Сравнительный анализ мерзлотных условий Антарктиды и полярных областей Марса

Глава 3. Климатические особенности и специфика радиационно-теплового баланса поверхности в полярных областях Марса и Антарктиды

В третьей главе приводятся выявленные пространственно-временные закономерности изменения составляющих радиационно-теплового баланса поверхности для 5 указанных выше полярных станций Антарктиды и для районов северной и южной полярных шапок Марса. Сравнительный анализ представляет самостоятельный интерес, поскольку Антарктида характеризуется наиболее суровым климатом (станции <Восток> взята в качестве базовой для сравнения, абсолютный минимум температуры здесь достигал значения -89,2^oС) и минимальным влиянием антропогенного фактора. Радиационно-тепловой баланс поверхности полярных областей Марса был необходим также для нахождения температурного режима массивов приповерхностных горизонтов.

Для оценки широтной и временной изменчивости параметров радиационного баланса поверхности, а также температурного режима ряда полярных станций Антарктиды были использованы фондовые данные Арктического и Антарктического научно-исследовательского института (приложения 2.1.-2.4.), а также данные, полученные автором в ходе экспедиции в Антарктиду в период сезона 2007-2008.

Обобщение наблюдений радиационного баланса в различных районах Антарктиды позволило выявить особенности конкретных районов, определяемые, главным образом, топографией, составом и свойствами подстилающей поверхности и условиями циркуляции атмосферы. В различные сезоны влияние этих факторов неодинаково. В тёмное время значение радиационного баланса, определяемое только эффективным излучением, зависит от температуры подстилающей поверхности и облачности. Днём основная составляющая радиационного баланса - поглощённая радиация - зависит от интенсивности инсоляции, облачности и альбедо подстилающей поверхности.

За период наблюдений годовые значения радиационного баланса ледниковой поверхности Антарктиды отрицательны и колеблются от -250 МДж/м² до -500 МДж/м². Характерно, что в центральных районах Антарктиды выхолаживание меньше, чем на антарктических склонах. Это связано с тем, что в глубине Антарктиды мощные приземные инверсии зимой увеличивают противоизлучение атмосферы (уменьшают эффективное излучение), а на склонах стоковые ветры разрушают приземные инверсии, что ведёт к росту эффективного излучения и, следовательно, к более низким отрицательным величинам баланса. Северная граница отрицательного радиационного баланса (нулевая изолиния) на годовой карте совпадает с границей сплошных льдов, окаймляющих побережье Антарктиды. К северу от этой границы годовой радиационный баланс быстро растёт. Внутри области отрицательного радиационного баланса выделяются районы с положительными значениями - это оазисы, горные хребты, не покрытые ледниками, и стационарные полыньи. Эти поверхности характеризуются наибольшими значениями поглощённой радиации из-за низкого среднегодового альбедо, что существенно увеличивает радиационный баланс. В оазисах его декабрьское значение составляет около 400 МДж/м², а годовая величина достигает 1200 МДж/м².

Для станций <Беллинсгаузен>, <Новолазаревская> (рис. 1а), <Молодежная>, <Мирный> и <Восток> (рис. 1б) наблюдается преобладание величины прямой солнечной радиации на перпендикулярную поверхность Q_{пр перп} (от 33 до 56%) над другими видами солнечной радиации; величина рассеянной солнечной радиации Q_рас изменяется от 6 до 32%, отраженной солнечной радиации Q_отр - от 6 до 26%, поглощенной солнечной радиации Q_погл - от 3 до 23%, прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность Q_{пр гор} - от 9 до 17% (табл. 1).

Таблица 1. Суммарные за год значения тепловых потоков для составляющих радиационно баланса полярных станций Антарктиды, осредненные за весь период наблюдений (с 1956 г по настоящее время)
Станция	Радиационный баланс, R (МДж/м2)	Прямая солнечная радиация на перпендикулярную поверхность, Qпр перп (МДж/м2)	Прямая солнечная радиация на горизонтальную поверхность, Qпр гор (МДж/м2)	Суммарная солнечная радиация, Qсум (МДж/м2)	Отраженная солнечная радиация, Qотр (МДж/м2)
Восток	-212	10869	3310	4660	3525
Новолазаревская	1174	5713	2122	3942	841
Молодежная	1218	4556	1981	4226	1594
Мирный	-267	4674	1968	4268	3409
Беллинсгаузен	638	1331	652	245	1426

Для исследуемого участка вблизи станции <Новолазаревская> получены данные по температурному режиму приповерхностного массива пород (до глубин 3м) за период с января 2009 по январь 2010.

На Марсе, как и в Антарктиде, отмечается сложная картина формирования климата, связанная с широтной зональностью. На формирование климата влияют метеорологические условия теплого и холодного периодов, обусловленные сложными процессами радиационного обмена и тепломассопереноса в системе поверхность планеты - атмосфера - космическое пространство. Общая структура параметров радиационного теплообмена подобна.

Южная полярная шапка в перигелии марсианской орбиты обращена в сторону Солнца, и здесь холодные зимы сменяются жарким летом. В районе северной полярной шапки температурные контрасты зимы и лета несколько смягчены. Заметим, что ввиду значительного эксцентриситета орбиты Марса разность солнечной постоянной в перигелии и афелии и орбиты составляет около 40%. Климат на Марсе резко континентальный. Даже на экваторе после жаркого дня, ночью, могут быть заморозки. Распределение приходящей солнечной радиации характеризуется преимущественно широтной зональностью, а для излучения атмосферы характерна и широтная и региональная изменчивость.

В настоящее время размер (диаметр) ледяного покрова в северной области Марса гораздо больше, чем в южной - 1000 и 300 км в поперечнике соот ветственно, и сопоставим с ледяным щитом Антарктиды, а по площади и мощности полярные отложения Марса сопоставимы с ледяным щитом Гренландии.

Для оценки временной и пространственной изменчивости составляющих радиационно-теплового баланса поверхности, ее температуры, а также температуры приповерхностного слоя атмосферы была использована марсианская климатическая база данных (МКБД), которая явилась результатом совместных усилий LMD (Laboratoire de Meteorologic Dynamique du CNRS, LMD, Paris) и AOPP (Atmospheric, Oceanic and Planetary Physics, Department of Physic, Oxford University, Oxford, England UK). База представляет собой расчетно-поисковую систему, позволяющую получить информацию о климатических параметрах на заданный момент времени для конкретной точки или области, начиная от поверхности Марса и с выбранным интервалом высоты. База имеет расчётный модуль и дружественный интерфейс, позволяющий получать информацию для интересующего участка в виде карт и таблиц. С использованием расчётного блока МКБД было построено более 50 карт и таблиц для пространственной сетки. Для северной и южной полярных областей брались широты 90^o, 86,2^o, 82,5^o, 78,8^o, 75^o. Для каждой из этих широт исследовались значения параметров по следующим долготам: 135^oЗД, 90^oЗД, 45^oЗД, 0^oВД, 45^oВД, 90^oВД, 135^oВД, 180^oВД. Они включают в себя годовое изменение следующих параметров: инфракрасного излучения атмосферы и поверхности, поглощенной и отраженной солнечной радиации, среднемесячной температуры поверхности и т.д.

Для оценки величины турбулентного теплообмена с помощью МКБД находилась величина разности температур поверхности и атмосферы (на минимальной высоте 5 м). Значение коэффициента теплообмена принималось в диапазоне α = 2∻5 (Вт/м^2.град), исходя из данных, полученных для земных условий при давлении 6 мбар и характерных для Марса температурах. При расчете затрат тепла на сублимацию-аблимацию льда CO₂ или H₂O среднегодовые значения интенсивности процесса были получены из МКБД. Теплота сублимации льда CO₂ принималась равной 572 КДж/кг, а H₂O - 2816 КДж/кг (с учетом их температурной зависимости). Величина теплопотока в массив оценивалась по рассчитанным среднегодовым градиентам температуры в приповерхностном слое льда CO₂ или H₂O и известной из литературы температурной зависимости коэффициентов теплопроводности льда CO₂ или H₂O.

В таблице 2 приведены среднегодовые значения составляющих радиационно-теплового баланса для выбранных участков северной и южной полярных областей Марса, полученные с помощью МКБД. Отрицательное значение радиационно-теплового баланса говорит об уменьшении среднегодовой температуры поверхности за расчетный период.

Табл.2. Сводная таблица радиационно-теплового баланса участков полярных областей Марса
Шапка	Координата		Составляющие радиационного баланса (Вт/м2)			Составляющие теплового баланса (Вт/м2)			Радиационный баланс (Вт/м2)	Тепловой баланс (Вт/м2)	Баланс (Вт/м2)
	Долгота	широта	Поглощенная солнечная радиация	Инфракрасное излучение атмосферы	Инфракрасное излучение поверхности	Турбулентный теплообмен	Затраты тепла на сублимацию	Теплопоток
северная	0E	82,5N	40,103	18,057	42,147	0,509	18,018	0,096	16,013	18,624	-2,611
южная	0E	82,5S	45,920	20,643	47,512	-0,693	20,485	0,081	19,051	19,873	-0,822

В Антарктиде и в полярных регионах Марса прослеживаются качественные аналогичные пространственно-временные закономерности, а по абсолютной величине значения разные. Значения отраженной и поглощенной радиации в полярных регионах Марса несколько меньше, чем на станции <Восток>.

Температура поверхности отложений северной и южной полярной шапки Марса несколько различна. Минимальная температура южной полярной шапки составляет 143^oК, северной шапки - 148^oК. В отличие от Земли, температура поверхности Марса определяется в основном прямым солнечным нагревом, а не теплопереносом в атмосфере, стремящейся выровнять температурные контрасты, вследствие чего, при средней температуре периферийной области Северной полярной шапки Марса в начале лета в 235^oК температура локальных участков может немного превышать 272^oК. В целом для южной полярной области в течение одного года характерно изменение среднесуточной температуры воздуха на высоте 5 м в диапазоне от 143,1^oК до 249,9^oК, для северной от 147,8^oК до 230,4^oК. На рисунке 2 проиллюстрировано годовое изменение среднемесячной температуры поверхности Марса для одного из исследуемых участков по пространственной сетке. Различие в температурах связано с сезонным изменением состава и строения поверхностных слоев полярных шапок в плане.

Температурный режим приповерхностных горизонтов северной полярной шапки, для которых характерно преобладание льда H₂O, оценивался нами с помощью однослойной модели по программе (Пустовойт, 2005). А для южной полярной шапки, которая в большей степени соответствует двухслойному строению массива, с преобладанием льда CO₂, по программе (Хрусталев и др., 1994) (рис. 3). Значение теплоемкости льда H₂O и CO₂ при марсианских условиях бралось из справочной литературы.

Коэффициент теплопроводности вычислялся по известным значениям величин тепловой инерции и теплоемкости. Оцененная величина мощности слоя годовых амплитуд для южной полярной шапки составляла 12∻14м, для северной - 24∻26м.