Analysis of satellite data on dynamics of the extent of sea ice due to insolation contrast

Fedorov Valerii Mikhailovich PhD in Geography Leading Scientific Associate, the faculty of Geography, M. V. Lomonosov Moscow State University; Laboratory of Geoecology of the North and Laboratory of Latest Sediments and Paleography of Pleistocene 119991, Russia, g. Moscow, ul. Leninskie Gory, 1, of. 1904B fedorov.msu@mail.ru Other publications by this author     Grebennikov Pavel Borisovich Engineer, the faculty of Geography, M. V. Lomonosov Moscow State University 119991, Russia, g. Moscow, ul. Leninskie Gory, 1, of. 1904B grebennikovp@list.ru Other publications by this author

Frolov Denis Maksimovich Scientific Associate, Faculty of Geography, M. V. Lomonosov Moscow State University 119991, Russia, g. Moscow, ul. Leninskie Gory, 1, of. 1904B denisfrolovm@mail.ru Other publications by this author

Введение

Одним из примеров дистанционного зондирования Земли из космоса является детальная информация по сезонной, межгодовой и многолетней динамике площади морских льдов. Льды занимают около 6% поверхности Земли или, приблизительно, 30 млн км2. Основная масса льдов располагается в Арктике и в Антарктике. В Северном материковом полушарии на льды суши приходится всего 20% общей площади оледенения Арктики, остальные 80% – на морские льды ^[1]. Сезонные изменения оледенении суши и моря в Арктике происходят на площади 10 – 17 млн. км2. Летом площадь морских льдов сокращается примерно вдвое. Также вдвое сокращается поступление солнечной радиации в зимнее полугодие по сравнению с летним ^{[2, 3]}. В современную эпоху отмечается как сокращение площади многолетних, так и сезонных морских льдов, которое связывается и изменениями глобального климата. Широко распространено мнение о том, что основной причиной глобального потепления является «парниковый» эффект, связанный, главным образом, с эмиссией парниковых газов, определяемой антропогенным фактором ^[4]. В то же время, не подвергается сомнению то, что солнечная радиация имеет важнейшее значение в генезисе климата ^[5-7].

Солнечная радиация является основным источником энергии, определяющим радиационный и тепловой баланс Земли ^[5-7]. В регулировании поступления солнечной радиации к Земле (без учета атмосферы) и распределении ее по земной поверхности (солярный климат Земли) выделяются два механизма, имеющие различную физическую природу. Один механизм связан с изменением активности Солнца. Другой механизм определяется небесно-механическими процессами, изменяющими элементы земной орбиты (расстояние Земля – Солнце, продолжительность тропического года и др.), наклон оси вращения и связанные с ними изменения в инсоляции Земли. Этот механизм детально анализируется в данной работе. В перераспределении тепла в климатической системе Земли (в атмосфере и океане) участвуют механизмы межширотного теплообмена (меридионального переноса тепла – «тепловая машина первого рода»), теплообмена в системе океан – материк, связанного с реверсивной сезонной сменой областей холода и тепла («тепловая машина второго рода»), в системе океан – атмосфера и др. ^[8]. Важным фактором в регулировании термического режима Земли является состав атмосферы (прежде всего, содержание водяного пара), определяющий роль парникового эффекта и ее изменение ^{[7, 9-10]}.

Динамика морского ледяного покрова определяется совместным воздействием термических и динамических атмосферных и океанических явлений различных масштабов ^{[11, 12]}. Важнейшим параметром ледяного покрова является его площадь. С течением времени эта площадь испытывает изменения, наиболее масштабными из которых являются сезонные, межгодовые и многолетние. Изучение самих изменений и причин, их вызывающих, составляет одну из наиболее актуальных задач океанологии, криолитологии и морского ледоведения ^[12-14]. Связь многолетних изменений площади морских льдов с пространственными и временными вариациями инсоляции, связанными с небесно-механическими процессами исследована недостаточно.

Методика расчетов инсоляции

По данным астрономических эфемерид (JPL Planetary and Lunar Ephemerides) DE-405/406 ^[15] рассчитывались значения приходящей солнечной радиации (при отсутствии атмосферы) за тропические годы, полугодия и сезоны года в различные широтные зоны (протяженностью в 5° широты) земного эллипсоида в интервале от 3000 г. до н.э. до 2999 г. н.э. Точность эфемерид по расстоянию между Землей и Солнцем составляет 10-9 а.е. (или 0,1496 км), по времени 1 с (или 0,0000115 сут.). Поверхность Земли аппроксимировалась эллипсоидом (GRS80), с длинами полуосей равными 6378137 м (большие) и 6356752 м (малая). Расчеты производись с использованием ряда формул, среди которых основным было выражение:

(2)

где I – приходящая солнечная радиация за элементарный n-й фрагмент m-го тропического года (Дж); σ – площадной множитель (м2), с помощью которого вычисляется площадной дифференциал σ(H,φ)dαdφ – площадь бесконечно малой прямоугольной ячейки эллипсоида; α - часовой угол, φ – географическая широта, выраженные в радианах; H – высота поверхности эллипсоида относительно поверхности Земли (м); – инсоляция в заданный момент в заданном месте поверхности эллипсоида (Вт/м2), t – время (с). Шаги при интегрировании составляли: по долготе 1°, по широте 1°, по времени 1/360 часть продолжительности тропического года. При расчетах учитывались изменения расстояния между Землей и Солнцем и продолжительности периода обращения Земли (продолжительности тропического года) в связи с периодическими возмущениями орбитального движения Земли ^{[2, 16-18]}. По результатам расчетов для периода с 3000 г. до н.э. по 2999 г. н.э. была сформирована база данных приходящей (без учета атмосферы) солнечной радиации в широтные зоны Земли (протяженностью в 5 градусов) с шагом по времени в 1/12 часть тропического года. Вариации, связанные с изменение активности Солнца не учитывались.

Результаты и их обсуждение

Данные спутниковых наблюдений площади морских льдов (с 1979 по 2018 гг.) в Северном ледовитом океане (СЛО) ^[19-21] сопоставлялись с инсоляционной контрастностью (ИК). Под ИК нами понимается разность годовой инсоляции в диапазоне 0–45 и в диапазоне 45–90 в полушариях. Для Земли в качестве ИК принималось среднее годовое значение ИК, полученное для полушарий. ИК отражает разность инсоляции в области источника тепла и инсоляции в области стока тепла. То есть ИК является характеристикой меридионального градиента инсоляции и меридионального переноса тепла в системе океан – атмосфера ^[2]. Анализировались три показателя площади морских льдов Северного полушария: максимальное, минимальное и среднегодовое значение площади морских льдов в многолетнем режиме.

Летний минимум площади морских льдов хронологически четко локализован в годовом ходе и приходится на сентябрь (осеннее равноденствие, окончание летнего полугодия в Северном полушарии)(рис. 1).

Рис. 1. Изменение площади морских льдов в Северном полушарии: в марте (максимум) и в сентябре (минимум). Пурпурная линия указывает среднюю площадь льда в марте и сентябре в период 1981-2010 гг. ^[19]

Максимум более растянут во времени и отмечается с февраля по апрель (период вблизи осеннего равноденствия, окончание зимнего и начало летнего полугодия в Северном полушарии) ^[12]. То есть, экстремальные характеристики площади морского льда характеризуются сдвигом по фазе в годовом ходе относительно экстремальных значений в поступлении солнечной радиации приблизительно на 90. Показатели площади морского льда сравнивались со значениями годовой ИК рассчитанной для Северного полушария.

Многолетние изменения площади морских льдов по спутниковым данным в основном учитываются трендами (рис. 2). Имеющиеся спутниковые данные ^[19] характеризуются высокими значения коэффициента корреляции как с соответствующими рядами данных исследованной нами ранее реконструкции ^{[3, 22]},так и с инсоляционной контрастностью.

Рис. 2. Данные спутниковых наблюдений: 1 – максимальная площадь, 2 – среднегодовая площадь, 3 – минимальная площадь морских льдов в Северном ледовитом океане

Так для интервала с 1979 по 2006 гг. значение R между показателями максимальной площади по реконструкции ^[23] и спутниковыми данными в интервале с 1979 по 2006 гг. составляет 0,911. Между данными по минимальной площади коэффициент корреляции составляет 0,938. Однако, использование содержащих достоверную информацию спутниковых наблюдений для долгосрочного прогнозирования ограничивается небольшой продолжительностью рядов наблюдений.

По уравнения линейной и полиномиальной регрессии спутниковых данных по площади морских льдов и значений ИК рассчитывались показатели площади морских льдов. Проводилось сравнение рассчитанных (по ансамблю линейных и полиномиальных решений) значений площади морских льдов с соответствующими фактическими (спутниковые данные) значениями (рис. 3 – 5).

Рис. 3. Фактические (1) и рассчитанные (2) значения среднегодовой площади морских льдов в СЛО

Рис. 4. Фактические (1) и рассчитанные (2) значения максимальной площади морских льдов в СЛО

Рис. 5. Фактические (1) и рассчитанные (2) значения минимальной площади морских льдов в СЛО

Рассчитывалась дисперсия значений площади морских льдов в рядах фактических значений () и в рядах разности фактических и рассчитанных (средних по ансамблю линейных и полиномиальных решений) значений площади морских льдов (). Затем находилось отношение дисперсии в соответствующих рядах разности фактических и рассчитанных значений площади льдов и дисперсии фактических значений в соответствующих рядах многолетней изменчивости площади морских льдов (). Вычитанием из единицы полученных значений и затем умножением их на 100 были рассчитаны значения (в процентах) объясняемых регрессионной моделью изменений минимальной, максимальной и среднегодовой площади морских льдов.

Выполненный расчет дисперсии по фактическим и рассчитанным значениям показывает, что многолетними изменениями инсоляционной контрастности определяется 95,1% многолетней изменчивости среднегодовой площади морских льдов, 93,5% максимальной площади морских льдов и 89,2% минимальной площади морских льдов в Северном ледовитом океане.

По ансамблю линейных и полиномиальных решений выполнен оценочный прогноз изменения площади морских льдов в СЛО на период до 2050 г. (рис. 6).

Рис. 6. Оценочный прогноз изменения площади морских льдов в СЛО

(1 – максимальная площадь, 2 – среднегодовая площадь, 3 – минимальная площадь)

На основе проведенных расчетов, в 2050 г. среднегодовая площадь морских льдов в СЛО составит 8,43 млн. км2, максимальная площадь 12,86 млн. км2, минимальная – 1,87 млн. км2. Относительно 2018 г. среднегодовая площадь в 2050 г. сократится на 1,89 млн. км2, максимальная на 1,44 млн. км2, минимальная – на 2,84 млн. км2. Таким образом, относительно 2018 г. сокращение составит для среднегодовой площади 18,3%, для максимальной площади 10,1%, для минимальной площади морских льдов в Северном ледовитом океане 60,3%. Сокращение площади морских льдов связано с усилением меридионального градиента инсоляции и меридионального переноса тепла являющихся следствием уменьшения наклона оси вращения Земли в современную эпоху ^{[2, 17]}.

Сводный анализ по шести моделям IPCC показывает, что минимальная (сентябрь) площадь морского льда около 1 млн. км2 (то есть, «свободная ото льда Арктика») будет достигнута приблизительно к 2037 г. в интервале от 2026 по 2046 гг.) ^{[24, 25]}. Прогнозируемые нами значения оказываются более консервативными. По полученным нами результатам регрессионной модели на основе спутниковых данных минимальная площадь морских льдов в СЛО в 2050 г. составит 1,87 млн. км2.

Заключение

На основе теоретических расчетов инсоляции и данных дистанционного зондирования Земли по динамике площади морских льдов в Северном ледовитом океане определена тесная связь многолетних изменений площади морских льдов и годовой инсоляционной контрастности в Северном полушарии. Изменение инсоляционной контрастности, обобщенное по области источника и стока тепла, отражает изменение меридионального градиента инсоляции регулирующего меридиональный перенос тепла в системе океан – атмосфера. Оценочный прогноз изменения площади морских льдов в Северном ледовитом океане (по регрессионной модели) показывает, что сокращение среднегодовой площади морских льдов в Северном ледовитом океане в 2050 г. составить 18,3% относительно 2018 г., максимальной площади (март) на 10,1%, минимальной площади (сентябрь) на 60.3%. Сокращение площади морских льдов связано с усилением меридионального градиента инсоляции и меридионального переноса тепла являющихся следствием уменьшения наклона оси вращения Земли в современную эпоху.

Опыт подобных прогнозных оценок изменения площади морских льдов на основе рассчитанных значений инсоляции и данных дистанционного зондирования Земли может иметь теоретическое значение при разработке стратегических планов нового этапа освоения российской Арктики. Полученные результаты могут оказаться полезными в практике нефте- и газодобыче на арктическом шельфе, в развитии рыболовства, судоходства и при строительстве гидротехнических и иных сооружений в прибрежных районах и на островах российской Арктики ^{[2, 17]}.

Работа выполнена в соответствии с госбюджетной темой «Геоэкологический анализ и прогноз динамики криолитозоны Российской Арктики» (№ АААА-А16-116032810055-0) и «Картографирование, моделирование и оценка риска опасных природных процессов» (№ АААА-А16-116032810093-2).