона, который отвечает за поглощение половины всего углекислого газа биосферой нашей планеты. Радиолокационный высотомер позволяет отслеживать малейшие изменения уровня моря, океанических течений и полярного льда.

Космический аппарат ENVISAT. Meteosat второго поколения, MSG, явился совместным проектом ЕКА и Европейской организации по эксплуатации метеорологических спутников EUMETSAT. Он обладает большими размерами и улучшенными характеристиками. Первый из планируемой серии космических аппаратов MSG был запущен в августе 2002 года и вошел в эксплуатацию EUMETSAT в начале 2004 года. Комбинация знаний ЕКА в космических технологиях и опыта EUMETSAT в эксплуатации метеоспутников в долгосрочной перспективе определили срок работы этой новой спутниковой системы на ближайшие 12 лет.

Космический аппарат MSG. MetOp, запуск которого состоялся в последний квартал 2005 года, стал первым европейским оперативным метеорологическим спутником на полярной орбите. Он представляет собой вклад Европы в новую совместную с Соединенными Штатами систему, которая будет предоставлять данные для мониторинга климатических условий и уточнения прогнозов погоды. На борту MetOp размещено новое поколение приборов, созданных в Европе, с улучшенными характеристиками дистанционного зондирования, в целях метеорологии и климатологии. Эта аппаратура дополнена американскими системами, проверенными в действии ранее. Новые европейские приборы повысят точность измерений:

— температуры и влажности

— скорости и направления ветра, особенно над океаном

— распределения озона в атмосфере

Космический аппарат MetOp. MetOp включает серию из трех спутников, которые будут выведены на орбиту последовательно на протяжении 14 лет, начиная с 2005 года, и сформируют космический сегмент Полярной системы EUMETSAT`а (Polar System — EPS). Планируется произвести эти запуски с помощью ракеты-носителя Союз с разгонным блоком Фрегат, сборку которой осуществляет ЦСКБ-Прогресс в Самаре, Россия. Выведение этих космических аппаратов на орбиту осуществляет EUMETSAT, имеющий контракт на пусковые услуги с европейско-российским совместным предприятием STARSEM, которое обеспечивает технический интерфейс с носителем и предлагает современные монтажно-испытательные помещения на космодроме Байконур в Казахстане. Контракт на запуск двух аппаратов MetOp и опцион на запуск третьего аппарата, в целях европейской организации EUMETSAT, был подписан 18 декабря 2000 Жан-Ив Ле Галлем (Jean-Yves Le Gall), в то время являвшимся председателем и исполнительным директором фирмы STARSEM, и Тилманом Мором (Dr. Tillmann Mohr), генеральным директором EUMETSAT, в присутствии премьер-министров Франции и России.

Спутники MetOp составят первую европейскую систему на полярной орбите, которая будет решать задачи метеорологии и наблюдения за климатическими изменениями. Они будут располагаться на орбите высотой 840 км, гораздо ниже, чем геостационарные метеорологические спутники Meteosat. Аппараты Metop получат дополнительные данные, а также обеспечат ежедневное глобальное покрытие поверхности Земли.

Частью программы ЕКА «Живая планета» являются миссии, изучающие Землю, — Earth Explorer, — которые разрабатываются в исследовательских целях. Они распределяются по двум категориям:

— «Центральные» миссии, направленные на решение конкретных крупных задач, представляющих большой научный интерес, и

— малобюджетные, краткосрочные «Благоприятные возможности», которые необязательно возглавляет ЕКА.

Первая из таких «благоприятных возможностей» называется CryoSat и сфокусирована на изучение ледовой обстановки в полярных районах; запуск запланирован на середину 2005 года. Первая из «центральных» миссий, GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer), по изучению гравитационного поля и циркуляционных явлений в Мировом океане, последует в 2006 году.

CryoSat представляет собой космический аппарат (см. рис. 3, Приложение 1), рассчитанный на трехлетний срок службы и оборудованный радиолокационным высотомером для определения изменения толщины континентального ледового покрова Земли и ледового покрова приполярных морей. Его основной целью является проверка прогноза об уменьшении толщины арктических льдов в связи с глобальным потеплением.

Спутник GOCE должен предоставить уникальные данные, которые требуются для того, чтобы сформулировать глобальные и региональные модели гравитационного поля Земли с высокими пространственным разрешением и точностью. Это значительно продвинет вперед исследования в области установившихся процессов циркуляции в океане и в области физики внутреннего устройства Земли.

Среди других, уже отобранных, миссий, ADM-Aeolus (Atmospheric Dynamics Mission-Aeolus) намечена к запуску в 2008 году, чтобы сделать новые открытия в наблюдениях профиля ветра. Миссия SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) по обеспечению глобальных наблюдений влажности почв и солености океана будет выведена на орбиту в 2007/8 годах.

В декабре 2004 года комитет ЕКА по промышленной политике дал «зеленый свет» контракту на услуги по запуску аппарата SMOS с фирмой EUROCKOT Launch Services GmbH базирующейся в Бремене, Германия. Вслед за аналогичными контрактами на запуски спутников CryoSat (в 2005 году) и GOCE (в 2006 году), SMOS станет третьим аппаратом серии Explorer, выводимым на орбиту EUROCKOT’ом.

Следующей миссией из этой серии станет SWARM. Решение о его запуске примерно в 2009 году было принято в конце прошлого года.

Ракетоноситель «Рокот» (Rockot) запускается с космодрома Плесецк, расположенном примерно 800 км севернее от Москвы. Рокот является одной из модернизированных российских межконтинентальных ракет, известной как SS-19, которые были сняты с вооружения по международному договору 1991 года. Адаптированная к гражданским пускам SS-19 использует, кроме своих двух жидкостных ступеней, новый разгонный блок «Бриз-КМ», разработанный и производимый в ГКНПЦ им. Хруничева для выведения коммерческих полезных нагрузок. EUROCKOT, европейско-российское совместное предприятие с 51% немецкого капитала, было образовано в 1995 году в сотрудничестве с Центром им. Хруничева.

В конце октября 2006 года уникальная сеть Биосферных Заповедников ЮНЕСКО развернула новую деятельность — мониторинг глобальных климатических изменений. Среди 408 биосферных территорий в 94 странах, 138 расположено в горных местностях. А горы чрезвычайно чувствительны к глобальному потеплению. Таяние ледников недавно привело к смертоносным оползням, появилась угроза разреженности экосистем, а недостаток снега наносит экономический ущерб в отношении зимнего туризма. Чем больше сведений смогут собрать ученые из этих местностей для того, чтоб обрисовать общую картину глобальных климатических изменений, тем больше возможностей противостоять катастрофам в опасных условиях.

В партнерстве с Горными Исследовательскими Инициативами (MRI) в г. Берн (Швейцария), Международной Программой «Человечество и Глобальное изменение Окружающей Среды» (IHDP), Международной Геосферно-Биосферной Программой (IGBP), ЮНЕСКО выбирает биосферные заповедники на территории самых главных горных регионов мира в качестве целевых территорий новой программы мониторинга глобального климатического изменения. Кроме оценки влияний окружающей среды, изучение покажет, как глобальные перемены воздействуют на социально-экономические условия жителей горных регионов. Генеральный директор ЮНЕСКО Коитиро Мацуура объявил об этом проекте в обращении к участникам Глобального Горного Саммита, который начал свою работу 29 октября 2006 года, как кульминационное событие в рамках Международного Года Гор (ЮНЕСКО начинает программу мониторинга глобальных изменений).

Чувствительность гор к глобальным климатическим изменениям постепенно возникала на протяжении последних нескольких декад. Но впервые общественное внимание это привлекло в 2001 году, когда профессор Огайского Государственного Университета Лонни Томпсон прогнозировал, что Гора Килиманджаро (Танзания) лишится своего знаменитого снежного пика к 2015 году, если глобальное потепление будет продолжаться. Горы, заявил он, утратили уже 82% вечной мерзлоты с 1912 года — и 33% за последние десять декад. И пока огромное количество воды снисходит с тающих ледников на соседние низины в короткие сроки, водные запасы могут свестись к критическим показателям, если ледники исчезнут.

Такую же картину можно наблюдать во всем мире. В середине сентября в Кавказских горах разрушился ледник Колка, затопив деревни в Республике Осетия (Российская Федерация) тоннами льда и горной породы, и убив более 120 людей. Тем временем, все 37 ледников в Национальном парке Ледников в Монтане (США) драматично сократились за прошедшие 150 лет. Ледник Сперри потерял 11% своего объема между 1979 — 1993 годами, а ледник Гриннел — на 63% за 1938 — 1993 годы по данным Геологических исследований США (USGS). USGS прогнозируют, что все ледники исчезнут уже к 2030 году, если потепление такое будет продолжаться.

Европейские Альпы тоже не защищены. В июле аварийные работники выкачали озеро размером в 16 гектаров, которое образовалось в результате таяния ледника Бельведер на горе Монте Роза в Италии и грозило затопить итальянскую деревню Макугнага. И 23-километровый ледник Алетч, самый длинный в Альпах, также уменьшается. «За 1850 — 1980 годы этот ледник потерял половину своего объема», — сказал эксперт по горам Бернского Университета (Швейцария) Бруно Мессерли. «А за 20 лет с 1980 по 2000 годы ледник потерял четверть оставшихся 50%. До конца нынешнего века этот ледник просуществует, так как его глубина сейчас составляет 900 метров. Но многие другие исчезнут» (ЮНЕСКО начинает программу мониторинга глобальных изменений).

Программа Окружающей среды ООН (UNEP) постоянно наблюдает за озерами, образованными из тающих ледников. В одних Гималаях 44 ледниковых озер наполняются с такой скоростью, что в следующие четыре или пять лет они могут прорвать удерживающие стены. И наряду с тающими ледниками, проблема наполняющихся озер приобретает уже опасный характер, ставящий под угрозу находящиеся рядом города и села.

Ледники тают естественным образом в летнее время. И это не знак глобального потепления. В стабильных климатических условиях лед, растаявший за лето, восстанавливается зимой с помощью снега. А вода с ледников образует основную часть главных рек мира. «Но», — добавляет Мел Ризонер, Директор Горных Исследовательских Инициатив, «во многих сухих или полусухих местностях люди зависят не только от количества ледниковой воды, но и от времени течения воды. Вода должна быть доступна в критическое время для орошения. Люди запасаются водой на период между снежными осадками и тающими ледниками. Сезон таяния часто самый теплый, самый сухой период года, обеспечивающий воду для орошения» (ЮНЕСКО начинает программу мониторинга глобальных изменений).

Но во многих горных регионах мира сейчас очень мало осадков зимой, так как зимы стали короткими и теплыми. Вместе с повышением температуры в летнее время это приносит большие потери для ледников, даже если слишком много воды приветствуется в ближайших селениях. «Но», — предупреждает г-н Ризонер, «Если исчезнут ледники там, где сельское хозяйство зависит от сезонного таяния ледников, других источников воды в летнее время уже не будет» (ЮНЕСКО начинает программу мониторинга глобальных изменений).

Идея использования биосферных заповедников для исследований глобальных изменений будет продолжением проекта Исследовательских Инициатив Глобального Наблюдения в Альпийской Среде (GLORIA), международной исследовательской сети, в рамках которой проводятся наблюдения за влиянием глобальных изменений на альпийскую растительность. GLORIA уже начали исследования в горных местностях Европы, и сейчас расширяют свою деятельность. «Это уникальная возможность иметь доступ к биосферным заповедникам самых больших горных регионов мира», — говорит г-н Мессерли. «Горные экосистемы — это наиболее подходящая местность для исследования глобальных климатических изменений».

Одной из европейских программ по исследованию Альп является АЛЬПЭКС — Альпийский горный метеорологический эксперимент. Это один из основных международных полевых экспериментов ПИГАП. Цель эксперимента — изучение воздушного потока в горном Альпийском районе.

Общий период наблюдений продолжался 13 месяцев, с 1 сентября 1981 по 30 сентября 1982 гг., и охватывал внешний полигон (30° с.ш. 60° с.ш., 30° з.д. — 37° в.д.). Однако основной массив данных был получен за Специальный наблюдательный период (СНП) с 1 мapтa по 30 апреля 1982 г. на внутреннем полигоне эксперимента (30° с.ш. 50° с.ш., 5° з.д. — 30° в.д.). В течение двух месяцев стандартные гидрометеорологические наблюдения были дополнены данными, полученными со специальных наблюдательных систем (суда, спутники, дрейфующие буи, баллоны постоянного уровня, радары, сеть микробарографов и т. д.).

Условно данные АЛЬПЭКС подразделяются на несколько типов. В основу классификации данных положен принцип их получения через ГСТ или по почте, степень полноты и обработки.

Данные, полученные через ГСТ (данные ГСТ-типа): аэрологические данные TEMP, TEMP SHIP, PILOT, PILOT SHIP, SATEM; наземные данные SYNOR, SHIP, SHRED; океанографические данные BATHY, TESAC, DPIBU, SATOB (температура поверхности моря); самолетные и спутниковые данные AIREP, CODAR, SATOB (ветер).

Данные не ГСТ-типа, полученные со спутников, сливаемые с форматом ГСТ-типа, спутниковые данные по ветру с низким разрешением, данные сбрасываемых парашютных зондов, аэрологические данные, полученные с системы NAVAID сводки AIREPS с научно-исследовательских самолетов, судовые приземные и аэрологические данные, AIDS (низкое разрешение); не сливаемые с форматом ГСТ-типа специализированные самолетные данные; данные с баллонов постоянного уровня, спутниковые данные температуры и влажности (высокое разрешение), океанографические данные, данные микробарографов, радаров и акустических зондов, данные получены на основе химических и металлических трасеров, лазерные и ИК-измерения, данные доплеровского радара, AIDS (высокое разрешение), осадки (высокое разрешение), данные на других носителях (МФ, фильмы и т. д.), спутниковая видеоинформация, полученные с самолетов фильмы облачности, документация самолетных вылетов, сводки погоды и другие документы ответственных центров данных (Вязилов Е.Д., 2001).

По степени обработки данные АЛЬПЭКС классифицированы следующим образом: данные уровня II, а (оперативно полученные данные по ГСТ в пределах реального времени обработки); данные уровня III, а (оперативный анализ в узлах сетки данных уровня II а); данные уровня II б (экспериментальный исследовательский массив данных, полученный, в отличие от данных уровня II а, в пределах задержанного времени обработки).

Данные разделены на предварительные и окончательные: предварительные данные — данные уровня II, а и III, а за период 15 января — 15 мая 1982 г. на МЛ и данные II, а на МФ за СНП; окончательные данные — обработанные, проконтролированные, задокументированные данные ГСТ-типа, стандартные и специальные данные, полученные по ГСТ за СНП.

Согласно Плану управления данными АЛЬПЭКС, МЦД-А (Ашвилл, США) и МЦД-Б (Обнинск, Россия) выполняли функции архивации и распространения данных за СНП и океанографических данных за весь период наблюдений, а также выпускали каталоги данных АЛЬПЭКС (КАТАЛОГ данных АЛЬПЭКС, 1984).

В МЦД-Б поступило 164 МЛ с данными АЛЬПЭКС из МЦД-А (Великобритания), оперативного центра данных АЛЬПЭКС (Швейцария) и Специального центра данных АЛЬПЭКС (Швейцария). Из МЦД-А (Великобритания) в МЦД-Б поступили 24 МЛ с предварительными данными уровня II, а за период 15.05.1982. Магнитные ленты содержат данные, собранные по каналам ГСТ (SYNOP, SHIP, AUTO-SYNOP, AUTO-SHIP, ASDAR, PILOT, PILOT SHIP, TЕМР, TEMP SHIP, BATHY, TESAC, DRIBU, SATEM, SATOB, AIREP) во всей зоне наблюдений АЛЬПЭКС и записаны в формате международного обмена (формат ПГЭП).