Почему потребовалось так много времени, чтобы заметить, что в озоновом слое есть дыры? Какой спутник предоставил данные?

Википедия говорит :

Открытие ежегодного истощения озона над Антарктикой было впервые объявлено Джо Фарманом, Брайаном Гардинером и Джонатаном Шанклином в статье, опубликованной в журнале Nature 16 мая 1985 года . (платный доступ)

Я считаю, что открытие было сделано с помощью орбитального спутника, но я не уверен, какого именно.

Вопросы:

  1. Какой спутник (спутники) наблюдения за Землей первым предоставил данные, которые предупредили ученых об исчезновении озонового слоя вблизи полюсов?
  2. Что так долго? Почему именно эти (эти) спутники, а не какие-либо из предыдущих наблюдений за Землей?
  3. Какие именно технологии сделали это возможным?

Ответы (4)

Я считаю, что открытие было сделано с помощью орбитального спутника, но я не уверен, какого именно.

Это не относится к делу.

Посмотрите на авторскую принадлежность статьи, на которую вы ссылаетесь. Три автора этой статьи были из Британской антарктической службы. Эти ученые были частью более крупной экспедиции в Антарктиду. Они направили на небо дешевый прибор (чрезвычайно дешевый по сравнению со спутниковым прибором и довольно дешевый по сравнению со стоимостью отправки ученых в Антарктиду) под названием Добсонметр и обнаружили быстрое снижение уровня озона в конце зимы / начале весны в 1984.

Озоновая дыра могла быть обнаружена с помощью пары инструментов на спутнике Nimbus 7, солнечного обратного рассеяния в ультрафиолете (SBUV) и спектрометра для картирования общего озона (TOMS). Этот спутник был запущен в 1978 году, но эти инструменты не обнаружили озоновую дыру, потому что наземное программное обеспечение, которое обрабатывало данные с этих устройств, помечало соответствующие данные как отсутствующие, а не как очень низкие.

Для этого были веские причины. Дистанционное зондирование работает лучше всего, когда показания подтверждаются более прямыми методами, в данном случае ракетными и аэростатными зондами, которые могут непосредственно измерять составные части атмосферы в зависимости от высоты. (Суффикс «зонд» - это причудливый способ сказать «зонд», или, точнее, зондирующий зонд.)

Такие низкие показания, как те, которые подразумеваются SBUV / TOMS, никогда не наблюдались этими прямыми методами или даже с помощью наземных устройств дистанционного зондирования, таких как датчик Добсона (по крайней мере, до 1984 года). Не было никакой проверки для этих очень низких измерений. Более того, SBUV/TOMS измерял ультрафиолетовое излучение, обратно рассеянное атмосферой. Этот метод считался, возможно, сомнительным, когда Солнце было очень низко над горизонтом, что было именно так в конце зимы / начале весны в полярных регионах.

Программное обеспечение для наземной обработки SBUV/TOMS, которое должно было обрабатывать огромное количество показаний и работать без присмотра, просто отбрасывало слишком низкие или слишком высокие показания, а также когда Солнце было низко над горизонтом. Я написал программное обеспечение для этих проверок в соответствии с требованиями ученых команды. Несмотря на то, что я покинул группу по обработке озона в начале 1980 года, в конце 1984 — начале 1985 года мне несколько раз звонили из НАСА, потому что «ваше имя было во всех программах». К счастью, это было легко исправить: просто ослабьте эти ограничения и перезапустите программу на исторических данных. Вскоре НАСА обнаружило, что озоновая дыра возникла еще в 1978 году, когда был запущен спутник.

Как это работает

Упрощая, лежащая в основе науки та же самая причина, по которой небо голубое, что является рэлеевским рассеянием. Небо голубое, потому что атмосфера рассеивает синий свет гораздо сильнее, чем красный. Поскольку рэлеевское рассеяние обратно пропорционально длине волны в четвертой степени, атмосфера рассеивает ультрафиолетовый свет даже сильнее, чем синий свет. В то время как часть этого света рассеивается к поверхности Земли, часть его рассеивается в космос. Глядя на частотное распределение этого обратно рассеянного света, можно понять, сколько ультрафиолетового света поглощается озоном в стратосфере, и сколько озона находится в стратосфере.

Это было слишком упрощено. Существуют и другие типы рассеяния (например, комбинационное рассеяние и рассеяние Ми). Облака отражают, а не рассеивают. Аэрозоли изменяют коэффициент Рэлея и другие коэффициенты рассеяния. Существенное влияние оказывает угол, под которым солнечный свет падает на атмосферу. Эти и другие эффекты учитываются, и алгоритмы неоднократно корректировались, чтобы лучше соответствовать прямым измерениям.

В сторону: я несколько удивлен тем, что вы используете слово «зонд» вместо «зонд». Посмотрев это слово, я еще больше запутался, почему в «Звездном пути » повсюду использовались «зонды»…
Еще больше меня поразило, что есть очень точный ответ от человека, непосредственно занимавшегося этим делом лет 40 назад :) А сегодня я узнал кое-что новое :)
Как ученый, занимающийся спутниковой метеорологией и наблюдением за Землей, я помню, как меня учили этой истории во время моей докторской диссертации с уроком «будьте осторожны, какие данные вы выбрасываете». Конечно, задним числом это 20/20, но я думаю, что в наши дни мы можем быть более осторожными; если мы правильно понимаем наш прибор и физику дистанционного зондирования, мы должны иметь некоторое представление о том, находятся ли измерения за пределами калиброванного диапазона в пределах диапазона, который мы ожидаем, учитывая нашу наилучшую оценку неопределенности измерения; если нет, мы могли бы захотеть взглянуть поближе. Круто, что вы лично принимали участие в этой знаменитой истории. ☺
@gerrit В то время как предшественник SBUV уже летал, инструмент TOMS был совершенно новым в то время. Существовали законные причины отфильтровывать подозрительные данные, особенно данные вне надира, которые могли быть предоставлены только TOMS. Тем не менее, я немного возражал против фильтрации (не сильно, так как я писал код).
@DavidHammen Я уверен, что были законные причины для фильтрации данных! Но, как вы, вероятно, согласитесь, есть также веские причины для того, чтобы как можно лучше понять отфильтрованные данные (является ли это чисто белым шумом или есть закономерности; если есть небелый шум, понимаем ли мы, почему; если есть закономерности, понимаем ли мы, почему? понять, относятся ли они к чему-либо, что мы знаем об инструменте или к чему-то в окружающей среде и т. д.). Понимание наших инструментов имеет решающее значение, в частности, для обнаружения аномалий или тенденций. Шум одного человека является сигналом другого человека. По крайней мере, нефильтрованное всегда должно быть в архиве...
@gerrit Данные уровня 0 и уровня 1 были заархивированы. Фильтрация производилась на Уровне 2 или Уровне 3 (не помню на каком; это было более 40 лет назад). То, что данные уровня 1 были заархивированы, позволило НАСА повторно запустить обработку, чтобы восстановить продукты более высокого уровня, которые показали существование озоновой дыры над Антарктидой.
Поскольку я использовал термины «уровень 0» и т. д., было бы полезно объяснить это. Данные уровня 0 — это то, что спутник отправляет на Землю с минимальной обработкой (например, разделение по приборам, разделение на данные наблюдений и служебные данные). Данные уровня 0 обычно представлены в виде счетчиков. Уровень 1 преобразует эти значения в более значимые значения (например, интенсивность на различных частотах в метрических единицах). Может быть некоторое отклонение данных на уровне 1, но не сильное.
Уровень 2 преобразует наблюдения в желаемые научные величины (например, концентрации озона на различных уровнях атмосферы или общее количество озона в атмосфере). Данные уровня 2 обычно полностью соответствуют необработанным измерениям. На уровне 2 часто данные фильтруются для бессмысленных значений. Уровень 3 интерполирует данные уровня 2 в стандартизированную сетку. Уровень 4 добавляет еще больше интерпретаций.

Чтобы быстро обобщить ответ:

  1. Nimbus 7 был вовлеченным спутником, но он не был первым.
  2. Озоновая дыра существенно не материализовалась до начала 1980-х годов — в ретроспективе было видно снижение, как показано на этом графике , но катастрофического падения еще не произошло. Nimbus 7 был первым спутником (думаю?) со спектрофотометром озона, который был запущен как раз в 1980 году, когда начался быстрый спад.

Работа Фармана, Гардинера и Шанклина, которую вы цитируете, была чисто наземной — трое названных исследователей были из Британской антарктической службы. Данные были взяты из длительных временных рядов с использованием спектрофотометра Добсона , зарегистрированных на Аргентинских островах (65 ю.ш.) и заливе Галлея (76 ю.ш.) с момента Международного геофизического года в 1957 году. отверстие.) Насколько я понимаю, Добсон, использовавшийся в 1980-х годах, практически не изменился по сравнению с тем, что был установлен в 1950-х; существенных технологических изменений не произошло.

Впрочем, это видели и спутники. Оглядываясь назад , выяснилось, что Nimbus 7 также зафиксировал падение уровня озона примерно в это же время. Когда в середине 1984 г. были обработаны спутниковые данные США за конец 1983 г., низкие значения содержания озона были отмечены как аномалия, поэтому их сравнивали с «наземными» наземными измерениями на Южном полюсе. К сожалению, эти подсчеты на самом деле были ошибочными, неизвестными всем участникам, а британские данные из Галлея еще не были полностью доступны, поэтому их не с чем было сравнивать. В конце концов, в конце 1984 года команда США решила, что спутниковые данные, вероятно, отражают реальное явление, и планировала объявить об этом на конференции в августе 1985 года. Британская газета, однако, вышла в мае...

(В качестве бонуса: обязательно прочитайте комментарии к этому посту, так как там есть некоторые сноски от Джона Шанклина .)

НАСА не могло обнаружить озоновую дыру, пока не было изменено программное обеспечение для наземной обработки. Это было открытие Фармана и др. это заставило НАСА переосмыслить, следует ли помечать эти аномально низкие показания как отсутствующие. Я написал это программное обеспечение в 1979 году. Когда я возражал против того, чтобы помечать данные как отсутствующие, PI указал, что я только что закончил колледж, в то время как он работал в этой области в течение десятилетий. Цитируя: «Я частный детектив, ты — пеон. Делай, что я говорю». Так я и сделал.
@DavidHammen вау, я уверен, что этого никогда не случалось ни до, ни после ни в научной деятельности, ни в разработке программного обеспечения.
@uhoh Я подозреваю, что ты забыл /s для обозначения сарказма. Это случается с большой регулярностью. Вот, например, почему Дилберт так популярен.
@uhoh Это происходит постоянно, но в науке мы усердно работаем, чтобы возместить ущерб. Это хороший пример, когда независимые результаты противоречили друг другу, и разрешение несогласия подкрепляло открытие. Совершенно нормальный процесс в науке.
И в этом разница между полным отказом от данных и рассмотрением их как аномальных во время обработки, тем самым отвергая их. Некоторым высокопроизводительным материалам в физике элементарных частиц (LHC) приходится выбрасывать скучный материал, прежде чем что-либо сохранять на диск. Огромные усилия были потрачены на то, чтобы решить, от чего отказаться.
"в науке" значит "мы", как будто есть какая-то особая организация науки и она чем-то отличается от других сфер нашей жизни.
@JohnDoty Это «Я частный сыщик, ты батрак. Делай, что я говорю». может происходить постоянно, но я бы не был счастлив охарактеризовать такое мышление как «совершенно нормальный процесс в науке». Это проблематично и должно быть вызвано как таковое.
@uhoh Это раздражает крестьянина, но в тех случаях, которые я видел, это не повлияло на будущее крестьянина. А самое главное – это наука, которая вовремя исправляется. PI должен иметь возможность руководить исследовательской группой: если все работают над разными целями, ничего не будет сделано. Конечно, мы бы предпочли не ошибаться, но это невозможно. Лучше понять, что такие ошибки нормальны, и иметь процессы для их исправления.
@JohnDoty, что экстремальный двоичный сценарий - ложный выбор; если PI слушает, то «все работают над противоположными целями, ничего не делается». Это не разумный аргумент. Хорошие лидеры (исследовательские группы или другие) слушают, поощряют инакомыслие и противоположные взгляды и внимательно их рассматривают.
Конечно, хороший лидер поощряет пересмотр решений. Но вы упускаете суть. Как правило, нет никакого способа сказать, кроме как задним числом, какое решение является правильным. Часто ИП прав. Иногда пеон прав. Иногда тот, кто ошибается, принимает решение. Вы не можете избежать ошибок независимо от того, как вы принимаете эти решения. Важно то, что наука движется мимо ошибок.
@JohnDoty «Когда я возражал против того, чтобы помечать данные как отсутствующие, PI указал, что я только что закончил колледж, а он работал в этой области десятилетиями». Это правильная причина возражать? «Важная вещь...» — снова ложный выбор, поскольку предполагает, что должна быть только одна важная вещь. Неудачи обычно предлагают несколько уроков одновременно, в этом случае «следовало лучше справляться с выходящей за рамки нормы датой» и «следовало слушать батюшек и думать об их идеях» могут быть важными уроками. Когда дело доходит до управления космическим кораблем, мы должны быть осторожны, иначе...
это случается . Это Space SE, и мы говорим о космических научных миссиях с большими бюджетами и видимостью для Конгресса США и американских налогоплательщиков. Это не один исследователь в собственной лаборатории.
@uhoh Это случается чаще , когда у тебя большой бюджет. Руководителям крупных проектов нужны жесткие организации со строгим распределением полномочий. Распространение сомнительных данных настоятельно не рекомендуется. И помните, это были 1970-е, когда обработка и хранение данных были довольно примитивными. Трата времени на обработку неверных данных была огромной тратой ресурсов проекта. Предоставление необработанных данных космических миссий было редкостью в 70-х годах. То, что было опубликовано, отражало интересы старших ученых. Теперь необработанные данные из крупных миссий часто доступны в режиме онлайн, что облегчает проблему такого рода.
@JohnDoty много чего произошло в 1970-х; курение не вызывает рак, войну в Юго-Восточной Азии можно было выиграть... Подобные вещи породили " Вопрос авторитета " (ну, это из 60-х, но большая часть 60-х пришлась на 70-е). Хорошо, кофе наконец-то подался, и я должен начать день, ура!
@uhoh Прекрасная аллитерация. Я частный детектив, а ты в то время сжег меня. Оглядываясь назад, я это заслужил. Это произошло потому, что я возражал против фильтрации, которую он от меня требовал. Я был батраком, а он был сыщиком. Оглядываясь назад, может быть, нам не стоило делать эту фильтрацию. Тем не менее, и это немаловажно, преждевременные научные заявления могут иметь огромное негативное влияние на науку. Я только что закончил колледж и не знал этого. Он был PI, и он прекрасно знал об этом. В конце концов, архивные данные позволили НАСА увидеть озоновую дыру с помощью этих инструментов Nimbus-7.
Недавним примером преждевременных заявлений, основанных на дистанционном зондировании, является заявление об обнаружении фосфина в атмосфере Венеры с точностью 15 сигм. Эти утверждения были опровергнуты. Что правильно (первоначальное утверждение или опровержения) остается предметом научных дискуссий. Если опровержения этих первоначальных утверждений окажутся правильными, репутация ученых, сделавших эти первоначальные утверждения, будет подорвана. Не просто уменьшилось, а значительно уменьшилось.
Контрпример — это то, как ЦЕРН годами ждал, чтобы официально объявить об открытии бозона Хиггса. Они хотели, чтобы данные преодолели порог пяти сигм, прежде чем они официально сделают это объявление. Заявление об обнаружении с точностью до пятнадцати сигм сделало бы открытие бозона Хиггса обычным. Повторные анализы, показавшие порог менее двух сигм, говорят очень плохо о тех, кто сделал заявление о пятнадцати сигмах, если эти повторные анализы верны.
@DavidHammen, вы были бы в ужасе, если бы узнали, насколько плохи большинство ученых в кодировании (неудивительно, что их внимание иное)!
@Vorac Не совсем. Я усвоил этот урок более 40 лет назад. Возможно, вы придете в ужас, узнав, сколько плохого программного обеспечения, написанного в 1960-х годах, все еще используется. Есть книги по научному программированию, которые некоторые считают евангелием, но на самом деле это инструкции о том, как не писать программы.

Истощение озонового слоя впервые стало публично заметным вопросом примерно в 1976 году. До того времени почти никто не знал, что озон вообще представляет собой проблему, поэтому не было большого толчка к созданию спутников для его наблюдения.

Даже когда об истощении озонового слоя стало известно, некоторые отнеслись к этому скептически (конечно, особенно люди, зарабатывающие деньги на продаже аэрозолей). Например, вот несколько выдержек из статьи New York Times 1977 года 1 :

Один представитель отрасли, пожелавший остаться неназванным, сказал: «Все научные теории против фторуглеродов — это всего лишь теории, а не факты. Что нам нужно, так это больше исследований, прежде чем появятся новые запреты или ругань. Нам не нужна еще одна ложная паника».
[ ...]
Действительно, промышленность уверена, что дикие теории истощения озонового слоя будут опровергнуты. «Возможно, потребители начинают считать предположения Роуленда чепухой, как мне кажется», — сказал г-н Абпланалп.

TOMS была запущена в 1978 году, всего через два года после того, как озоновый слой и разрушение озонового слоя стали предметом общественного внимания.

Но, как уже упоминал @David Hammen, в то время нам не хватало опыта, необходимого для максимально эффективной обработки данных, поэтому сначала данные, указывающие на реальную дыру в озоновом слое, были отклонены как аномальные. Таким образом, это привело к задержке еще на пять лет (или около того) до того, как фактическая дыра (как таковая) была признана.

То же самое относилось и к более ранним измерениям. Например, «Нимбус-4» нес приборы как для обратного УФ-излучения, так и для измерения озона примерно на 40-километровом уровне, но 2 :

Этот прибор время от времени измерял очень низкие значения общего содержания озона над Антарктидой, более низкие, чем значения, измеренные где-либо еще в мире. Однако в то время было неясно, вызваны ли такие значения ошибкой измерения или каким-то реальным геофизическим эффектом.

Я также хотел бы отметить, что особенно в то время озоновая дыра была интересна в первую очередь как указание/демонстрация истощения озонового слоя в целом. Только совсем недавно появились данные, указывающие на то, что озоновая дыра сама по себе является проблемой. По-видимому, это приводит к локальному охлаждению стратосферы вблизи полюса, что, в свою очередь, приводит к усилению ветра и изменению атмосферной циркуляции 3 .


  1. https://www.nytimes.com/1975/06/22/archives/aerosol-feels-the-ozone-effect.html
  2. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1631071318301196?via%3Dihub
  3. https://climate.nasa.gov/faq/15/is-the-ozone-hole-causing-climate-change/
Не помогло и то, что работу прибора Backscatter Ultraviolet (BUV) на Nimbus 4 пришлось сократить всего через два года работы из-за частичного отказа солнечной батареи на спутнике. Показания были скудными после того провала 1972 года и становились еще более скудными по мере продвижения миссии. Также не помогло то, что BUV, наряду с его преемником SBUV на Nimbus 7, смотрели строго в надир; они видели только крошечные участки атмосферы. Прибор TOMS под номером 7 был сканирующим устройством, но, поскольку он был совершенно новым, возникали опасения по поводу проверки и валидации.
В случае, если кто-то хочет прочитать немного больше о Nimbus 7 и его приборе TOMS: directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/n/… .
DYAC, я уже не могу исправить свой комментарий от пару дней назад. Я имел в виду Nimbus 7, а не Number 7.

Дыры в озоновом слое были известны еще в 1957 году. Ученые просто забыли о более раннем отчете, потому что на момент открытия никто не интересовался этим вопросом.

Я столкнулся с этим фактом, когда просматривал события, записанные либо в NY Times, либо в Omaha Herald (через микрофишу), которые произошли в год моего рождения, когда я учился в колледже.

Я не нашел никаких статей в Интернете, подтверждающих это, но в статье НАСА упоминается, что британцы измеряли озон еще в 1956/1957 годах: https://ozonewatch.gsfc.nasa.gov/facts/history_SH.html

Добро пожаловать в космос! Вы можете быть на что-то; 1957/58 год был знаменитым Международным геофизическим годом. Ответьте на все эти вопросы и породил (среди прочего) мем о Земле в форме груши . Это была кампания по измерению вещей о Земле по всей земле по как можно большему количеству стран. Определенно проводилась кампания по измерению общего содержания озона в столбе на Южном полюсе и, возможно, в других местах.