Извержение вулкана и радиационное поле Земли (моделирование)

В этом докладе речь пойдет о «сценариях» оценивания влияния извержения вулкана на газовое и аэрозольное загрязнение земной атмосферы и, как следствие, на возмущение спектрального состава излучения и радиационного баланса Земли с целью определения радиационного форсинга на климатическую систему.
Радиационное поле Земли - одна из определяющих компонент климата, экосистемы и жизнеобеспечения. Составной частью исследований опасных явлений и экологических последствий естественно-природных катастроф является разработка информационно-математической системы и создание программного визуально-диагностического обеспечения для математического моделирования переноса излучения, аэрокосмического дистанционного зондирования и мониторинга, анализа и прогнозирования радиационного поля Земли и радиационного форсинга на основе «сценариев».
О том, какие последствия (помимо красных солнечных закатов) на самом деле вызывает извержение вулкана и как их оценивать, можно говорить, моделируя «сценарии», в которых различают два эффекта – быстрый и долгосрочный. Быстрый эффект – это наблюдения в тех регионах, куда воздушными массами принесло пепловые частички, выброшенные в атмосферу при извержении вулкана. После прекращения извержения вулкана этот эффект сохраняется, как правило, в ближайшие дни, реже недели. Дожди помогают осадить пепел и избежать дальнейших серьезных последствий. Оперативно можно обнаруживать такие последствия с помощью космических съемок (что было продемонстрировано после извержения вулкана в Исландии), но оценивать дистанционными методами состав и количество загрязнений, выброшенных в атмосферу, – это пока ещё сложная задача, поскольку требуются гиперспектральные измерения по наклонным трассам с земной поверхности или приземным касательным либо лимбовым сумеречным направлениям с аэрокосмических аппаратов. Важно идентифицировать загрязнение.
Долгосрочный эффект более сложен. Газы, выделяющиеся при извержении, могут привести к локальному или глобальному изменению климата. Они снижают интенсивность солнечных лучей и вызывают похолодание. Этот эффект может проявляться в течение года-двух. При извержении пепел может попасть в стратосферу (высота до 50 км зависит от мощности «термика», сформировавшегося под воздействием извержения вулкана; термик — это восходящий поток воздуха в атмосфере Земли, вызванный нагреванием приземного слоя воздуха под воздействием лучей Солнца или других факторов), в этом случае он и разносится на большие расстояния. Сульфатные аэрозоли, попадающие в стратосферу вместе с пеплом, более стабильны и могут перемещаться над планетой несколько лет. Они могут оказывать влияние на озоновый слой Земли, вызывая его разрушение, что приводит не только к расширению озоновых дыр, но и к изменению спектра солнечного света, которое провоцирует похолодание.
Нас интересует проблема расчета радиационного поля Земли в масштабах всей планеты (одновременно при всех условиях освещения, горизонт, сумерки, область сумерек и тени, полярные регионы и т.д.). Приходится иметь дело с общими краевыми задачами для интегро-дифференциального кинетического уравнения, описывающего перенос излучения в рассеивающих, поглощающих, излучающих, преломляющих, поляризующих средах с одномерной, двумерной или трехмерной сферической геометрией. В нашем подходе атмосфера рассматривается как элемент «оптической» системы переноса излучения и суммарное излучение рассчитывается с использованием оптического передаточного оператора, который формулируется на базе математического аппарата линейно-системного подхода и интеграла «суперпозиции».
Работа выполняется при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 09-01-00071, 08-01-00024).