Вулканы и стратосферные аэрозольные слои как факторы возмущения климата Земли (посвящается 65-летию ИПМ им. М.В. Келдыша РАН и 55-летию открытия аэрозольного стратосферного слоя из космоса)

Настоящая работа посвящается:
- 65-летию ПЕРВОГО в мировой науке и мировой практике Института прикладной математики имени М.В. Келдыша Академии наук («Институт Келдыша» основан в 1953 году) [1-2], который обеспечил баллистические расчеты для запусков и полетов ПЕРВЫХ искусственных спутников Земли (ИСЗ) и полетов ПЕРВЫХ пилотируемых космических кораблей (ПКК), которые первоначально называли «космические корабли-спутники»;

- достижениям пилотируемой космонавтики и памяти Главного Теоретика Космонавтики, Трижды Героя Социалистического Труда, академика Мстислава Всеволодовича Келдыша (10.02.1911, Рига, – 24.06.1978, Москва), со дня кончины которого 24 июня 2018 года исполняется 40 лет; в Институте Келдыша обеспечивались расчеты для полетов и стыковок в космосе пилотируемых космических кораблей, а затем и Долговременных орбитальных станций (ДОС) – ПЕРВАЯ орбитальная научная станция «Салют» была запущена в Советском Союзе 19 апреля 1971 года; ПЕРВАЯ стыковка в космосе ДОС и ПКК произошла 24 апреля 1971 года: ПЕРВЫЙ ПКК «Союз-10» пристыковался к ДОС «Салют»; 17 июля 1975 года в 19 часов 12 минут состоялась стыковка советского космического корабля «Союз-19» и американского «Аполлон» [3-4];

- 55-летию ПЕРВОГО инструментального оптического исследования земной атмосферы из космоса с пилотируемого космического корабля – проект ИФА АН СССР и МИЭиА МАП с участием «Института Келдыша»;

- 55-летию ПЕРВОГО научного эксперимента по дистанционному зондированию атмосферы Земли из космоса (ДЗЗ) – проект ИФА АН СССР при участии «Института Келдыша»;

- 55-летию ПЕРВОГО в мировой практике научного эксперимента, проведенного человеком в космосе с борта пилотируемого космического корабля – проект ИФА АН СССР при участии «Института Келдыша»;

- 55-летию полета в космос ПЕРВЫХ «космических экспериментаторов»: летчика-космонавта № 5 Валерия Федоровича Быковского (14-19 июня 1963 г. на ПКК «Восток-5», приземлился 19.06.1963 в 11 часов 06 минут, затем ПКК «Союз-22», «Союз-31»/«Союз-29») и летчика-космонавта № 6 Валентины Владимировны Николаевой-Терешковой (16-19 июня 1963 г. на ПКК «Восток-6», приземлилась 19.06.1963 в 8 часов 20 минут) – ПЕРВОЙ женщины-космонавта; обучали космонавтов Анатолий Борисович Сандомирский (МИЭиА МАП) и Александр Константинович Городецкий (ИФА АН СССР);

- 55-летию обнаружения ВПЕРВЫЕ из космоса стратосферных аэрозольных слоев и обоснования их вулканического происхождения [5-10].

Настоящая публикация посвящена профессору Георгию Владимировичу Розенбергу (29.04.1914-09.12.1982) – одному из ПИОНЕРОВ покорения космического пространства и создания основ космических исследований, который стоял у истоков создания современной космической оптики для аэрокосмического ДЗЗ. В условиях жесткого противостояния и жесточайшей конкуренции с США в 40-ые - 60-ые годы 20-го века стояла стратегическая задача обеспечения «ракетно-ядерного щита» для безопасности СССР и его союзников, в рамках которой необходимо было разработать не только средства доставки «изделия» в другое полушарие Земли, но и по гениальной инициативе Главного Теоретика Космонавтики М.В.Келдыша были начаты разработки по системам ПРО, «космической разведке» и космическим средствам обнаружения старта ракет для упреждения нанесения удара («УС-К»). Полеты космических аппаратов со спецаппаратурой над чужими территориями были запрещены и наблюдения могли проводиться только по наклонным трассам и в области горизонта Земли. В 1962 году была подготовлена первая «Программа атмосферно-оптических исследований из космоса», в рамках которой были запланированы научные эксперименты на пилотируемых и автоматических космических кораблях с целью изучения структуры и оптических свойств атмосферы и особенно её дневного и сумеречного горизонта.

Г.В.Розенберг теоретически обосновал ПЕРВЫЙ эксперимент для исследования земных сумерек из космоса [5-13] и обеспечил успешную обработку и объективный анализ космических данных [8, 9]. Прежде чем сообщить об открытии стратосферных аэрозольных слоев, проводились тщательные теоретико-расчетные исследования (при участии автора статьи), которые были продолжены в последующих космических экспериментах [14-15]. В итоге в 1971 году была опубликована ПЕРВАЯ в мировой науке модель высотной стратификации атмосферного аэрозоля разного происхождения – это было ПЕРВОЕ открытие высотной оптической структуры земной атмосферы [13]. Исследования, продолженные по программе «Союз-Аполлон» [4, 16], подтвердили вулканическое происхождение аэрозольных слоев в верхней стратосфере.

Начало работы автора по сопряженным задачам о природе аэрозольных загрязнений атмосферы (экологии) и их влиянии на динамику изменения климата совпало с началом 21 сентября 2017 года активности вулкана Агунг на острове Бали [17-19], который напомнил о пионерских работах 55-летней давности, связанных с этим же вулканом [20]. Известно, что в 1808 и 1821 годах вулкан генерировал незначительные извержения, а в 1843-м произвел мощный взрыв. Известно, что после последнего взрывного события Агунг заснул на 120 лет, а проснувшись в 1963 году, привел к величайшей катастрофе на острове Бали. Подробная хронология событий и рассказы очевидцев извержения вулкана Агунг отражены на сайте [20].

Последствия извержения вулкана Агунг в 2017 году ещё предстоит оценить. В настоящей публикации представлены результаты исследований последствий длительного извержения вулкана Агунг с 18 февраля 1963 года по 27 января 1964 года. Климатологи и метеорологи зафиксировали, что температура Земли в 1963 году снизилась на 0,4 градуса по Цельсию. И совсем случайно с таким природным явлением совпало проведение ПЕРВОГО научного эксперимента по исследованию оптической структуры земного горизонта, наблюдаемой из космоса, на советских пилотируемых «кораблях-спутниках» «Восток-5» и «Восток-6» в интересах разработки систем упреждения стартов ракет из космоса для обеспечения «ракетно-ядерного щита» в СССР. Эксперимент позволил не только обнаружить стратосферные аэрозольные слои, но и объективно подтвердить и обосновать природу их происхождения, а также исследовать релаксацию аэрозольного загрязнения верхней стратосферы во времени в масштабах планеты.

Аэрозольные слои, образованные как последствия извержения вулкана Агунг, просуществовали около двух лет. Это было ОТКРЫТИЕ в мировой науке! Возможности существования и формирования стратосферных аэрозольных слоев предсказывались учеными [21-24]. Наиболее значимые результаты были получены Юнге, именем которого стратосферные слои названы «слои Юнге» [25-30]. Но из космоса инструментально ВПЕРВЫЕ «слои Юнге» были обнаружены «сумеречным методом» советскими учеными, которые к тому времени имели многолетний опыт успешных исследований атмосферы этим методом. Сумеречный метод в эти же годы активно использовали американские исследователи [31], которые подтвердили открытия советских ученых при наблюдениях последствий извержения вулкана Агунг в земных условиях [32, 33]. Важной роли аэрозольных слоев и вулканов в формировании климата посвящены монографии [34, 35]. Из обзора международной Комиссии по радиации [36] со всей очевидностью следует преимущество и приоритет работ советских ученых по теории переноса излучения, которые обеспечивали приоритет СССР в космосе.

В последние десятилетия отмечена повышенная вулканическая активность. Последствия извержений вулканов могут носить локальный, региональный и глобальный характер. В соответствии с масштабами влияния действующих вулканов необходимо создавать локальный, региональный и глобальный мониторинг загрязнения воздушной среды. Период очищения воздушной среды от вулканических загрязнений зависит от особенностей извержений вулканов, состава газового и аэрозольного выбросов и высоты атмосферного столба над земной поверхностью, подверженного воздействию вулкана. Естественно-природные и антропогенные локальные и региональные загрязнения, которые влияют на климат и образование осадков, можно исследовать и отслеживать с помощью наземных, аэровоздушных и ракетных средств мониторинга, включая наземные сумеречные методы, лазерное зондирование и оценивая спектральное пропускание прямых солнечных потоков. В масштабах планеты стратосферные аэрозольные слои следует наблюдать в течение всего периода их релаксации, а это может быть порядка двух лет, используя космические системы глобального мониторинга и зондирования. Сумеречный метод, представленный в данной публикации, с помощью фотометрических и спектральных средств по-прежнему остается ведущим. Кроме него разработаны методы зондирования по прямому солнечному потоку на горизонтальных трассах из космоса, но такие подходы сложнее в реализации.
Список литературы
1. Сушкевич Т.А. Главный Теоретик М.В.Келдыш и Главный Конструктор космонавтики С.П.Королев – покорители космоса // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8. № 1. С. 9-25. http://jr.rse.cosmos.ru/article.aspx?id=819
2. Попов Ю.П. 50-летие Института прикладной математики имени М.В.Келдыша. 2003. http://www.keldysh.ru/grants/rffi//50_years/; ИПМ им. М.В. Келдыша РАН http://keldysh.ru/httpd/kiam-info_fr.html.
3. Прикладная небесная механика и управление движением. Сборник статей, посвященный 90-летию со дня рождения Д.Е.Охоцимского / Составители: Т.М.Энеев, М.Ю.Овчинников, А.Р.Голиков. // Труды ИПМ им. М.В. Келдыша РАН. М.: ИПМ им. М.В. Келдыша, 2010. 368 с. http://keldysh.ru/memory/okhotsimsky/index.htm
4. Сушкевич Т.А. М.В.Келдыш – организатор международного сотрудничества в космосе и первой советско-американской Программы «Союз-Аполлон» (ЭПАС) // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8. № 4. С. 9-22. http://jr.rse.cosmos.ru/article.aspx?id=930
5. Розенберг Г.В. О новом явлении в рассеянном свете сумеречного неба // Докл. АН СССР. 1942. Т. 36. № 9. С. 288-293.
6. Розенберг Г.В. Сумеречные явления, их природа и использование для исследования атмосферы // Успехи физических наук. 1963. Т. 79, вып. 3. С. 441-552. https://ufn.ru/ru/articles/1963/3/b/
7. Розенберг Г.В. Сумерки. М.: ГИФМЛ, 1963. 380 с.
8. Розенберг Г.В. О сумеречных исследованиях планетных атмосфер с космических кораблей // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1965. Т. 1. № 4. С. 377-385.
9. Розенберг Г.В., Николаева-Терешкова В.В. Стратосферный аэрозоль по измерениям с космического корабля // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1965. Т. 1. № 4. С. 386-394.
10. Розенберг Г.В., Пылдмаа В.К. Некоторые результаты сумеречного зондирования атмосферы и изучения его возможностей // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1966. Т. 2. № 8. С. 820-832.
11. Дривинг А.Я., Михайлин И.М., Розенберг Г.В., Сандомирский А.Б., Трифонова Г.И. Фотометрический анализ снимков ореола зари, полученных с космического корабля «Восток-6» // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1966. Т. 2. № 10. С. 1046-1054. (DRIVING, A., Mikhailin, I. M., Rosenberg, G. V., Sandomerskii, A. B., TRIFONOVA, G. I.: 1966, ‘Photometric Analysis of Photographs of the Twilight Aureole Obtained from the Spaceship “Vostok-6”’, Izv. Atmospheric and Oceanic Phys. 2 (10), 1046–1054, перевод. издание на англ.языке).
12. Розенберг Г.В. Оптические исследования атмосферного аэрозоля // Успехи физических наук. 1968. Т. 95. № 1. С. 159-208. https://ufn.ru/ru/articles/1968/5/l/
13. Розенберг Г.В., Сандомирский А.Б. Оптическая стратификация атмосферного аэрозоля // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1971. Т. 7. № 7. С. 737-749.
14. Розенберг Г.В., Сандомирский А.Б., Сушкевич Т.А., Альтовская Н.П. Поле яркости зари, наблюдаемой с космических кораблей // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1971. Т. 7. № 3. С. 279-290.
15. Розенберг Г.В., Сандомирский А.Б., Сушкевич Т.А., Альтовская Н.П. Некоторые результаты фотометрических исследований дневного горизонта Земли с космических кораблей «Союз-4» и «Союз-5» // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1971. Т. 7. № 6. С. 590-598.
16. Розенберг Г.В., Сандомирский А.Б., Сушкевич Т.А., Матешвили Ю.Д. Исследование стратификации аэрозоля в стратосфере по программе «Союз-Аполлон» // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1980. Т. 16. № 8. С. 861-864.
17. Алексеенко А., Любимова Н. Вулкан Агунг сегодня. Последние новости с Бали. http://life-with-dream.org/agung-news/
18. Малышева Ксения. Вулкан Агунг на Бали выбросил 9-километровый столб дыма и пепла. https://naked-science.ru/article/sci/vulkan-agung-na-bali-vybrosil-9
19. Ивлиева О.В., Аманах Ю.Ю. Современная деятельность вулкана Агунг на Бали. http://www.scienceforum.ru/2018/2904/2144
20. Любимова Наталия. Извержение вулкана Агунг в 1963 году. Хронология событий, рассказы очевидцев. http://life-with-dream.org/gunung-agung-1963/
21. Фесенков В.Г. О строении атмосферы (фотометрический анализ сумерек) // Труды Главной Российской астрофизической обсерватории. 1923. Т. 2. С. 7-123.
22. Фесенков В.Г. К исследованию стратосферы путем фотометрического анализа сумерок // Известия Академии наук СССР. VII серия. Отделение математических и естественных наук. 1934. № 10. С. 1501–1515. http://mi.mathnet.ru/izv4981; http://mi.mathnet.ru/rus/izv/y1934/i10/p1501
23. Мегрелишвили Т.Г. Закономерности вариаций рассеянного света и излучения сумеречной атмосферы Земли. Тбилиси: Мецниереба, 1981. 276 с.
24. Rimmer W.B. The depletion of solar radiation by volcanic dust // Gerl. Beitr. Geophys. 1937. V. 50. P. 388-393.
25. Junge C.E. Sulfur in the atmosphere // J. Geophys. Res. 1960. V. 65. № 1. P. 227-237.
26. Junge C.E., Chagnon C.W., Manson J.E. Stratospheric aerosols // J. Meteorol. 1961. V.18. P. 81-108.
27. Junge C.E. Vertical profiles of condensation nuclei in the stratosphere // J. Meteorol. 1961. V.18. P. 501-509.
28. Chagnon C.W., Junge C.E. The vertical distributions of submicron particles in to stratosphere // J. Meteorol. 1961. V. 18. P. 746-752
29. Junge C.E., Chagnon C.W. Stratospheric aerosols studies // J. Geophys. Res. 1961. V. 66. № 7. P. 2163-2182.
30. Junge Christian E. Air Chemistry and radioactivity. International Geophysics Series. 1963. Volume 4. Academic Press, New York, London, 1963. 385 p. (Юнге Христиан Е. Химический состав и радиоактивность атмосферы / Пер. с англ. В.Н.Петрова и А.Я.Прессмана; под ред. Ю.А.Израэля. М.: Изд-во «Мир», 1965. 425 с.)
31. Volz F.E., Goody R.M. The intensity of the twilight and upper atmospheric dust // J. Atmospheric Sci. 1962. V. 19. № 5. P. 385-406.
32. Volz F.E. Twilight Phenomena Caused by the Eruption of Mt. Agung Volcano // Science. 1964. V. 144. P. 1121–1122.
33. Volz F.E. Note on the global variation of stratospheric turbidity since the eruption of Agung volcano // Tellus. 1965. V. 17. P. 513–515.
34. Rosen James M. Stratospheric dust and its relationship to the meteoric influx // Space Science Reviews. 1969. V. 9, № 1. P. 58–89. https://link.springer.com/article/10.1007/BF00187579
35. Асатуров М.Л., Будыко М.И. и др. Вулканы, стратосферный аэрозоль и климат Земли. JL: Гидрометеоиздат, 1986. 256 с.
36. Lenoble J. Radiative transfer in scattering and absorbing atmospheres: standard computational procedures. A Division of Science and Technology Corporation, Hampton, Virginia USA. A.DEEPAK Publishing, 1985. 583 p. (Ленобль Ж. Перенос радиации в рассеивающих и поглощающих атмосферах. Стандартные методы расчета / пер. с англ. К.С.Шифрина. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. 263 с.)