Экспедиция Многопрофильной дрейфующей обсерватории по изучению арктического климата (MOSAiC, / ˌ m ə ʊ ˈ z ɛ ɪ ɪ k / ) была годичной экспедицией в Центральную Арктику (сентябрь 2019 г. - октябрь 2020 г.). [1] [2] Впервые современный исследовательский ледокол смог работать в непосредственной близости от Северного полюса круглый год, включая почти полугодовую полярную ночь зимой. [3] С точки зрения связанных с этим логистических задач, общего числа участников, числа стран-участниц и доступного бюджета MOSAiC представляет собой крупнейшую арктическую экспедицию в истории. [1]
Во время своего годичного путешествия центральное экспедиционное судно, исследовательский ледокол Polarstern из немецкого Института Альфреда Вегенера, Центра полярных и морских исследований имени Гельмгольца (AWI) , поддерживалось и снабжалось ледоколами и исследовательскими судами «Академик Федоров» и «Капитан Драницын» (Россия), «Зонне» и «Мария С. Мериан» (Германия) и «Академик Трёшников» (Россия). [4] Кроме того, были запланированы обширные операции с участием вертолётов и других воздушных судов. [2] Всего на различных этапах экспедиции в Центральной Арктике работало более 600 человек. [5] Международная экспедиция, в которой приняли участие более 80 организаций из 20 стран ( Австрия , Бельгия , Канада , Китай , Дания , Финляндия , Франция , Германия , Италия , Япония , Нидерланды , Норвегия , Польша , Россия , Южная Корея , Испания , Швеция , Швейцария , Великобритания и США ), [6] была проведена AWI под руководством полярного и климатического исследователя Маркуса Рекса и соруководителем исследователя атмосферы Мэтью Шупе из Университета Колорадо в Боулдере . Основными целями MOSAiC были исследование сложных и пока еще плохо изученных климатических процессов, происходящих в Центральной Арктике, улучшение представления этих процессов в глобальных климатических моделях и внесение вклада в более надежные климатические прогнозы. [7]
Стоимость экспедиции составила 140 миллионов евро (примерно 154 миллиона долларов США); половина бюджета была предоставлена Федеральным министерством образования и исследований Германии (BMBF). Участие США в первую очередь поддерживалось Национальным научным фондом , который внес около 24 миллионов долларов в проект, что является одной из крупнейших арктических исследовательских инициатив, когда-либо реализованных агентством. [8] Министерство энергетики США также вложило значительные средства в миссию, профинансировав почти 10 миллионов долларов и предоставив крупнейший набор атмосферных приборов. [9]
В течение полугодовой арктической зимы морской лед слишком толстый для проникновения исследовательских ледоколов. Следовательно, данные из Центральной Арктики практически отсутствуют, особенно зимой. Чтобы достичь Центральной Арктики зимой, экспедиция MOSAiC пошла по стопам знаменитой экспедиции Фритьофа Нансена с деревянным парусным судном «Фрам» в 1893–1896 годах, более 125 лет назад. [10] Его смелое путешествие показало, что можно позволить кораблю дрейфовать через полярную шапку, из Сибири в Атлантику, застряв в толстом морском льду и движимому исключительно силами естественного дрейфа льда. Хотя Нансен продемонстрировал принципиальную осуществимость такого предприятия, научные измерения, возможные в его дни, были все еще довольно примитивными. В ходе MOSAiC дрейф « Фрама » впервые был повторен с помощью исследовательского ледокола, оснащенного настоящим арсеналом новейших приборов для изучения и регистрации сложных климатических процессов в Центральной Арктике.
Сердцем MOSAiC стал годичный дрейф Polarstern через Центральную Арктику. 20 сентября 2019 года судно вышло из норвежского порта Тромсё вместе с Akademik Fedorov , проследовало на восток вдоль побережья Сибири и примерно в 125° восточной долготы повернуло на север и начало прорываться сквозь морской лед Центральной Арктики, что было еще возможно в то время года. 4 октября 2019 года в точке с координатами 85° северной широты и 134° восточной долготы экспедиция MOSAiC нашла подходящую льдину размером примерно 2,5 на 3,5 километра. Polarstern перевела двигатели в нейтральный режим и позволила себе застрять в морском льду. Затем вокруг судна на льду был разбит обширный исследовательский лагерь. В то же время Akademik Fedorov развернул сеть исследовательских станций на льду, некоторые из которых находились на расстоянии до 50 км от местоположения Polarstern . [11] Сеть состояла как из автономных, так и дистанционно управляемых приборов, которые проверялись через регулярные промежутки времени с помощью полетов вертолетов из центрального Polarstern, который образовывал Центральную обсерваторию. [12] [13]
Доставив последнюю партию топлива, в конце октября «Академик Федоров» вернулся в Тромсё. С этого момента естественный дрейф нес Polarstern и его сеть исследовательских станций через район Северного полюса. 24 февраля 2020 года Polarstern побил рекорд: во время дрейфа он достиг 88°36' северной широты, всего в 156 километрах от Северного полюса. [14] Летом 2020 года судно достигло пролива Фрама . 13 августа, после последней большой дозаправки и ротации персонала, Polarstern начал движение к Центральной Арктике, чтобы изучить начало и раннюю фазу замерзания морского льда. [15] 19 августа судно достигло Северного полюса. Путешествие от северной части пролива Фрама до полюса заняло всего шесть дней. [16] После непродолжительных поисков команда MOSAiC обнаружила новую льдину. Так называемая льдина MOSAiC 2.0 была обнаружена в одиннадцати морских милях от маршрута, по которому шла первоначальная льдина в январе 2020 года. [17] Polarstern покинула льдину MOSAiC 2.0 20 сентября 2020 года, через год после начала экспедиции. 12 октября 2020 года Polarstern вернулась в свой порт приписки в Бремерхафене . [18]
В период с августа по сентябрь 2020 года немецкие исследовательские самолеты Polar 5 и Polar 6 вылетели со Шпицбергена для проведения аэрофотосъемки морского льда и атмосферы над Северным Ледовитым океаном, дополняя исследовательскую программу экспедиции MOSAiC. [19]
Топливные склады, созданные на островах у побережья Сибири специально для экспедиции, поддерживали потенциальные экстренные операции с помощью вертолетов дальнего действия, которые могли достичь Polarstern в случае чрезвычайной ситуации, по крайней мере, на ранних и поздних этапах экспедиции. [13]
Основная цель проекта MOSAiC — понять связанные климатические процессы в Центральной Арктике, чтобы их можно было точнее интегрировать в региональные и глобальные климатические модели. Результаты будут способствовать более надежным прогнозам климата для Арктики и в глобальном масштабе, улучшению прогнозов погоды и арктического морского льда. [7] [20]
Кроме того, результаты миссии MOSAiC помогут понять региональные и глобальные последствия изменения климата в Арктике и потери морского льда. [21] Они улучшат готовность сообществ в Арктике и северных средних широтах, предоставят научную основу для разработки политики устойчивого развития Арктики и поддержат принятие решений на основе фактов в областях смягчения последствий и адаптации к глобальному изменению климата. [12] [20]
Всесторонние и сложные атмосферные измерения, проведенные во время MOSAiC, обеспечивают физическую основу для понимания локальных и вертикальных взаимодействий в атмосфере и взаимодействий между атмосферой, морским льдом и океаном. Характеристика процессов в облаках , в пограничном слое атмосферы , поверхностном слое и поверхностном потоке энергии приведет к лучшему пониманию нижней тропосферы , которая взаимодействует с поверхностью в Арктике. Выполненные измерения теплового потока позволили точно оценить температуру поверхностного слоя, которая показала существенное смещение этих измерений (1–3 °C в течение января–апреля) по сравнению с несвязанными атмосферными повторными анализами ( ERA5 и JRA-55). [22] Одной из самых больших проблем было проведение этих измерений последовательно в течение всего годового цикла морского льда , особенно в начале периода замерзания, чтобы контролировать переход от открытой воды к очень тонкому слою льда. Показания, полученные на больших высотах, дали представление о характеристиках средней и верхней тропосферы и взаимодействии со стратосферой. Чтобы улучшить наше понимание аэрозолей и взаимодействия аэрозолей с облаками над Центральной Арктикой, особенно зимой, были проведены измерения состава частиц, их физических свойств, их прямых и косвенных радиационных эффектов и их взаимодействия со свойствами облаков. [12] Регулярные радиозондовые наблюдения в сочетании с измерениями с помощью привязного аэростата обеспечили получение профилей атмосферных условий с высоким разрешением в столбе воздуха над площадкой MOSAiC. Кроме того, радиолокационные измерения использовались для определения вертикального профиля скорости и направления ветра, а также ключевых свойств облаков, включая содержание льда и жидкой воды. Ключевые термодинамические параметры , а также кинематические структуры атмосферы были исследованы с помощью микроволновых и инфракрасных радиометров , Рамановских и Доплеровских лидаров .
Наблюдения за морским льдом охватывали широкий диапазон от физических и механических характеристик арктического морского льда до его морфологии , оптических свойств и баланса массы . [23] Основное внимание уделялось характеристике снежного покрова и ледяного покрова, а также достижению лучшего понимания процессов, определяющих их свойства. Снежные траншеи (ямы) и ледяные керны помогли исследователям собрать эти ценные данные. Дальнейшие аспекты наблюдения за морским льдом включали определение бюджета массы путем измерения глубины снежного покрова и толщины льда, а также измерение диффузии солнечного света во льду, спектрального альбедо льда и его пропускания . Кроме того, различные типы льда ( торосы , лед первого и второго года) контролировались в течение всего годового цикла с целью определения пространственной изменчивости и развития ледяного покрова в Арктике с течением времени. [12] [13]
Наблюдения за хребтами показали, что большая часть консолидации хребта первого года произошла в весенний сезон до начала таяния и была инициирована вторжениями теплого воздуха и переносом снега в разводья, [24] что также было подтверждено 6%–11% массовой долей снега в хребтах. [25] Было также показано, что скорость таяния дна для торосов давления была примерно в четыре раза больше, чем для ровного льда, в то время как форма хребта также влияла на его таяние, с более высоким таянием для более глубоких, крутых и узких хребтов. [26] Наблюдения включали измерения плотности снега, механического сопротивления и микроструктуры (с использованием компьютерной томографии ), что позволило вычислить теплопроводность снега . [27] Наблюдения за балансом массы льда включали установку буев, измеряющих температуру морского льда , а также абляционных стоек, измеряющих эволюцию поверхности морского льда и интерфейсов дна. [28] Кроме того, толщина морского льда была измерена с помощью наземного электромагнитного зондирования, в то время как снег и надводный борт морского льда были измерены с помощью лазерного сканера на базе вертолета. Кроме того, топография подводного морского льда и другие физические параметры были измерены с помощью наблюдений с помощью дистанционно управляемого аппарата , а также биофизическая характеристика мест обитания водорослей. [29] Зимние наблюдения характеризовались наличием пластинчатого льда из-за наличия переохлажденной воды, [30] в то время как летнее таяние характеризовалось стратификацией талой воды и образованием ложного дна , которое покрывало около 20% площади морского льда. [31] [32] Воздушные наблюдения за температурой поверхности выявили сильную 41% предварительную подготовку поверхностных талых прудов, которые образуются в областях теплых аномалий температуры поверхности зимой, типичных для тонкого льда и снега. [33]
Океанические процессы влияют на энергетический баланс в Арктике, а также на рост и таяние морского льда из-за дополнительного тепла. Они также играют важную роль в биологической активности , которая связывает и потенциально экспортирует CO2 . Измерения в толще воды прольют новый свет на ключевые механизмы, происходящие в океане, например: (1) теплообмен между морским льдом и океаном , (2) поглощение солнечного света и переработка полученного тепла , (3) взаимодействие с глубоководными процессами и (4) первичная биологическая продуктивность и экспорт органического вещества из эвфотической зоны .
Учитывая, что понимание эволюции морского льда было одной из основных целей экспедиции MOSAiC, океанические процессы, влияющие на лед, такие как поверхностное перемешивание, были в центре океанографических исследований . Кроме того, были подробно изучены динамика и термодинамика слоя смешения. [12] Для этой цели проводились непрерывные измерения турбулентных потоков непосредственно под границей океан-лед, чтобы помочь понять скорости льда и океана, вертикальные тепловые и импульсные потоки, диффузию массы и другие ключевые процессы. Более того, глубокий океан наблюдался в более широком контексте путем создания профилей скорости потока, температуры, солености и растворенного кислорода в верхних ста метрах Северного Ледовитого океана на регулярной основе, чтобы лучше понять его влияние на верхний пограничный слой океан-лед. [13]
Наблюдения за биологической и биогеохимической трансформацией и сукцессией в основном были сосредоточены на анализе образцов из всех трех основных физических режимов, т. е. ледовой, снежной и водной сред. [34] Кроме того, измерения потока проводились как на границе лед/вода, так и лед/воздух. Они повторялись в течение всего арктического года, чтобы количественно оценить биологию и биогеохимию системы морской лед/атмосфера в каждое время года, особенно в недостаточно изученную арктическую зиму. Например, контролировался годовой баланс массы органического и неорганического углерода , и снимались кристаллографические показания икаита в каналах морского дна. [13] Последнее дало представление о биогеохимии чистого воздушного/ледового потока CO 2 , производимого морским льдом, и о потенциале захвата органического углерода и дыхания CO 2 . Вторая цель состояла в том, чтобы количественно оценить накопление метана , окисление под морским льдом и потоки воздуха/океана с учетом потенциала крупных потоков океанического метана в атмосферу. Третий ключевой элемент: наблюдение за циклами биогенных газов, таких как N 2 O , O 2 , DMS (диметилсульфид) и бромоформ в снеге , морском льду и воде , что способствовало нашему пониманию основных биогеохимических путей. [13] Дополнительным важным аспектом было создание годового баланса массы и цикла лед/вода для макро- и микроэлементов; в этой связи были исследованы вертикальные потоки питательных веществ между океаном, эвфотической зоной , смешанными и глубокими слоями океана, частично с помощью молекулярных инструментов, чтобы прийти к лучшему пониманию цепей рециркуляции.
Тесно взаимосвязанная концепция моделирования и наблюдения была центральной для определения и планирования экспедиции MOSAiC. Для того чтобы понять и объяснить изменения, происходящие в арктической климатической системе , будут разработаны новые модели , а предыдущие модели будут уточнены на основе наблюдений и показаний, полученных во время экспедиции. Эти наблюдения также сыграют важную роль в улучшении этих моделей и разработке новых для прогнозирования погоды и морского льда , а также для климатических проекций. В свою очередь, модели предоставят понимание явлений, которые не наблюдаются напрямую. Наблюдения, сделанные в ходе MOSAiC, предоставят новые рамочные условия для моделей в различных масштабах; например, модели с высоким разрешением будут использоваться для подробных исследований, и эти исследования могут стать основой для улучшения региональных и глобальных климатических моделей. [2]
Кроме того, региональные арктические модели будут использоваться для ответа на важные вопросы, касающиеся роли Арктики как глобального поглотителя энергии; того, как глобальные модели связей будут формироваться под воздействием изменения объема льда в Арктике; и как эти изменения повлияют на циркуляцию и погоду в низких широтах. [2] Моделирование и наблюдения в ходе MOSAiC будут проводиться в тесном сотрудничестве с международными усилиями по моделированию Всемирной программы исследований погоды и Всемирной программы исследований климата.
Первая фаза экспедиции включала шестинедельный курс для 20 аспирантов на борту «Академика Федорова» . Он был совместно предоставлен MOSAiC Partners и Ассоциацией молодых полярных ученых . [35]