Экспедиция MOSAiC

Международная круглогодичная экспедиция MOSAiC — многопрофильная дрейфующая обсерватория по изучению изменений климата, которая будет проведена в Центральной Арктике в 2019—2020 гг. Исследователи впервые получат возможность изучать район северного полюса непрерывно в течение целого года, включая и почти шестимесячный период полярной ночи, базируясь на современном научно-исследовательском ледоколе. Учитывая общее число участников экспедиции и вовлеченных в проект стран, а также бюджет проекта, сложность и объем материально-технического снабжения, MOSAiC можно назвать крупнейшей в истории арктической экспедицией.

Главное экспедиционное судно — ледокол «Поларштерн», принадлежащий Институту им. Альфреда Вегенера — Центру морских и полярных исследований Гельмгольца (АВИ), будут поддерживать и снабжать в течение всего срока экспедиции два российских судна: ледокол «Адмирал Макаров» и научно-исследовательское судно (НИС) ледового класса «Академик Фёдоров», а также шведский ледокол НИС «Оден» и китайский ледокол НИС «Сэюлун-2». Запланированы и крупномасштабные исследовательские операции с использованием полярных самолетов и вертолетов. За год в международной арктической экспедиции, координируемой германским Институтом им. Альфреда Вегенера, примут участие более 600 человек из 60 научных центров 17 стран, общее руководство будет осуществлять полярный исследователь профессор-климатолог Маркус Рекс (АВИ). Основная цель дрейфующей обсерватории — исследование пока еще недостаточно изученных и не до конца понятых климатических процессов в центральной Арктике для уточнения глобальных моделей климата и климатических прогнозов.

Экспедиция MOSAiC

Почти шесть зимних месяцев Северный Ледовитый океан недоступен для исследовательских ледоколов из-за большой толщины ледяного покрова, поэтому зимой исследовательские данные по Центральной Арктике можно получить лишь с дрейфующих станций. Экспедиция MOSAiC последует путем легендарной полярной экспедиции 1893—1896 гг. под руководством Фритьофа Нансена — первой в истории экспедиции, достигшей Центральную Арктику зимой. Более 125 лет назад отважные исследователи на деревянном паруснике «Фрам» доказали возможность дрейфа из Сибири через Северный полюс в Атлантический океан на судне, вмороженном в паковые льды, с использованием только трансполярного течения. Хотя Нансен и его соратники и показали осуществимость такого плана на практике, но по условиям того времени они не могли провести полноценные научные исследования во время дрейфа. Экспедиции MOSAiC предстоит повторить дрейф «Фрама» на современном научно-исследовательском ледоколе, снабженном всем арсеналом новейших научно-исследовательских приборов для изучения комплекса климатических процессов в Центральной Арктике.

Основой экспедиции станет годичный дрейф ледокола «Поларштерна» через Центральную Арктику (движение судна показано красным пунктиром на следующем рисунке). 20 сентября 2019 г. «Поларштерн» и «Академик Федоров» вместе выйдут из норвежского порта Тромсё, проследуют на восток вдоль сибирского побережья, затем примерно в районе 120° в. д. повернут на север и войдут в Центральную Арктику, где в это время года еще возможно плавание в автономном режиме. Примерно на 85° с. ш. двигатели «Поларштерна» будут остановлены и начнется вмораживание судна в паковый лед. Рядом с судном на льду будет разбит большой исследовательский лагерь. Одновременно с борта «Академика Федорова» будет спущена и установлена сеть наблюдательных станций на льду на расстоянии до 50 км от «Поларштерна», состоящая из автономных приборов и из датчиков с дистанционным управлением. Проверка работы приборов будет проводиться регулярно, в частности, с помощью бортовых вертолетов, базирующихся на «Поларштерне», который станет Центральной обсерваторией MOSAiC .

В конце октября, после последней перекачки топлива на «Поларштерн», НИС «Академик Федоров» вернется в Тромсё, а «Поларштерн» и окружающие его станции будут дрейфовать вместе со льдами через район Северного Полюса. Примерно за год дрейфа судно должно достичь пролив Фрама, там самостоятельно освободиться из пакового льда и, согласно плану, в середине октября прибыть в порт приписки Бремерхафен. Ледовые условия в начале экспедиции и с лета 2020 г. должны позволить ледоколам-партнерам MOSAiC доставить на «Поларштерн» сменный экспедиционный состав и необходимые грузы. В период с середины февраля по середину июня такие операции будут невозможны из-за мощного непроходимого льда.

В марте-апреле немецкие исследовательские самолеты «Полар-5» и «Полар-6», базирующиеся в Свальбарде и Гренландии, будут приземляться и заправляться на взлетно-посадочной полосе, оборудованной на льду близ ледокола «Поларштерн». Их задача — вести широкомасштабные исследования по всей Арктике. Взлетно-посадочная полоса будет использоваться также для транспортировки участников экспедиции и для доставки грузов.

При необходимости вертолёты дальнего действия смогут совершать срочные или аварийные вылеты, достигая «Поларштерн», по крайней мере, на начальном и заключительном этапах дрейфа. Топливо для их заправки складировано на ряде островов российской Арктики.

Области исследования

Главной целью проекта MOSAiC является комплексное изучение взаимосвязанных климатических процессов в Центральной Арктике, которые будут отражены в региональных и глобальных климатических моделях. Полученные исследовательские данные послужат уточнению глобальных климатических моделей, улучшению прогнозирования погоды, климата и ледовой обстановки в Арктике.

Помимо этого, результаты экспедиционных исследований помогут понять региональные и глобальные эффекты изменений климата и уменьшения количества морского льда в Арктике. Они также будут способствовать лучшей подготовленности жителей Арктики и средних широт северного полушария к изменениям природной среды и послужат научной основой для развития программ устойчивого развития Арктики, а также для разработки мер по смягчению воздействия глобального изменения климата и адаптации к нему.

Атмосфера

Всесторонние и комплексные атмосферные измерения обеспечат реальную основу понимания локальных и вертикальных взаимодействий в атмосфере и взаимодействия в системе «атмосфера-лед-океан». Описание динамических процессов в облаках, в атмосферном пограничном слое (до 1,5 км по высоте), поверхностном слое (первые метры от поверхности Земли) и в потоке поверхностной энергии позволят выработать более ясное представление о нижнем слое тропосферы, взаимодействующем с поверхностью Земли. Одной из самых больших сложностей при этом является проведение измерений на протяжении полного годового цикла образования и роста морского льда, особенно в начале льдообразования при переходе воды в тонкий лед. Данные измерений, полученные с больших высот, помогут в изучении среднего и верхнего слоев тропосферы и их взаимодействия со стратосферой. Определение состава аэрозольных частиц, их физических характеристик, их прямого и опосредованного радиационного эффектов и их взаимодействия с облаками помогут расширить наши знания об аэрозолях и о взаимодействии аэрозолей и облаков над Центральной Арктикой, особенно в зимнее время года. Регулярные радиозондовые наблюдения, в сочетании с метеозондовыми измерениями (с помощью привязных аэростатов), позволят получить атмосферные профили температуры и влажности высокого вертикального разрешения. С помощью радиолокационных установок будут определяться вертикальный профиль скорости и направления ветра, а также основные характеристики облаков, включая содержание льда и жидкой воды. Для определения основных термодинамических параметров и для изучения кинематической структуры атмосферы будут использоваться микроволновый и инфракрасный радиометры, рамановский и доплеровский лидары.

Морской лед

Исследования морского льда будут вестись в широком диапазоне: они затронут как физические и механические характеристики арктического морского льда, так и его морфологические, оптические и динамические свойства, а также баланс массы. Особый акцент будет сделан на изучение снежного и ледового покровов и на выяснение процессов, определяющих их свойства. Собрать эти ценные данные помогут пробы снега в снежных шурфах и бурение ледяных кернов. Наблюдения за морским льдом будут включать в себя определение баланса массы льда с помощью измерений толщины снежного и ледяного покровов, а также измерения проникновения солнечной радиации в лед, спектрального альбедо льда и его передачи. Помимо этого, будут изучены различные типы льда в ходе полного годичного цикла для определения пространственной изменчивости и развития арктического ледяного покрова во времени.

Океан

Природные процессы, происходящие в Мировом океане, оказывают воздействие на энергетический баланс в Арктике, а также на рост арктического морского льда и на ускорение его таяния под влиянием потепления. они также играют важную роль в биологической активности связывания и переноса CO2.

Измерения в водяном столбе прольют свет на такие ключевые процессы в океане как: 1) тепловой обмен между морским льдом и океаном; 2) поглощение солнечного света и переработка возникающего при этом тепла; 3) взаимодействие с процессами в пелагических зонах; 4) первичная биологическая продуктивность и экспорт органического материала из эвфотический зоны.

Одной из основных целей экспедиции MOSAiC является изучение эволюции морского льда, поэтому океанографические исследования сфокусируются на океанических процессах, воздействующих на лед, таких, например, как перемешивание в приповерхностном слое. Будут подробно изучаться также динамические и термодинамические процессы в приповерхностном слое океана. Для этого будут проводиться непрерывные измерения турбулентных течений непосредственно в пограничном слое, на разделе воды и морского льда, в результате будут получены данные о скоростях движения льда и воды, о вертикальных потоках тепла и энергии, о диффузионном потоке массы и о других важных процессах. Кроме того, будут проводиться исследования более глубоких вод при построении профилей скоростей течения, температуры, солености и растворенного кислорода на глубинах верхней сотни метров, что позволит лучше понять механизм воздействия глубоководных слоев океана на поверхностный пограничный слой на границе раздела «вода-лед».

Экосистема и биогеохимия

Наблюдения над биологической и биогеохимической трансформацией и сукцессией в основном будут сконцентрированы на образцах из трёх главных физических сред: льда, снега и воды. Кроме того, на протяжении всего года будут проводиться измерения течений в барьерных зонах «лед-вода» и «лед-воздух» с целью количественных определений биологии и биогеохимии системы «морской лед-атмосфера» во все времена года, особенно в малоизученное зимнее время. Так, например, будет организован мониторинг годового баланса органического и неорганического углерода, а также сбор данных о минерале икаит в холодных грунтовых водах. Эти данные важны для понимания биогеохимического механизма выделения и поглощения СО2, вызванного образованием и таянием морского льда в высокоширотной Арктике, а также потенциального связывания органического углерода и респирации углекислого газа. Второй целью станет количественное определение скоплений метана, окисления метана под морским льдом, подсчётом потоков воздуха и воды для определения эмиссии метана из океана в атмосферу. Третьим ключевым элементом исследований в области биологии и биогеохимии станут наблюдения над циклами биогазов, таких как N2O, O2, диметилсульфид и бромоформ в снегу, морском льду и в морской воде, которые помогут понять биогеохимические процессы, лежащие в их основе. Анализ годового баланса питательных веществ макро- и микроуровней в условиях циклов «вода-лёд» явится еще одним важным аспектом исследований. В этой связи будут изучаться вертикальные потоки питательных веществ между океаном, эвфотической зоной, смешанными и глубинными слоями океана, в том числе, с помощью молекулярных инструментов, для лучшего понимания циклических изменений цепочек питательных веществ.

Цифровое моделирование

В основу разработки и планирования экспедиции MOSAiC были положены тесно взаимосвязанные концепции проведения наблюдений и цифрового моделирования. Чтобы лучше понять и объяснить изменения, происходящие в климатической системе Арктики, на основе экспедиционных наблюдений и данных будут разработаны новые и усовершенствованы уже существующие климатические модели для улучшения прогнозирования погоды, ледовой обстановки и климата. Такие модели, в свою очередь, помогут исследовать явления, недоступные для прямых натурных наблюдений. Данные MOSAiC послужат для разработки моделей различных масштабов, так, например, модели с высоким разрешением будут использоваться для детальных исследований, а те, в свою очередь, послужат основой для улучшения региональных и глобальных моделей климата.

В дополнение к этому, региональные модели климата дадут возможность ответить на важные вопросы, касающиеся роли Арктики как глобального потребителя энергии: например, на вопрос, как глобальные структурные связи будут отражаться на количестве льда в Арктике и как такие изменения повлияют на циркуляцию атмосферы и погоду в низких широтах. Наблюдения и моделирование в ходе MOSAiC будут проводиться в тесном международном сотрудничестве со «Всемирной программой исследований климата» и со «Всемирной программой исследований погоды».

Ссылки в интернете

• Official MOSAiC Expedition website (English)
• https://follow.mosaic-expedition.org/(Progressive Web App) (English)
• Trailer for MOSAiC Expedition on YouTube (German)
• Interview with expedition leader Markus Rex on MOSAiC website