С появлением более точных приборов космонавты стали изучать преломление звезд. Свет в среде имеет более низкую скорость, чем в вакууме, причем разную в разных газах. При прохождении через границу раздела между веществами излучение меняет угол направления движения, как будто натыкаясь на преграду. По углу смещения несложно рассчитать коэффициент преломления, а по нему определить примерный состав атмосферы. Правда, есть несколько трудностей – преломление зависит от температуры. Более теплый и разреженный воздух искажает луч меньше, чем холодный. Тем не менее космонавты много изучали принцип и развивали методику. Ими даже был обнаружен эффект линзы. При наблюдении через воздух другой плотности объекты на Земле выглядят больше. Собственно, это происходит из-за преломления в более плотной среде, которая изменяет ход движения света так же, как это делает линза из стекла. Такое часто происходит над городами, где из-за автомашин и заводов значительно больше выбросов углекислого газа.
Над некоторыми населенными пунктами, например над Лос-Анджелесом, Пекином и некоторыми другими городами, отчетливо видны целые облачные образования на обычных фотографиях, полученных из космоса.
Главным интересующим людей на Земле явлением, вызванным содержанием в атмосфере углекислого газа СО2 и метана СН4, является парниковый эффект и, как следствие, глобальное потепление. Для видимого света эти вещества прозрачны, но они полностью поглощают тепловое инфракрасное излучение. То есть в виде света энергия от Солнца нагревает поверхность планеты. Та в процессе остывания излучает инфракрасный свет. Но углекислый газ и метан не выпускают эту энергию и сохраняют ее в атмосфере. Они, как шуба, не дают Земле остыть. Однако когда жарко, мы стремимся снять с себя теплые зимние вещи. Вот только планета парниковые газы сбросить не может. В итоге средняя температура повышается, и это оказывает влияние на климат. Однако неправильно думать, что погода становится более теплой. Иногда одна область прогревается, вода там активно испаряется и забирает тепло, поднимается в виде облаков и закрывает собой Солнце. Холодный воздух, например, остывший за ночь, вытесняет поднявшийся теплый. В итоге температура заметно снижается. Глобальное потепление приводит к резкому перепаду температур и возрастанию числа крупных климатических аномалий.
Чтобы выделить источники загрязнений, проводятся различные исследования. К сожалению, углекислый газ быстро рассеивается, и потому выявлять точные источники выбросов не так просто.
Одним из самых эффективных оказался эксперимент MAST. Он был посвящен оценке влияния выбросов морских судов на свойства облаков в ближайшей к морской трассе окрестности. Визуально эффект наблюдается в виде яркой линии в облаках, соответствующей пути судна. Углекислый газ приводит к конденсации влаги и образованию пара.
Другое исследование – «Русалка» – использовало метод спектрального анализа по отраженным и поглощенным длинам волн. В нем регистрируется и разделяется на линии свет в диапазоне от 0,76 до 1,7 микрометра. Прибор направляют строго на блик от Солнца, а калибровку и сравнения проводят наблюдением за Солнцем. Чем больше поглощение в регистрируемом диапазоне на определенных длинах волн, тем выше концентрация СО2 и СН4. Точность вычисления распределения углекислого газа и метана составляет три километра.
Выяснилось, что количество углекислого газа в атмосфере меньше, чем выбрасывается предприятиями. Соответственно, существуют механизмы поглощения, например растворение в воде. Однако это не повод расслабиться. При повышении температуры углекислый газ будет выделяться обратно. Тогда с ростом температуры из-за глобального потепления концентрация будет расти в геометрической прогрессии.
Другая проблема – глобальное потемнение. Атмосфера наполняется большим количеством пыли и аэрозолей. Эти частички отражают солнечный свет. Меньше энергии идет на нагрев планеты и на развитие растений. Эффект отлично чувствуют жители Азии. Правда, другие регионы планеты ощущают это в меньшей степени. Глобальное потепление оказывает более сильный эффект на климат, а глобальное потемнение частично компенсирует его по температуре. Для растений света пока хватает. Тем не менее космические данные отчетливо говорят о повышении отражательной способности планеты. За пятьдесят лет исследований количество света уменьшилось на 5 %. Некоторые чувствительные к свету водоросли уже реагируют и уменьшают свою биомассу.
Также по данным с космических аппаратов удалось связать потемнение с конкретными климатическими изменениями. Так, в 1984 году значительно уменьшилось количество муссонов, что привело к засухе и голоду в Африке. Без солнечного света уменьшилось испарение влаги и, соответственно, количество осадков. В тот год было зарегистрировано максимальное увеличение количества аэрозолей – мелких твердых частиц в атмосфере – за десятилетие. В дальнейшем оно снижалось до 1991 года. Тогда, кстати, значительно выросло глобальное потепление, так как его ничего не маскировало. В дальнейшем произошло несколько крупных извержений вулканов, после которых стало ясно, что они являются основными природными источниками аэрозольного слоя. Газ, выделяемый ими в стратосферу, превращается в капельки серной кислоты, отражающие тепло и блокирующие солнечное излучение. Немалую роль играют промышленные выбросы, особенно серных соединений и сажи от несгоревших углеводородов. С началом XXI века был взят курс на снижение атмосферного загрязнения предприятиями, и с тех пор значительных изменений в глобальном потемнении не наблюдалось.
Сначала исследования аэрозолей проходили во время заходов и восходов Солнца. На станции «Салют‐6» космонавты Гречко и Романенко обнаружили значительные скачкообразные изменения показателя преломления света в виде «ступенек». На лунном диске также видны потемнения в определенных местах. Звезды при наблюдении сквозь атмосферу «мигают». Это видно и на Земле. Лучи от точечных источников приходят в глаз разными путями в разные моменты времени. Иногда свет блокируется пылинками. На Земле это прекрасно видно ночью, но с поверхности сложно сделать выводы о содержании аэрозолей. С орбиты мерцание видно только тогда, когда на пути света есть неоднородности атмосферы Земли. Легко сравнить потемнения звезд на разных углах к горизонту и оценить концентрацию загрязнителей. Сейчас чаще используются лидары. Луч от лазера отражается от аэрозолей, и чем их больше, тем лучше отражение.
На шаттле Discovery STS‐64 астронавты использовали этот точный прибор. Аэрозольный лидар «Алиса» чуть позже появился на станции «Мир». В 1995 году ООН запросило проведение исследований загрязнения планеты. Тогда еще один похожий инструмент под названием «Балкан» появился на орбитальном комплексе после стыковки с ним модуля «Спектр».
Он позволял определить не только положение взвешенных частиц, но также высоту распространения и концентрацию. На МКС есть мощный лидар CATS. Также существует отдельный спутник CALIPSO. Это оборудование может не только проверить уровень пыли, но и способно определять рельеф.
С накоплением данных по отражающей особенности разных участков поверхности стали возможны и прямые наблюдения. Например, сейчас проводится эксперимент