Спутник SWOT будет с беспрецедентной точностью измерять глобальный гидрологический цикл и водовороты, поглощающие углерод. 

На снимке Балтийского моря, сделанном в 2019 году, запечатлены цветки зелёных водорослей, попавших в водовороты

На турбулентные водовороты размером от нескольких километров до сотен километров в поперечнике, отслаивающиеся от больших океанских течений и смешивающие тепло и углекислый газ с более глубокими слоями океана, как сливки, смешанные с кофе, слишком долго не обращали внимания. Они являются самой активной особенностью океана, критически важной для правильного построения климатических моделей, но также в значительной степени невидимыми для спутников, за исключением тех случаев, когда они случайно «подметают» массивное цветение зеленого фитопланктона. 

Водовороты и на суше - приливы и отливы рек и озёр станут в центре внимания после запуска спутника поверхностных вод и топографии океана (SWOT), совместного предприятия НАСА и французского космического агентства CNES. Спутник стоимостью 1,2 миллиарда долларов, запуск которого ожидается не ранее 15 декабря с базы космических сил Ванденберг в Калифорнии на ракете SpaceX Falcon 9, оснащён альтиметром, который может измерять высоту водной поверхности с точностью до пары сантиметров, что позволит исследователям делать выводы о движениях, определяющих её. «Изменения, которые мы ожидаем от SWOT, будут весьма значительными», — говорит Дж. Томас Фаррар (Thomas Farrar), физический океанограф из Океанографического института Вудс-Хоул (WHOI). 

Для океанографов это будет похоже на надевание пары очков, говорит Розмари Морроу (Rosemary Morrow), физический океанограф из Лаборатории космических, геофизических и океанографических исследований в Тулузе, Франция. Спутник улавливает вихри размером семь километров в поперечнике и охватывают почти весь земной шар каждые 21 день. На суше SWOT сможет отображать изменение высоты более 6 миллионов озёр, от Великих озёр до прудов, а также фиксировать потоки в реках шириной более 100 метров. Он заменит точечные, нечастые измерения с земли и сделает область гидрологии гораздо более эмпирической и глобальной, чем когда-либо. «Это поможет нам определить круговорот воды в Арктике, Африке — местах, по которым у нас нет наземных данных», — говорит Тамлин Павелски (Tamlin Pavelsky), гидролог из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл и соруководитель научной группы SWOT по пресноводным исследованиям.

В течение почти четырёх десятилетий НАСА и CNES запустили серию спутников с радиолокационными высотомерами, которые используют отраженные импульсы радара для измерения высоты водной поверхности. Эти инструменты отслеживают ускорение повышения уровня мирового океана, что является основным показателем изменения климата. Измеряя выпуклости и «ямки» океана, они также отслеживают крупномасштабные течения, несущие воду вокруг планеты. Но низкое пространственное разрешение спутников означало, что реки и небольшие водовороты были вне досягаемости. 

SWOT получает более чёткое изображение с помощью двух пятиметровых штанг, каждая из которых имеет антенну для улавливания отражений радиолокационных импульсов SWOT от поверхности Земли. Широко разнесённые антенны дают SWOT разрешение для измерения высоты участка воды шириной всего в километры, а не в сотни километров, позволяя увидеть небольшие водовороты. 

Вооружившись точными наблюдениями, гидрологи смогут сказать, как озёра и реки меняются в зависимости от сезона и как краткосрочные климатические факторы, такие как Эль-Ниньо, влияют на эти ритмы. Для морских экологов SWOT сможет показать, как уровень крупнейших рек мира падает каждый раз, когда их перекрывает плотина или водослив, и насколько сильно это фрагментирует водную среду обитания. Спутник также увидит рябь, которая выдает речные мелководья и глубокие заводи, что является благом для изучения эволюции рек. И SWOT будет регистрировать паводковые воды по мере их движения вниз по реке, что должно помочь специалистам по моделированию наводнений, хотя измерения не будут достаточно оперативными, чтобы помочь сообществам подготовиться. 

Хотя SWOT должен работать всего три года, его научная группа планирует искать корреляции между обнаруженными им потоками воды и характеристиками перманентных миссий Landsat, работающих в видимом свете, такими как изменение ширины озер и рек. По словам Павелски, эти видимые изменения могут служить показателем уровня воды, позволяя исследователям продолжать следить за течениями на планете. «Даже после того, как SWOT закончит работу, вы все равно можете продолжить этот анализ». 

Взгляд SWOT на водовороты может быть его самой большой заслугой. Например, он проверит предсказания о том, что тысячи маленьких водоворотов одновременно волнуют океан, говорит Сильвия Коул (Sylvia Cole), физический океанограф из WHOI. По словам Морроу, водовороты диаметром всего в несколько километров, вероятно, играют решающую роль в попадании тепла и углерода в океаны вблизи полюсов. По её словам, они также вызывают перемешивание в небольших морях. «Вероятно, мы недооцениваем энергию Средиземноморья на 90%, потому что нам не хватает знания этих структур меньшего масштаба». 

На береговых линиях SWOT предоставит подробную картину того, как горячие точки повышения уровня моря в открытом океане влияют на прибрежные затопления, говорит Сёнке Дангендорф (Sönke Dangendorf), физический океанограф из Тулейнского университета. По словам Морроу, он также изучит другую потенциальную угрозу для побережья: небольшие водовороты, которые могут нагревать близлежащие воды и вызывать более сильные ураганы. «Мы улавливаем больше тепла не только на поверхности, но и на глубине». Это важные вопросы, на которые нужно ответить быстро, поскольку большая часть человечества живет вдоль побережья, добавляет она. «Острее всё ощущается в прибрежной зоне».

Ссылка: https://www.science.org/content/article/nasa-mission-will-study-hidden-ocean-swirls-soak-heat-global-warming

Обычно считается, что в последние десятилетия сибирские леса служили важным поглотителем углерода, но воздействие сильных засух и пожаров могло повлиять на их углеродную динамику. Ограниченные доступные ресурсы леса означают, что углеродный баланс остаётся неопределённым. Авторы анализируют ежегодные изменения живого и мёртвого надземного углерода, полученные на основе низкочастотных пассивных микроволновых наблюдений с 2010 по 2019 гг. Обнаружено, что в этот период углеродный баланс сибирских лесов был близок к нулевому, сток углерода составил лишь    Пг С год^–1. Запасы углерода в мёртвой древесине увеличились, но это в значительной степени компенсировалось уменьшением живой биомассы. Значительные потери живого надземного углерода связаны с пожарами и засухой, такими как широкомасштабные пожары в северной Сибири в 2012 г. и экстремальная засуха в восточной Сибири в 2015 г. Эти потери живого надземного углерода контрастируют с тенденциями «озеленения», наблюдаемыми в индексе поверхности листа за тот же период, разделение объясняется более быстрым восстановлением поверхности листа после воздействия, чем живого надземного углерода. Это исследование подчёркивает уязвимость крупных запасов углерода в лесах Сибири к климатическим воздействиям, что ставит под сомнение устойчивость стока углерода в этом регионе земного шара.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41561-022-01087-x

Волны тепла представляют серьёзную угрозу для здоровья человека и экосистем. Поэтому ожидаемое увеличение частоты и интенсивности волн тепла требует прогнозирования для повышения готовности и сведения к минимуму неблагоприятных воздействий. В этом обзоре задокументированы текущие возможности прогнозирования волн тепла в масштабах времени от суток до десяти лет и описаны прогнозируемые изменения в условиях антропогенного потепления. Различные локальные и удалённые факторы и обратные связи влияют на развитие волн тепла. В дневных масштабах наиболее важными являются внетропические атмосферные блоки и глобальная связь между сушей и атмосферой, а в субсезонных и сезонных временных масштабах вклад вносят аномалии влажности почвы и состояния поверхности океана. Знание этих движущих сил позволяет умело прогнозировать периоды сильной жары от дня до недели. Сложнее прогнозы за пределами временных масштабов в несколько недель, но можно оценить тенденции к температурам выше среднего. Ожидается, что в дальнейшем периоды сильной жары станут более частыми, устойчивыми и интенсивными почти во всех населённых регионах, причём в некоторых районах, особенно в средних широтах, эти тенденции будут усиливаться за счёт высыхания почвы. Также участились случаи влажных волн тепла, особенно в южной части Азии. Лучшее понимание соответствующих движущих сил и их модельного представления, включая атмосферную динамику, влажность атмосферы и почвы, а также поверхностный покров, должно стать приоритетом для улучшения прогнозирования волн тепла.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s43017-022-00371-z

Ожидается, что водород (H₂) будет играть решающую роль в сокращении выбросов парниковых газов. Однако потери водорода в атмосферу влияют на химический состав атмосферы, включая положительную обратную связь с метаном (CH₄), вторым по значимости парниковым газом. Авторы с помощью минималистской модели исследуют реакцию атмосферного метана на вытеснение ископаемого топлива водородом. Обнаружено, что концентрация CH₄ может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от количества водорода, попадающего в атмосферу, и выбросов метана, связанных с производством водорода. Зелёный* H₂ может снизить выбросы атмосферного метана, если потери водорода по всей цепочке создания ниже 9 ± 3%. Голубой** H₂ может снизить выбросы метана только в том случае, если потери метана ниже 1%. Рассматриваются и обсуждаются основные факторы неопределённости в этих результатах и последствия для декарбонизации энергетического сектора.

* Зеленый водород получают с помощью электролиза. Если электричество поступает от возобновляемых источников энергии, таких как ветер, солнечная или гидроэнергия, то выбросы СО₂ отсутствуют.

** Голубой водород - водород, полученный путём паровой конверсии метана, но при условии улавливания и хранения углерода, что даёт примерно двукратное сокращение выбросов углерода.  

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41467-022-35419-7

Как одна из наиболее преобладающих межгодовых изменчивостей, диполь Индийского океана (ДИО) оказывает большое социально-экономическое воздействие во всём мире, особенно в Азии, Африке и Австралии. Несмотря на то, что с момента его открытия были предприняты огромные усилия для улучшения как климатических моделей, так и статистических методов для более точного прогнозирования, текущие способы прогнозирования ДИО в основном ограничены тремя месяцами вперёд. Авторы решают эту давнюю проблему, используя многозадачную модель глубокого обучения, названную MTL-NET. Ретроспективные прогнозы событий ДИО за последние четыре десятилетия показывают, что MTL-NET может прогнозировать ДИО заблаговременно до семи месяцев, превосходя большинство динамических моделей мирового класса, используемых для сравнения в этом исследовании. Кроме того, MTL-NET может помочь оценить важность различных предикторов и правильно зафиксировать нелинейные отношения между ДИО и предикторами. С учётом достоинств MTL-NET можно констатировать, что она продемонстрировала себя как эффективная модель для улучшенного прогнозирования ДИО.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41467-022-35412-0

Потеря от «перехвата» при испарении (Ei) является первым процессом, происходящим во время дождя, однако его роль в крупномасштабном балансе поверхностных вод в значительной степени изучена недостаточно. Здесь показано, что Ei можно оценить на основе измерений эвапотранспирации на вышках с использованием основанных на физике моделей гибридного машинного обучения, построенных для влажных и сухих условий. Основанная на спутниковых данных и данных реанализов, эта схема обеспечивает ограниченную наблюдениями оценку Ei, которая в среднем составляет 84,1 ± 1,8 мм в год и составляет 8,6 ± 0,2% от общего количества осадков во всём мире в период 2000–2020 гг. Частота осадков регулирует долгосрочные средние изменения Ei, а интенсивность осадков, но не атрибуты растительности, определяет долю Ei в валовых осадках (Ei/P). Дожди стали менее частыми и более интенсивными с 2000 г., что привело к глобальному снижению Ei (и Ei/P) на 4,9% (6,7%). Это говорит о том, что продолжающиеся изменения количества осадков способствуют разделению в сторону большей влажности почвы и стока, улучшая функции экосистемы, но одновременно увеличивая риски наводнений.

Данных об океане предостаточно, но получить к ним доступ сложно, что затрудняет борьбу с изменением климата. Одна некоммерческая организация пытается их собрать.

 Визуализация данных показывает судоходные пути и предполагаемые выбросы углекислого газа на основе набора данных HUB Ocean’s Ship Emissions Tracker, уникального для платформы Ocean Data Platform.  

Удалённые и ближние датчики, спутники, приливные буи, глубоководные роботы и исследовательские суда с экипажем собирают больше данных об океане, чем когда-либо прежде, поскольку стоимость некоторых из этих устройств снизилась, а технологии улучшились. Несмотря на эти усилия, на карту нанесено менее четверти Мирового океана, а учёные и общество всё ещё решают вопросы об океанских экосистемах и о том, как адаптироваться к таким глобальным вызовам, как изменение климата. 

Многие региональные и глобальные базы данных содержат данные об океане, некоторые из которых доступны для общественности. К сожалению, поскольку типов данных много, а стандарты форматирования не всегда существуют, даже когда данные находятся в открытом доступе, не у каждого исследователя есть время, навыки или ноу-хау для доступа к ним.

«Эти базы данных являются ценным источником информации…, но поиск каких-либо данных занимает очень много времени», — сказала Анна Силякова, океанограф из HUB Ocean, некоммерческой организации в Норвегии, которая теперь надеется устранить эти барьеры.

Компиляция унифицированных данных об океане 

Руководители HUB Ocean планируют сотрудничать с кураторами данных, чтобы помочь им структурировать свои базы данных в облаке. Тем временем учёные некоммерческой организации собирают открытые данные со всего мира, сотрудничая с предприятиями и учёными для создания бесплатно доступного и более простого в использовании репозитория Ocean Data Platform. 

«Существует так много действующих лиц, людей, инициатив и учреждений, которые собирают данные», — сказала Силякова. «Но пока вы храните [их] все в разных местах, у вас никогда не будет полной картины того, что происходит в океане, как наша деятельность может повлиять на океан и как процессы, связанные с океанским климатом, могут воздействовать на человечество». Каталог данных с возможностью поиска информации упростит ситуацию. 

Инструмент решит двойные проблемы, препятствующие обмену данными или их поиску. Во-первых, сотрудники некоммерческой организации, накопившие опыт работы с широким спектром типов данных, нанимают исследователей и юридические лица для прямого обмена своими данными. Во-вторых, HUB Ocean планирует сделать так, чтобы людям, которые загружают, перепрофилируют или повторно делятся данными, было проще указывать первоисточник.

Силякова говорит, что на сегодняшний день существуют региональные сервисы, которые сосредоточены на сборе данных из конкретных стран или регионов, таких как США или Европа, но нет аналогичного сервиса в масштабе Ocean Data Platform. 

Платформа Ocean Data Platform ещё не общедоступна, так как некоммерческая организация работает с несколькими своими партнёрами над её тестированием. Запуск предварительно запланирован на 2023 год, и ведущие HUB Ocean наберут новых тестировщиков на сессии 12 декабря во время осенней встречи Американского Геофизического Союза (AGU) 2022 года. 

Работа с числами стала проще  

Также разрабатывается рабочее онлайн-пространство, предназначенное для исследователей, не имеющих опыта работы с различными типами файлов. Нынешняя мешанина инструментов анализа данных может стать препятствием для тех, кто хочет работать с незнакомыми данными. «Если вам нужно пойти и загрузить несколько разных файлов, которые бывают разных форматов, такие вещи могут [затруднить] кому-то начать работу с данными», — сказала Тара Зейнеп Барис (Tara Zeynep Baris), старший специалист по данным для HUB. Океан. 

Инструмент, получивший название Ocean Data Connector, представляет собой аналитическую вычислительную среду, которую учёные могут использовать вместе с самой платформой для поиска, компиляции и анализа данных. Это означает, что учёные могут работать с данными, не требуя чрезмерных вычислительных мощностей и места для хранения. 

По словам Силяковой, наряду со сбором доступных данных HUB Ocean работает на стыке науки, промышленности и правительства, побуждая агентства делать свои данные общедоступными. Некоторые учёные обеспокоены тем, что обмен данными до их публикации в научном журнале может побудить редакторов отказываться от их исследований.

«Очевидно, что у нас нет возможности убедиться, что все цитируют [данные], но это то же самое, как если бы они получали данные откуда-то ещё», — сказала Барис. Она надеется, что включение чёткой информации о цитировании в каждый набор данных снизит потенциальные опасения по поводу того, что материалы, представленные в Платформу океанических данных, будут распространяться без указания авторства. 

«Я думаю, что глобальному сообществу исследовательских обсерваторий необходимо стараться всё лучше и лучше делать данные доступными и пригодными для использования», — сказал морской метеоролог Океанографического института Вудс-Хоул Джим Эдсон (Jim Edson). Он возглавляет инициативу Ocean Observatories Initiative, которая обменивается данными с помощью своего инструмента Data Explorer. Эдсон также сотрудничал с Национальным центром данных NOAA. «Мы работали с [NOAA], чтобы получить подмножество наших данных на их сайте», — сказал он. «Это было нелегко». 

По его словам, включение коммерческих партнёров уникально для Hub Ocean по сравнению с существующими хранилищами данных. Он согласился с необходимостью расширения и улучшения обмена данными. Но только после запуска Ocean Data Platform учёные, такие как Эдсон, получат возможность по-настоящему проверить её ценность. 

Ссылка: https://eos.org/articles/spurring-ocean-research-with-open-data

Высокие температуры и засушливые условия в последнее время вызвали экстремальную пожарную опасность на северо-востоке Сибири. Шолтен и др. (Scholten et al.) сообщают, что весенние и летние погодные условия с 2019 по 2021 гг., вызванные одновременным изменением частоты арктических фронтовых струй и сезонным более ранним таянием снега, привели к необычно интенсивным пожарам и их смещению на север. В будущем эти тенденции могут ускорить деградацию богатых углеродом торфяников многолетней мерзлоты и внести ещё больший вклад в глобальное потепление, чем сейчас.

Летом 2019, 2020 и 2021 годов на северо-востоке Сибири наблюдалась беспрецедентная пожарная активность, вызванная рекордно высокими весенними и летними температурами. Многие из этих пожаров имели место в многолетнемёрзлых торфяниках за Полярным кругом. Авторы показывают, что раннее таяние снега вместе с аномальными струйными течениями арктического фронта над северо-восточной Сибирью способствовали необычно тёплым и сухим условиям у поверхности, сопровождаемым аномально высокой грозовой и пожарной активностью. Начиная с 1966 г. весеннее снеготаяние начиналось на 1,7 дня раньше в каждое десятилетие. Более того, за последние 40 лет частота возникновения арктических фронтовых струйных течений летом увеличилась более чем в три раза. Эти взаимосвязанные климатологические факторы способствуют экстремальной пожарной активности в Восточной Сибири, в том числе смещению пожаров на север, что может ускорить деградацию богатых углеродом многолетнемёрзлых торфяников.

Ссылка: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn4419

Экстремально высокие температуры, засуха и избыток влаги всё чаще случаются одновременно в течение одного вегетационного периода, влияя на урожайность сельскохозяйственных культур в регионах-житницах мира. В этом обзоре обобщено понимание сложных экстремальных температур и влажности, их воздействия на глобальные урожаи сельскохозяйственных культур и последствия для адаптации. Экстремальные температуры и влажность и их последствия усугубляются взаимодействием растений между собой, взаимодействием тепла и влаги в климатической системе и взаимодействиями растений и атмосферы. Примерно с 2000 года эти комплексные экстремальные явления, и особенно сильные засухи, стали причиной наихудших урожаев (до 30% потерь) в таких регионах, как Индия, Эфиопия, США, Европа и Россия. Тем не менее, в некоторых случаях сочетание стрессов для сельскохозяйственных культур может привести к компенсирующему эффекту. Прогнозируется, что сложные экстремальные явления будут увеличиваться по частоте и амплитуде в будущем, но из-за биофизической взаимозависимости между температурой, водой и физиологией сельскохозяйственных культур суммарное влияние таких будущих сложных экстремальных явлений на урожайность остается неопределённым. Соответственно, сложные экстремальные условия потребуют комплексных стратегий сельскохозяйственной адаптации, направленных на устойчивость к множественным стрессам, поскольку адаптации, которые работают для отдельных климатических стрессов, могут быть неадекватными при комбинированных стрессах. Комплексное понимание динамики тепла и воды в системе «почва-растения-атмосфера» крайне необходимо для оценки рисков и надлежащей адаптации систем земледелия к усугублению климатических воздействий. 
 

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s43017-022-00368-8 

Изменение климата может усугубить экстремальные климатические явления. В этом исследовании изучались глобальные и континентальные представления четырнадцати многосекторальных климатических индексов в течение исторического (1979–2014 гг.), ближайшего (2025–2060 гг.) и далёкого будущего (2065–2100 гг.) по двум сценариям выбросов в одиннадцати моделях общей циркуляции CMIP. Авторы оценили модели на основе пяти показателей, основанных на их временных и пространственных характеристиках. Большинство моделей следовали эталонному образцу в течение исторического периода. MPI-ESM оказалась лучшей в воспроизведении суточной интенсивности осадков в Африке, в то время как CANESM5 заняла первое место по индексу волн тепла, максимальному числу последовательных засушливых дней. На разных континентах, за исключением Африки, MPI-LR показала лучшие результаты в воспроизведении суточной интенсивности осадков. Ранги моделей могут предоставить ценную информацию при выборе подходящих ансамблей моделей общей циркуляции при сосредоточении внимания на экстремальных климатических явлениях. Глобальная оценка мультииндексных определяющих эффектов для различных индексов показывает, что общая продолжительность периода засухи была наиболее важным индексом, модулирующим максимальное число последовательных засушливых дней для всех континентов. Кроме того, большинство индексов демонстрировали положительный сигнал изменения климата от исторического к будущему. Поэтому крайне важно разработать соответствующие стратегии для повышения устойчивости к экстремальным климатическим явлениям при одновременном снижении выбросов парниковых газов.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41598-022-25265-4