Технические методы измерения процесса изменения климата

Исследования процесса изменения климата потребуют длительных высококачественных наблюдений для анализа исторических процессов и текущего состояния различных систем Земли, степени их вариабельности (изменчивости). Они могут проводиться из космоса или с наземных пунктов и охватывать широкий спектр показателей состояния окружающей среды. Климатологи могут получить чрезвычайно полезные данные повседневных наблюдений за погодными условиями, которые, будучи собранными за длительный промежуток времени, помогут описать региональные характеристики климата. Кроме того, они позволят получить более точные и непрерывные данные наблюдений за погодой для оценки долгосрочных изменений. В некоторых случаях это даст возможность оценить изменения климата за прошедшие тысячелетия. Многие другие отрасли науки также смогут проводить исследования, важные для понимания климатических изменений, например, объяснить химические, биологические или радиационные процессы.

Некоторые из этих наблюдений могут быть произведены из космоса. Оборудование, установленное на спутниках, измеряет широкий спектр параметров, включая солнечное излучение, отражающую способность Земли, растительный покров, продуктивность биомассы океанов, уровень атмосферного озона, концентрацию водяного пара и аэрозолей, пространственное распределение парниковых газов. Они также дают информацию об уровне и состоянии поверхностных вод Мирового океана, ветрах, погоде и осадках. Наблюдения со спутников имеют преимущества из-за глобального охвата территории, включая океаны и малонаселенные районы (пустыни, горы, леса). Они позволяют охватить полярные районы крайнего севера и юга, средние и верхние слои тропосферы и стратосферы. И все же космические наблюдения сами по себе недостаточны и должны дополняться наземными и морскими измерениями для получения информации, например о биоразнообразии, состоянии подземных вод, поглощении углерода, о температурах и ветрах, а также о поступлении загрязняющих веществ в атмосферу и водоемы.

Основная часть мониторинга за климатом Земли осуществляется при поддержке Всемирной метеорологической организации (World Meteorological Organization) и Глобальной системы климатических наблюдений (Global Climate Observing System), органа, учрежденного в 1992 г. группой международных организаций. Она включает в себя несколько компонентов: Глобальную систему океанических наблюдений (Global Ocean Observing System), Всемирную систему наблюдений за гидрологическим циклом (World Hydrological Cycle Observing System), Глобальную систему наземных наблюдений (Global Terrestrial Observing System). Данные системы осуществляют мониторинг и регистрацию данных наземных наблюдений, в том числе на ледниках и в районах вечной мерзлоты. Собираются данные о потоках и глобальном балансе углерода. Кроме того, существуют Глобальная система наблюдений (Global Observing System), осуществляющая мониторинг состояния атмосферы, и Глобальная система наблюдений за атмосферой (Global Atmospheric Watch), следящая за химическим составом атмосферы. Эти системы охватывают весь мир: к 2001 г. наблюдения вели уже 989 станций.

Метеорологическая станция (метеостанция) ‑ учреждение, в котором круглосуточно проводятся регулярные наблюдения за состоянием атмосферы и атмосферными процессами, в том числе отслеживаются изменения отдельных метеорологических элементов (температуры, давления, влажности воздуха, скорости и направления ветра, облачности и осадков и т.д.). На станции имеются метеорологическая площадка, где расположены основные метеорологические приборы, и закрытое помещение для обработки наблюдений. Метеорологические станции страны, области, района составляют метеорологическую сеть.

Только немногие измерения могут проводиться "на глаз", нужны измерительные приборы, действие их основано на законах физики.

Каждый прибор на метеостанции снабжен сертификатом, в котором указано, какие поправки нужно вносить в его показания. Например, в сертификате термометра указано:

от -5,7 до +2,1 +0,2

от +2,2 до +9,4 +0,1.

Это значит, что если термометр показывает -0,2°C, то истинная температура будет (-0,2°C) + (+0,2°C) = 0,0°C; если показывает +5,7°C, то температура +5,8°C. Для другого термометра, даже если он был выпущен на заводе в составе той же серии, поправки почти всегда будут другие. Такие поправки называются инструментальными. Они есть у любых приборов, что бы ими не измеряли.

Теперь рассмотрим приборы, предназначенные для измерения отдельных метеорологических элементов.

Давление воздуха

Давление воздуха ‑ важнейший метеорологический показатель, даже важнее температуры. Давление измеряют с помощью ртутного барометра, который не претерпел существенных изменений за три с половиной века, с тех пор, как его изобрел Эванджелиста Торричелли. Барометр позволяет определить высоту ртутного столба с точностью до 0,1 мм. Давление в помещении и снаружи одинаково, поэтому прибор вешают на стене в закрытом помещении ‑ наблюдательской, где ведут обработку наблюдений. В шкалу барометра вмонтирован термометр, показывающий температуру в помещении, потому что при повышении температуры ртуть в барометре расширяется, и в показания приходится вводить температурную поправку по специальной таблице.

Кроме того, в величину давления вводят поправку на абсолютную высоту, т.е. вычисляют давление, которое было бы в данной точке, если бы барометр находился на уровне моря. Не будь этой поправки, любая горная страна, в пределах которой расположены на разных высотах многочисленные метеостанции, независимо от погодных условий оказалась бы изображенной на карте изобар как область низкого давления, причем весьма причудливой конфигурации.

В наблюдательской же находится и гораздо более привычный широкой публике барометр-анероид, он считается менее точным прибором, его держат на всякий случай. Основная деталь анероида ‑ круглая жестяная коробочка с рифлеными крышками. Из нее выкачан воздух, и она запаяна. При увеличении атмосферного давления крышки прогибаются внутрь, при уменьшении ‑ распрямляются. Движения крышек через систему рычажков передаются стрелке.

На том же принципе основано действие находящегося здесь же барографа, вычерчивающего кривую изменения давления воздуха. Стрелка с крохотной чернильницей на кончике отклоняется вверх или вниз в соответствии с изменением суммарного прогиба крышек стопки коробочек и вычерчивает кривую изменения давления на ленте, которой обернут барабан. Барабан вращается с помощью часового механизма. Если барабан делает оборот за сутки, кривая плавная; если за неделю, точность отсчетов меньше, но изменения давления видны более четко. Лучше иметь и суточный, и недельный барографы. У других самописцев недельные барабаны применяются редко.