исследование вариаций альбедо земли на основе регистрации

ИССЛЕДОВАНИЕ ВАРИАЦИЙ АЛЬБЕДО ЗЕМЛИ НА ОСНОВЕ РЕГИСТРАЦИИ ПЕПЕЛЬНОГО
СВЕТА ЛУНЫ
Бердалиева Н.Е, Эгамбердиев Ш.А.
АИ АН Республика Узбекистан, г. Ташкент [email protected])
Глобальное потепление стало в последние годы неоспоримым фактом. Наблюдательные данные
свидетельствуют о повышении средней по планете температуры по сравнению с концом XIX века более чем
на полградуса, причем основной рост пришелся на последние десятилетия. Полградуса – величина, казалось
бы, очень небольшая, в особенности по сравнению с такими регулярными катаклизмами, как ледниковые
периоды, когда среднегодовая температура падала на десяток градусов. Но ледниковые периоды наступают
и отступают на масштабе тысячелетий, а эти полградуса – за несколько десятков лет. Достаточно повысить
среднюю температуру на Земле еще на градус, и арктическая полярная шапка станет летом полностью таять.
Повышение температуры на 2-3 градуса может привести к глобальным климатическим изменениям,
последствия которых будут не менее драматическими, чем от наступления ледникового периода.
Для предсказания дальнейшего развития ситуации необходимо вначале четко выявить причины
глобального потепления и построить модель, которая по имеющимся данным о воздействии на атмосферу,
гидросферу и биосферу позволила бы вычислить тенденцию к изменению среднегодовой температуры и при
этом не противоречить наблюдениям.
Одной из первых задач выявления причин глобального потепления является измерение средней
температуры Земли. Сделать это не так то легко, ведь в каждом континенте средняя температура различная.
И вычислять среднюю температуру как среднее арифметическое показаний всех метеостанций земного шара
конечно же абсурд. С другой стороны реалистичность любого прогноза, будь то краткосрочный, а тем более
долгосрочный, зависит от точности измерения средней температуры Земли и ее изменений. Так в XXI веке
Луна начала выполнять еще одну важную функцию. С помощью Луны можно наиболее точно измерить
среднюю температуру Земли. Если посмотреть на лунный полумесяц в темную ночь, можно заметить не
только освещенную Солнцем часть, но и слабое сияние остальной части диска. Это сияние и есть так
называемый пепельный свет, возникающий в результате освещения темной стороны Луны отраженными от
Земли солнечными лучами (Рис.1).
В среднем Земля отражает в космос около трети падающего на нее излучения. В астрономии эту
отражательную способность называют альбедо. Альбедо Земли - это отношение потока солнечного
излучения, рассеянного ее поверхностью по всем направлениям, к падающему на эту поверхность потоку.
Таким образом, альбедо Земли составляет около 0,3, т.е. 30% падающего на Землю света отражается и
рассеивается ею. Однако альбедо не остается постоянным. Средние изменения альбедо Земли, которые
можно наблюдать по изменениям пепельного света, связаны с изменением состояния облачного и снежного
покровов, а толщина облачного слоя и его площадь зависят от температуры планеты. С другой стороны,
абсолютное значение альбедо в зависимости от ландшафта меняется в широких пределах. Например, для
поверхности океана ее значение составляет около 5%, в то время как для заснеженных участков поверхности
оно достигает 90%. Кроме того, по интенсивности пепельного света можно судить лишь о количестве
радиации, отраженной в направлении на Луну, а альбедо определяется по суммарной радиации отраженной
по всем направлениям.
Рисунок 1 - Свет, отражённый Землёй, падает на Луну и снова отражается на Землю в виде бледного
свечения — пепельного света
Так, изучая яркость неосвещённой Солнцем стороны Луны, можно узнать, как на Земле обстоит
дело с глобальным потеплением: ведь чем больше облаков, тем больше энергии отражается в космическое
пространство и меньше достигает поверхности.
По яркости пепельного света Луны можно судить об изменениях альбедо Земли, следовательно, о
количестве поглощенной Землей солнечной радиации. Если альбедо возрастает, то количество поглощенной
земной поверхностью солнечной радиации уменьшается и наоборот. Эта идея впервые была высказана еще
в середине прошлого столетия французским ученым Данжоном, однако технические возможности того
времени позволяли проводить регистрацию альбедо с точностью не более 5%, что не достаточно для
изучения вариаций альбедо. Измерения с точностью около 1% были начаты в 1998 году в Обсерватории Big
Bear, Калифорния, под руководством Филиппа Гуди. Были получены целый ряд интересных результатов, в
частности, установлен так называемый парадокс альбедо. Так, несмотря на то, что с 2000 года, по данным
наблюдений пепельного света, альбедо Земли постепенно увеличивается, следовательно, Земля получает от
Солнца меньше тепла, потепление климата не идет на убыль, а продолжается.
С тех пор как измерения пепельного света с определенной географической широты дали
информацию о средней отражательной способности только одной части Земли, сделан вывод, что
необходимо создать несколько идентичных телескопов на соответствующих географических долготах для
получения хорошего масштаба площади для предоставления более полной информации об альбедо. Это
имеет научную важность для изучения долгосрочных вариаций глобальной температуры. Для проведения
долгосрочных исследований пепельного света с наименьшими затратами необходимы автоматические
телескопы. Отсюда ясно, что для достоверной оценки количества солнечной радиации, поглощаемой всей
поверхностью Земли необходимо создать сеть наземных станций, позволяющую проводить непрерывную
регистрацию альбедо из различных точек земной поверхности.
Такая сеть станций – EAST (Earthshine and Asteroseismology Telescope), в настоящее время она
переименована в TAT (Taiwan Automated Telescope Network) – начала создаваться университетом Тсинг-Хуа
(Тайвань) [Dean-Yi Chou et al. 2010]. Один из инструментов сети установлен на Майданакской обсерватории
Астрономического института АН РУз в Кашкадарьинской области в целях проведения долгосрочных
исследований вариаций альбедо Земли на основе регистрации пепельного света. Основная его задача –
регистрировать интенсивность пепельного света Луны. В 2006 году завершен подготовительный этап работ:
смонтирована платформа для установки телескопа, подведено электричество, а сам телескоп был установлен
в 2007 году (Рисунок 2).
Станция оборудована 9-см телескопом системы Максутова на немецкой экваториальной
монтировке. В качестве светоприемника используется 16-битная ПЗС-камера 1024х1024 пикселей с
воздушным охлаждением с чипом Kodak KAF-1001E. Поле зрения матрицы составляет 0.62х0.62 градуса.
Данный телескоп полностью автоматизирован и может работать как в режиме автоматики, так и в
режиме ручного управления. Телескоп является одним из первых роботизированных телескопов на всем
постсоветском пространстве.
Все необходимые параметры для нормальной работы телескопа внесены в файл. Эти параметры
включают в себя период начала и конца наблюдений, координаты объекта, время проведения наблюдений и
температуру ПЗС- камеры. Перед началом наблюдений телескоп открывается, движется вслед движению
объекта исследования, а после окончания возвращается в исходную позицию, блокируется и закрывается.
Рисунок 2 - Телескоп, установленный на Майданакской обсерватории в 2007г.
Рисунок 3 - Диаграмма системы TAT телескопа.
Метеорологическая станция и веб-камера позволят следить за погодными условиями, и
автоматически открывать крышу телескопа по команде управляющего компьютера. Вмонтированный GPSприемник будет обеспечивать станцию точным временем.
Следует отметить, что значение альбедо зависит от спектра падающего излучения и от
свойств поверхности Луны. Поэтому необходимо отдельно измерять альбедо для разных спектральных
диапазонов. Для этого телескоп сети EAST оснащен набором широкополосных фильтров, установленных в
колесе фильтров непосредственно перед ПЗС-приемником. Свет, приходящий от освещенной Солнцем
части Луны будет ослаблен с помощью нейтрального фильтра, форма которого будет в точности повторять
фазу Луны. Эта одна из сложнейших конструкций телескопа.
Точность данных регистрации альбедо определяется не только качеством телескопа, но и
эффективностью методов учета искажений излучения в земной атмосфере и других астрономических
факторов, таких как зодиакальный свет, свечение верхней атмосферы и т.д.
Полученные данные исследований автоматически сохраняются в жестком диске. В интерактивном
режиме телескопом можно управлять через Интернет. Также на Майданаке проложена сеть WI-FI, с
помощью которой, находясь на обсерватории, можно выйти в Интернет с любой точки (в доме, на
телескопе, на улице), что позволяет проводить непрерывные регистрации пепельного света. В полном
автоматическом режиме телескоп работает без человеческого вмешательства и получает снимки объектов.
Дистанционное управление и бесперебойный выход в Интернет дают возможность удаленно подключаться
к компьютерам, которые находятся на обсерватории.
Структура телескопа показана на рисунке 3.
Вся система контролируется программой Linux. Для обеспечения интерфейса между компьютерами
и программами используется DSP – цифровой сигнальный процессор.
Сеть телескопов, установленных на разных географических широтах, дает возможность проводить
непрерывные наблюдения пепельного света Луны, позволяет создавать банк необходимых данных для
дальнейшей их обработки.