Запуск гигрометра (научный)

Водяной пар — источник всех видов осадков на Земле, он играет важную роль в химии и радиационном балансе атмосферы. Это основной парниковый газ, обеспечивающий положительную температуру на поверхности Земли. В его отсутствие средняя температура земной поверхности была бы на 32°С ниже существующей. Между тем водяной пар — наименее изученный компонент атмосферы. Учёные до сих пор не могут прийти к единому мнению по поводу того, как именно и в какой степени водяной пар влияет на климат. В стратосфере на высотах от 12 до 50 км концентрация водяного пара в несколько тысяч раз меньше, чем в нижней части атмосферы (тропосфере). Поэтому в течение долгого времени считалось, что стратосферная влага играет незначительную роль в атмосферных процессах и формировании климата. Однако в последнее время геофизики склоняются к тому, что стратосферный водяной пар, как климатообразующий фактор, был до сих пор существенно недооценён. И действительно, пренебрегать ничтожными по сравнению с тропосферой значениями влажности в стратосфере нельзя: прибавка лишь в одну молекулу воды на миллион молекул воздуха в стратосфере по- влечёт за собой изменение суммарного теплового потока через верхнюю границу земной тропосферы (радиационный форсинг) на 0,29 Вт/м2, что сравнимо с эффектом от роста двуокиси углерода (0,36 Вт/м2) за период с 1980 по 1996 год. Влага проникает в стратосферу из тропосферы в тропиках через так называемую тропопаузу — границу между этими двумя атмосферными слоями. Температура в тропической тропопаузе очень низкая — она может достигать минус 93°С. Попадая в область таких низких температур, водяной пар практически полностью вымораживается. Именно этим объясняется его низкая концентрация в стратосфере. Однако влажность стратосферы определяется не только низкой температурой тропопаузы, но и некими, пока неизвестными, процессами. К этому выводу учёные пришли, проанализировав данные по долговременным изменениям содержания стратосферного водяного пара. В самом деле, на фоне охлаждения тропической тропопаузы, наблюдаемого с 1979 по 2005 год, следовало бы ожидать осушения стратосферы. Однако, как показывают наблюдения, в период с 1980 по 2000 год влажность стратосферы в диапазоне 16—20 км увеличивалась со скоростью 1% в год. Данное противоречие заставляет искать новые механизмы, контролирующие стратосферную влажность. За последнее столетие среднеглобальная температура поверхности Земли увеличилась на 0,75оС. Потепление происходило в основном в течение последнего полувека со скоростью приблизительно 0,13оС в десятилетие на фоне роста эмиссии антропогенных парниковых газов. За минувшее же 10-летие наблюдается ослабление роста средней температуры поверхности, несмотря на продолжающееся увеличение антропогенных эмиссий, что не вполне укладывается в существующие представления о природе изменения климата. Одновременно на рубеже XXI века по не вполне понятным причинам произошло внезапное снижение концентрации стратосферного водяного пара на 10%. В 2010 году в исследовании, опубликованном в журнале «Science», было выдвинуто предположение, что это снижение могло стать тем самым загадочным фактором, который вызвал ослабление роста среднеглобальной температуры начиная с 2000 года. Более того, учёные предположили, что именно долговременный рост влажности стратосферы (1% в год) в 1980—2000 годах мог ускорить в тот период глобальное потепление.

За последние несколько лет реализована целая серия международных научных проектов, направленных на исследование механизмов, регулирующих стратосферную влажность. До некоторых пор подобные исследования были ограничены из-за недостатка высокоточных in situ измерений (то есть непосредственно в исследуемой среде) концентрации водяного пара. Приборы, способные измерять концентрацию водяного пара в стратосфере с высоким разрешением, в большинстве своём крайне дороги и сложны в применении. А, например, спутниковые наблюдения не могут быть альтернативой в изучении природы механизмов, контролирующих влажность стратосферы, из-за низкого вертикального разрешения.
В Российской Федерации измерением и изучением водяного пара в стратосфере занимается лаборатория экспериментальных исследований средней атмосферы «Центральной аэрологической обсерватории» (г. Долгопрудный). Сотрудники лаборатории разработали оптический высокоточный прибор с хорошим быстродействием, что крайне важно для изучения тонких структур в пространственном распределении влажности. Флуоресцентный гигрометр. Высокая точность и быстродействие прибора обеспечиваются применением соосной открытой оптической схемы, в которой измеряемый объём располагается снаружи прибора. Водородная лампа (источник вакуумного ультрафиолета в приборе), специально разработанная в Государственном оптическом институте, обладает высокими интенсивностью излучения и стабильностью.

Принцип действия прибора основан на измерении интенсивности флуоресценции возбуждённых радикалов гидроксила, образующихся при разложении молекул воды под действием ультрафиолета (длина волны 137 нм). Сигнал флуоресценции пропорционален концентрации водяного пара в условиях верхней тропосферы и стратосферы. Немецкие и американские гигрометры, построенные на этом принципе измерений, представляют собой крупногабаритные и сложные в эксплуатации приборы. Они применяются только на борту стратосферных самолётов. Российский флуоресцентный гигрометр отличается малыми весом (500 г) и габаритами, что позволяет применять его на стандартных метеорологических баллонах (шарах- зондах). Кроме того, гигрометр исключительно прост в эксплуатации. Основное ограничение — измерения можно проводить только в ночное время.

В июле 2013 года проходил Российско-Шведский проект по запуску стратосферного телескопа в стратосфере (PoGOLite), в том числе по изучению полярной стратосферы. В это время, на широтах севернее 70 градуса, Солнце не опускается за горизонт. В рамках подготовки к участию в этом проекте, потребовалось создать гигрометр, способный работать долгое время в условиях полярного дня. Была создана модификация ночного гигрометра специально для данных условий.
Для проверки работы данной модификации гигрометра, был проведен тестовый запуск на закате, в условиях похожих на середину ночи полярного дня.

В результате данного полета шар с гигрометром поднялся на высоту 34 км. Измерения проводились на подъеме и спуске прибора на парашюте, после разрыва оболочки шара. В течение полета Солнце заходило за горизонт, создавая при этом различные уровни освещенности неба. Это позволило оценить точность измерения водяного пара при различных условиях засветки. Например, при измерениях в направлении закатного Солнца измерения были существенно хуже из-за паразитной засветки солнечными лучами, чем измерения, направленные в ночную часть небосвода. Тем не менее, по результатам полета был построен стандартный профиль распределения водяного пара по высоте.
Результаты испытаний были использованы для дальнейшего усовершенствования гигрометра для установки его на долгодрейфующий Российско-Шведский аэростат.

Российский прибор оказался весьма востребованным в международных экспериментах по исследованию стратосферы. С его помощью в ходе масштабных измерительных кампаний в Арктике, Антарктике, Австралии, Бразилии, Африке и Европе удалось провести ряд уникальных наблюдений, в результате которых в тропиках обнаружили так называемые ледяные гейзеры, а в Арктике впервые зафиксировали момент формирования ледяного стратосферного облака. Такие облака играют ключевую роль в процессе образования озоновой дыры.