Гравитационные паводки

Каким образом измерение гравитационного поля Земли поможет узнать, насколько весенние паводки могут быть обильными, в своей лекции в «Газете.Ru» рассказывает научный сотрудник ГАИШ МГУ Леонид Зотов.

После продолжительной снежной зимы неизбежно придут весенние паводки. Предвидеть, что они будут обильными, можно, просто посмотрев на сугробы за окном. Но как можно определить количество содержащейся в снеге и льде воды на территории всей нашей страны? Из отчета Российского Гидрометцентра по особенностям климата в 2011 году становится понятно, что для этого используются измерения сети метеостанций и полевые наблюдения. На их основе строятся карты продолжительности залегания снега, предположения о количестве запасённой в нем воды, об отклонениях от многолетних норм и др. Эти измерения могут быть использованы для прогнозирования интенсивности паводков и подготовки к ним.

Но есть и другой способ определить, сколько воды запасено в накопившемся снеге и льде: об избытке массы нам может сказать гравитационное поле, изучением которого занимается гравиметрия.

Со школы многие помнят, что ускорение свободного падения составляет 9,8 м/c² (981 Гал). Эта величина характеризует средний потенциал силы тяжести, создаваемой всей массой Земли у её поверхности. Однако перераспределение масс на поверхности Земли и в земной коре может менять эту величину на несколько миллиардных долей (микрогалы). Современные наземные и космические приборы позволяют зафиксировать даже такие незначительные изменения.

В 2002 году с космодрома Плесецк были выведены на орбиту два спутника GRACE Американского космического агентства NASA. Задача спутников-близнецов состояла в картировании гравитационного поля Земли и изучении климатических изменений. Обращаясь по полярной орбите высотой около 500 км на расстоянии 220 км друг от друга, эти спутники «чувствуют» изменения притяжения над той областью, где пролетают. Подлетая к точке, находящейся над избыточной массой, спутник приобретает ускорение, а пролетев ее, начинает замедляться. Расстояние между спутниками измеряется с высокой точностью микроволновым радаром. Это и служит основой для определения аномалий гравитационного поля, зависящих от распределения масс. Спутникам требуется месяц для облета всей Земли, и после специальной обработки данных в США и Германии учёные получают карту гравитационного поля планеты за месяц.

За рубежом многие ученые работают с данными миссии GRACE, на основе которых изучают таяние льдов в Антарктиде, Гренландии и в горных районах, а также перераспределение влаги в почвах, сток рек, течения и перераспределения вод в океане, последствия крупных землетрясений и многое другое. В России тоже есть группы, работающие с этими данными, — в Институте физики Земли, Институте океанологии РАН, в ГАИШ МГУ. В последнем разработан специальный метод обработки данных GRACE — многоканальный сингулярный спектральный анализ (МССА), который позволяет устранить шумы в данных GRACE и разделить компоненты с разными периодами.

Используя этот метод, мы обработали данные GRACE месячного разрешения с января 2003 г. по февраль 2013 г., предоставляемые центром NASA JPL. В ходе обработки было исключено среднее поле, а также влияние медленного подъема земной коры вследствие снятия ледовой нагрузки — щитов, существовавших в ледниковый период 20 000 лет назад.

В результате были получены лишь аномалии, т. е. отклонения в гравитационном поле, в основном связанные с климатическими процессами.

Рисунок 1. Карты аномалий гравитационного поля Земли для каждого месяца в период с января 2003 г. по февраль 2013 г. с разрешением по широте и долготе в 1 градус для России.

Величины аномалий гравитационного поля были переведены в эквивалентный уровень воды (как если бы они были созданы массой слоя воды определенной толщины). Из итоговых карт аномалий для каждого месяца с разрешением по широте и долготе в 1 градус для России и окружающих ее территорий была составлена анимация, она представлена на рис. 1.

Рисунок 2. Слева – cредний ход аномалий силы тяжести над основной территорией России (в бассейнах 19 крупных рек) с 2003 по 2013 г. Синим показан тренд. Красным – прогноз. Справа – сезонная составляющая после вычитания тренда.

Затем, воспользовавшись базой данных бассейнов рек топологической сети группы анализа водных систем Университета Нью-Гемпшира, мы выбрали 19 бассейнов крупных рек на территории России. Усреднив аномалии гравитационного поля в их границах, мы получили график среднего хода силы тяжести в течение 10 лет на основной части России.

Рисунок 3. Средний ход аномалий силы тяжести в бассейнах Волги и Енисея

На рисунке 3 показаны также отдельные графики для бассейнов Волги и Енисея.

Основным является годовое колебание с максимумом в марте и минимумом в сентябре. Это и есть сезонный гидрологический цикл, связанный с выпадением осадков, подземными водами и др. На годовое колебание накладывается также медленное изменение — тренд (показан синим), вследствие которого наблюдается общий максимум в 2009 г, после чего идет спад. Этот тренд связан с медленными климатическими изменениями, о нем мы поговорим позже, а пока обратимся к годовому колебанию.

График на рисунке 2 (справа), отражающий сезонную цикличность, получен в результате вычитания тренда. В марте накапливается максимальное количество льда и снега, таяние которых приводит к паводкам. К началу осени вода уходит, и в Северном полушарии наблюдается минимум аномалий. Таким образом, по этому графику можно оценить массу воды, скопившейся в снеге, льде и под землей на территории России. Конечно, на точность такой оценки влияют погрешности спутниковых измерений, а также проникновение сигнала с соседних территорий, неизбежное при небольшом разрешении спутниковых данных (1 градус соответствует примерно 111 км вдоль меридиана и 62 км вдоль параллели на широте Москвы).

Из графика на рисунке 2 (справа) видно, что амплитуда годового колебания медленно увеличивалась с 2009 г. Прогноз на 5 месяцев вперед, показанный красной кривой, сделан с использованием искусственной нейронной сети. Тенденция увеличения размаха колебания должна продолжиться и в 2013 г. Даже при отсутствии в нашем распоряжении карты на март (данные еще не обработаны JPL) мы можем сказать, что в 2013 г. избыток накопившейся за зиму массы снега на редкость велик и следует ожидать сильных паводков.

Для того чтобы установить районы аномальных накоплений масс, мы взяли карту на февраль 2013 г. для годовой компоненты и вычли из нее среднее значение для этого же месяца за последние 10 лет.

Рисунок 4. Отклонения гравитационного поля в феврале 2013 от среднего значения для февраля за последние 10 лет

Результаты вычислений представлены на рисунке 4. Красным отмечены положительные аномалии, где накопилось больше массы, чем обычно. Синим — отрицательные.

На основе этой карты можно сказать, что почти на всей территории России скопились избыточные массы в виде снега и льда. Особенно велики аномалии в центре европейской части, на юге Сибири у истоков Енисея, на Чукотке и на Дальнем Востоке. По всей вероятности, следует ожидать больших паводков и повышения уровня Волги, Днепра, Двины, Печоры, Енисея, Индигирки, Амура.

Изменения за 10 лет составляющей тренда гравитационного поля. Разность компонент тренда для 2013 и 2003 г.

Впрочем, на годовой ход, как мы уже говорили, накладываются долгопериодические изменения (тренд). Эти изменения говорят о том, что максимальный избыток масс на территории России наблюдался в 2009 г. Посмотрим на изменения, которые произошли за 10 лет. Карта разности компонент тренда в 2013 и 2003 гг. представлена на рисунке 5. Сезонные изменения исключены.

Отчетливо видно, что в районе Каспийского моря образовалась отрицательная аномалия — видимо, связанная с понижением уровня Каспия. В Восточной Сибири у истоков Енисея и Лены образовалась положительная аномалия, связанная с деградацией вечной мерзлоты и приходом на место растаявшего льда воды. Вдоль берегов Северного Ледовитого океана и на Дальнем Востоке также наблюдается избыток масс.

Существенные аномалии наблюдаются также за пределами России, к примеру, аномалия в Гималаях связана с таянием ледников, а на Суматре — с землетрясением 2004 г., переместившим крупный блок земной коры.

Таким образом, спутниковые данные по гравитационному полю дают возможность исследовать распределение избытков масс в бассейнах крупных рек, что позволяет предсказывать интенсивность весенних паводков, а также изучать последствия климатических изменений на территории России.

Спутники GRACE были рассчитаны на пятилетний срок службы, но работают уже в два раза дольше. В 2012 г. у Луны отработала пара спутников GRAIL, созданных по образу и подобию GRACE. Они дали беспрецедентно точные данные о гравитационном поле Луны, которое, конечно, не меняется так быстро, как земное.
Космические агентства ESA и NASA уже готовят миссию, которая сменит GRACE на орбите. Для России было бы крайне полезно принять участие в столь интересном международном проекте по мониторингу нашей планеты.