Цивилизация
После продолжительной снежной зимы неизбежно придут весенние паводки. Предвидеть, что они будут обильными, можно, просто посмотрев на сугробы за окном. Но как можно определить количество содержащейся в снеге и льде воды на территории всей нашей страны? Из отчета Российского Гидрометцентра по особенностям климата в 2011 году становится понятно, что для этого используются измерения сети метеостанций и полевые наблюдения. На их основе строятся карты продолжительности залегания снега, предположения о количестве запасённой в нем воды, об отклонениях от многолетних норм и др. Эти измерения могут быть использованы для прогнозирования интенсивности паводков и подготовки к ним.
Но есть и другой способ определить, сколько воды запасено в накопившемся снеге и льде: об избытке массы нам может сказать гравитационное поле, изучением которого занимается гравиметрия.
Со школы многие помнят, что ускорение свободного падения составляет 9,8 м/c2 (981 Гал). Эта величина характеризует средний потенциал силы тяжести, создаваемой всей массой Земли у её поверхности. Однако перераспределение масс на поверхности Земли и в земной коре может менять эту величину на несколько миллиардных долей (микрогалы). Современные наземные и космические приборы позволяют зафиксировать даже такие незначительные изменения.
В 2002 году с космодрома Плесецк были выведены на орбиту два спутника GRACE Американского космического агентства NASA. Задача спутников-близнецов состояла в картировании гравитационного поля Земли и изучении климатических изменений. Обращаясь по полярной орбите высотой около 500 км на расстоянии 220 км друг от друга, эти спутники «чувствуют» изменения притяжения над той областью, где пролетают. Подлетая к точке, находящейся над избыточной массой, спутник приобретает ускорение, а пролетев ее, начинает замедляться. Расстояние между спутниками измеряется с высокой точностью микроволновым радаром. Это и служит основой для определения аномалий гравитационного поля, зависящих от распределения масс. Спутникам требуется месяц для облета всей Земли, и после специальной обработки данных в США и Германии учёные получают карту гравитационного поля планеты за месяц.
За рубежом многие ученые работают с данными миссии GRACE, на основе которых изучают таяние льдов в Антарктиде, Гренландии и в горных районах, а также перераспределение влаги в почвах, сток рек, течения и перераспределения вод в океане, последствия крупных землетрясений и многое другое. В России тоже есть группы, работающие с этими данными, — в Институте физики Земли, Институте океанологии РАН, в ГАИШ МГУ. В последнем разработан специальный метод обработки данных GRACE — многоканальный сингулярный спектральный анализ (МССА), который позволяет устранить шумы в данных GRACE и разделить компоненты с разными периодами.
Используя этот метод, мы обработали данные GRACE месячного разрешения с января 2003 г. по февраль 2013 г., предоставляемые центром NASA JPL. В ходе обработки было исключено среднее поле, а также влияние медленного подъема земной коры вследствие снятия ледовой нагрузки — щитов, существовавших в ледниковый период 20 000 лет назад.
В результате были получены лишь аномалии, т. е. отклонения в гравитационном поле, в основном связанные с климатическими процессами.
Величины аномалий гравитационного поля были переведены в эквивалентный уровень воды (как если бы они были созданы массой слоя воды определенной толщины). Из итоговых карт аномалий для каждого месяца с разрешением по широте и долготе в 1 градус для России и окружающих ее территорий была составлена анимация, она представлена на рис. 1.
Затем, воспользовавшись базой данных бассейнов рек топологической сети группы анализа водных систем Университета Нью-Гемпшира, мы выбрали 19 бассейнов крупных рек на территории России. Усреднив аномалии гравитационного поля в их границах, мы получили график среднего хода силы тяжести в течение 10 лет на основной части России.
На рисунке 3 показаны также отдельные графики для бассейнов Волги и Енисея.
Основным является годовое колебание с максимумом в марте и минимумом в сентябре. Это и есть сезонный гидрологический цикл, связанный с выпадением осадков, подземными водами и др. На годовое колебание накладывается также медленное изменение — тренд (показан синим), вследствие которого наблюдается общий максимум в 2009 г, после чего идет спад. Этот тренд связан с медленными климатическими изменениями, о нем мы поговорим позже, а пока обратимся к годовому колебанию.
График на рисунке 2 (справа), отражающий сезонную цикличность, получен в результате вычитания тренда. В марте накапливается максимальное количество льда и снега, таяние которых приводит к паводкам. К началу осени вода уходит, и в Северном полушарии наблюдается минимум аномалий. Таким образом, по этому графику можно оценить массу воды, скопившейся в снеге, льде и под землей на территории России. Конечно, на точность такой оценки влияют погрешности спутниковых измерений, а также проникновение сигнала с соседних территорий, неизбежное при небольшом разрешении спутниковых данных (1 градус соответствует примерно 111 км вдоль меридиана и 62 км вдоль параллели на широте Москвы).
Из графика на рисунке 2 (справа) видно, что амплитуда годового колебания медленно увеличивалась с 2009 г. Прогноз на 5 месяцев вперед, показанный красной кривой, сделан с использованием искусственной нейронной сети. Тенденция увеличения размаха колебания должна продолжиться и в 2013 г. Даже при отсутствии в нашем распоряжении карты на март (данные еще не обработаны JPL) мы можем сказать, что в 2013 г. избыток накопившейся за зиму массы снега на редкость велик и следует ожидать сильных паводков.
Для того чтобы установить районы аномальных накоплений масс, мы взяли карту на февраль 2013 г. для годовой компоненты и вычли из нее среднее значение для этого же месяца за последние 10 лет.
Результаты вычислений представлены на рисунке 4.<4> Красным отмечены положительные аномалии, где накопилось больше массы, чем обычно. Синим — отрицательные.
На основе этой карты можно сказать, что почти на всей территории России скопились избыточные массы в виде снега и льда. Особенно велики аномалии в центре европейской части, на юге Сибири у истоков Енисея, на Чукотке и на Дальнем Востоке. По всей вероятности, следует ожидать больших паводков и повышения уровня Волги, Днепра, Двины, Печоры, Енисея, Индигирки, Амура.
Впрочем, на годовой ход, как мы уже говорили, накладываются долгопериодические изменения (тренд). Эти изменения говорят о том, что максимальный избыток масс на территории России наблюдался в 2009 г. Посмотрим на изменения, которые произошли за 10 лет. Карта разности компонент тренда в 2013 и 2003 гг. представлена на рисунке 5.<5> Сезонные изменения исключены.
Отчетливо видно, что в районе Каспийского моря образовалась отрицательная аномалия — видимо, связанная с понижением уровня Каспия. В Восточной Сибири у истоков Енисея и Лены образовалась положительная аномалия, связанная с деградацией вечной мерзлоты и приходом на место растаявшего льда воды. Вдоль берегов Северного Ледовитого океана и на Дальнем Востоке также наблюдается избыток масс.
Существенные аномалии наблюдаются также за пределами России, к примеру, аномалия в Гималаях связана с таянием ледников, а на Суматре — с землетрясением 2004 г., переместившим крупный блок земной коры.
Таким образом, спутниковые данные по гравитационному полю дают возможность исследовать распределение избытков масс в бассейнах крупных рек, что позволяет предсказывать интенсивность весенних паводков, а также изучать последствия климатических изменений на территории России.
Спутники GRACE были рассчитаны на пятилетний срок службы, но работают уже в два раза дольше. В 2012 г. у Луны отработала пара спутников GRAIL, созданных по образу и подобию GRACE. Они дали беспрецедентно точные данные о гравитационном поле Луны, которое, конечно, не меняется так быстро, как земное.
Космические агентства ESA и NASA уже готовят миссию, которая сменит GRACE на орбите. Для России было бы крайне полезно принять участие в столь интересном международном проекте по мониторингу нашей планеты.