Лаборатория оптики и микрофизики аэрозоля (ЛОМА)

       Основные направления исследований:

• Атмосферный аэрозоль: свойства и процессы трансформации
• Аэрозоль и климат
• Исследование процессов опустынивания
• Исследование загрязнения окружающей среды
• Исследование влияния солнечных затмений на термический и радиационный режим пограничного слоя атмосферы
  
  Атмосферный аэрозоль: свойства и процессы трансформации

1. Исследование тропосферного аэрозоля методом солнечно-небесной фотометрии:

• создана станция мониторинга оптических и микрофизических характеристик тропосферного аэрозоля Zvenigorod, включенная в глобальную сеть станций AERONET, на Звенигородской научной станции ИФА им. А.М. Обухова РАН;
• создан комплекс алгоритмов и программ (совместно с ИОА СО РАН) для восстановления микрофизических параметров тропосферного аэрозоля по данным солнечно-небесной фотометрии
• выполнено исследование возможностей восстановления микрофизических параметров аэрозоля по данным измерений в солнечном вертикале;
• выполнено сопоставление вариаций оптических характеристик тропосферного аэрозоля на ЗНС ИФА и в Москве (совместно с МГУ) по данным солнечно-небесной фотометрии;

летом 2010 г. на ЗНС ИФА методом солнечно-небесной фотометрии определены оптические и микрофизические характеристики дымового аэрозоля в тропосфере во время крупномасштабных пожаров на европейской территории России.

2. Спектрополяриметрические и нефелометрические исследования аэрозоля в приземном слое атмосферы:

• выполнены многолетние регулярные измерения оптических и микрофизических характеристик приземного аэрозоля в России и Китае, в том числе, в Москве и Пекине;
• восстановлены распределения частиц по размерам в субмикронном диапазоне (тонкодисперсная фракция);
• по данным нефелометрических измерений получен ряд, характеризующий изменчивость массовой концентрации субмикронного аэрозоля на ЗНС ИФА в течение 25 лет.

3. Исследование выноса аэрозоля с опустыненных территорий:

• созданы аппаратурные комплексы для измерения вертикальных турбулентных потоков аэрозоля корреляционным и градиентным методами;
• выполнены измерения вертикальных турбулентных потоков субмикронного и грубодисперсного аэрозоля на опустыненных территориях в Астраханской обл. и Калмыкии;
• определены скорости выноса аэрозоля, генерируемого на подстилающей поверхности под воздействием ветропесчаного потока;
• выполнено сопоставление корреляционного и градиентного методов измерения вертикальных потоков аэрозоля на опустыненных территориях.

4. Оценка поглощательной способности коричневого углерода:

• показано, что поглощающее коротковолновое солнечное излучение (в частности, вблизи длины волны 440 нм) органические вещества, находящиеся в частицах аэрозоля, заметно влияют на спектры поглощения дымового аэрозоля;
• коричневый углерод обнаружен также в смогах мегаполисов.

      Исследование процессов опустынивания

1. Исследование механизма сальтации как основного процесса, формирующего ветропесчаный поток:

• создан автоматизированный аппаратурный комплекс для измерения характеристик ветропесчаного потока на опустыненных территориях;
• создана передвижная автомобильная лаборатория на базе автомобиля ГАЗ 66.
• с помощью четырехканального фотоэлектрического счетчика выполнены измерения функции распределения сальтирующих песчинок по размерам и флуктуаций концентрации сальтирующих песчинок;
• по данным скоростной видеосъемки построен вертикальный профиль концентрации сальтирующих песчинок и восстановлены траектории сальтирующих песчинок; 
• обнаружено явление квазипериодической сальтации в ветропесчаном потоке на подстилающей поверхности, обусловленной взаимодействием ветра с мелкомасштабными волновыми неоднородностями песчаной подстилающей поверхности; методами спектрального и вейвлетного анализа выявлены цуги квазипериодической изменчивости концентрации сальтирующих песчинок длительностью до 8 – 9 периодов; 
• по данным скоростной видеосъемки с большим оптическим увеличением обнаружены квазигоризонтальные траектории в нижнем миллиметровом слое ветропесчаного потока.  

2. Исследование динамики сальтирующих песчинок:

• разработаны модели переноса сальтирующих песчинок с учетом аэродинамической силы, силы тяжести, силы Магнуса, электрической силы, силы Сэфмана и подъемной силы;
• решены обратные задачи динамики сальтирующих песчинок для различных типов траекторий сальтирующих песчинок;
• получены оценки коэффициента скольжения сальтирующих песчинок в отдельных слоях ветропесчаного потока.

3. Исследование электрических процессов в ветропесчаном потоке:

• выполнены измерения электрических токов сальтации в ветропесчаном потоке на опустыненных территориях;
• разработана методика определения удельного заряда сальтирующих песчинок;
•  впервые получена эмпирическая функция распределения удельного заряда сальтирующих песчинок в ветропесчаном потоке на опустыненной территории.

Исследование загрязнения окружающей среды

1. Исследование аэрозольного загрязнения Российской Арктики:br/>- изучена долгопериодная изменчивость процессов переноса воздушных масс в Арктику;

• выявлены основные источники загрязнения различных регионов Арктики тяжелыми металлами;
• оценены уровни загрязнения регионов Российской Арктики тяжелыми металлами.

2. Исследование загрязнения окружающей среды северных заповедных территорий России с целью анализа антропогенного воздействия на экосистемы:

• выявлены основные источники поступления тяжелых металлов через атмосферу на северные заповедные территории (промышленность Кольского полуострова и Норильска, а также в зимнее время – южного Урала);
• рассчитаны уровни загрязнения атмосферы тяжелыми металлами на заповедных территориях;
• оценены потоки тяжелых металлов на подстилающую поверхность заповедных территорий.

3. Исследование процессов загрязнения северных морей (Белое, Баренцево, Карское, Лаптевых):

• определены потоки тяжелых металлов на поверхность арктических морей;
• получены оценки загрязнений тяжелыми металлами акваторий арктических морей, обусловленных стоком сибирских рек;
• показано, что вклад поступающих в арктические моря тяжелых металлов через атмосферу сопоставим с вкладом речного стока.

4. Исследование загрязнения атмосферы мегаполисов:

• получены оценки соотношения концентраций угарного газа и аэрозоля в задымленной атмосфере и изучен недельный цикл суточного хода концентрации угарного газа в приземном и пограничных слоях атмосферы Москвы;
•  выполнено исследование эволюции аэрозольного загрязнения Пекина, получены оценки трендов концентраций субмикронного и сажевого аэрозоля за 25-летний период;
• изучены вариации массовой концентрации аэрозоля, включая массовые концентрации аэрозоля с размерами частиц меньше 10 мкм (РМ10) и 2.5 мкм (РМ2.5), субмикронного и сажевого аэрозоля, в том числе, при крупномасштабных задымлениях атмосферы;
• в широком диапазоне временных масштабов изучены вариации концентрации субмикронного аэрозоля в Подмосковье.

Исследование влияния солнечных затмений на термический и радиационный режим пограничного слоя атмосферы

• выполнены экспедиционные исследования вариаций параметров аэрозоля и характеристик пограничного слоя атмосферы (совместно с ЦАО) во время полных солнечных затмений 2006 (в г. Кисловодск) и 2008 (в г. Новосибирск) гг.;
• получены количественные оценки влияния солнечных затмений на термическую стратификацию пограничного слоя атмосферы.
  

ЛОМА продолжает и развивает исследования, которые проводились в Лаборатории атмосферной оптики ГЕОФИАНа, а затем под руководством проф. Г.В. Розенберга в Лаборатории оптики рассеивающих сред и аэрозоля и в Отделе оптики аэрозоля Института физики атмосферы.
В сороковых – пятидесятых годах под руководством И.А. Хвостикова, а затем Г.В. Розенберга проводились исследования атмосферы методом прожекторного зондирования, которые оказались предвестником лазерного зондирования атмосферы, а также методом сумеречного зондирования (Г.В. Розенберг, Ф.Ф. Юдалевич). Было получено уравнение прожекторного зондирования (И.А. Хвостиков, В.М. Морозов), детально разработана теория прожекторного зондирования (Г.В. Розенберг, Е.М. Фейгельсон), разработан метод поляризационного бистатического зондирования, получены оценки микрофизических параметров перламутровых облаков (А.Я. Дривинг). В пятидесятые годы, направив прожекторный луч горизонтально, Г.В. Розенберг поставил задачу детального исследования свойств и процессов трансформации аэрозоля в приземном слое атмосферы. Важной вехой в исследовании оптики атмосферного аэрозоля явилось обнаружение Г.В. Розенбергом и И.М. Михайлиным эллиптичности поляризации рассеянного атмосферным аэрозолем света. Параллельно разрабатывались новые теоретические и экспериментальные методы и подходы к решению задач атмосферной оптики: рассеяние света на частицах (О.А. Гермогенова), аналитические методы решения задачи теории переноса излучения (Л.М. Романова), исследования переноса солнечной и тепловой радиации в облачной атмосфере (Е.М. Фейгельсон), спутниковые методы дистанционного зондирования атмосферы (Г.В. Розенберг, М.С. Малкевич). Разрабатывались визуальные, фотографические и фотоэлектрические методы измерения поляризации рассеянного света и компонент матрицы рассеяния света (В.Б. Белянин, А.Я. Дривинг, Н.Д. Рудометкина), разработан инфракрасный гигрометр (Л.Г. Елагина). В шестидесятых годах ХХ века на Звенигородской научной станции были начаты исследования угловых зависимостей компонент матрицы рассеяния света в открытом объеме с помощью гониополяриметров, позволяющих синхронно измерять четыре компоненты матрицы рассеяния света (Г.И. Горчаков), ореольных индикатрис туманов (Ю.С. Любовцева) и спектральной прозрачности в приземном слое атмосферы (Ю.С. Георгиевский). На ЗНС ИФА был создан действовавший в шестидесятые и семидесятые годы комплекс оптической аппаратуры (Г.В. Розенберг, Г.И. Горчаков, Ю.С. Георгиевский, Ю.С. Любовцева), позволяющий контролировать условия распространения лазерного излучения в рассеивающей атмосфере.
По данным измерений ореольных индикатрис дымки (Г.И. Горчаков, А.А. Исаков) и компонент матрицы рассеяния света (Г.И. Горчаков, А.С. Емиленко, В.Н. Сидоров) была выявлена определяющая роль субмикронной фракции аэрозоля в оптике приземного слоя атмосферы. Были изучены статистические закономерности изменчивости компонент матрицы рассеяния света (Г.И. Горчаков, М.А. Свириденков) и предложена однопараметрическая модель приземного аэрозоля (Г.И. Горчаков, М.А. Свириденков, А.Е. Емиленко). Детально изучены вариации ореольных индикатрис (А.А. Исаков), конденсационная трансформация влажных дымок (А.С. Емиленко) и статистические взаимосвязи между оптическими и микрофизическими характерстиками аэрозоля (М.А. Свириденков). Решена обратная задача совместного определения коэффициента преломления и микроструктуры влажных дымок по данным измерений компонент матрицы рассеяния света (Г.И. Горчаков, Л.С. Туровцева) и задача восстановления микроструктуры туманов и дымок по данным измерений ореольных индикатрис (Г.И. Горчков, А.А. Исаков). В этот период были развернуты электрооптические (Г.В. Розенберг, В.Н. Капустин) и термооптические (Ю.С. Любовцева, Н.И. Юдин) исследования аэрозоля, а также исследования поглощательной способности атмосферного аэрозоля (Ю.С. Любовцева, Л.Г. Яцкович). Были выполнены исследования гидрозолей оптическими методами (Е.А. Кадышевич, И.Н. Плахина). Важной вехой в развитии исследований атмосферного аэрозоля явилась советско-американская экспедиция в Абастумани в 1979 г. (АФАЭКС-79) по исследованию фонового аэрозоля, организованная по инициативе Г.В. Розенберга. В 1981 г. Г.В. Розенбергом была организована экспедиция по исследованию аридного аэрозоля АРАЭКС-81 в Гиссарскую долину Таджикистана, при проведении которой была измерена матрица рассеяния света в условиях пыльной мглы (Г.И. Горчаков, В.Н. Сидоров).
В восьмидесятые – девяностые годы ХХ века были изучены вариации компонент матрицы рассеяния света при конденсационной трансформации аэрозоля (Г.И. Горчаков, М.А. Свириденков, В.Н. Сидоров), суточный ход оптических характеристик приземного аэрозоля, начаты регулярные измерения концентрации сажевого аэрозоля в Москве (В.М. Копейкин). На Кисловодской высокогорной научной станции проводились регулярные нефелометрические измерения массовой концентрации субмикронного аэрозоля, функции распределения частиц аэрозоля по размерам, сбор проб пыльцы растений. Были выполнены измерения ореольных индикатрис яркости неба (Г.И. Горчаков, А.С Емиленко, А.А. Исаков, М.А. Свириденков).
В девяностые годы в Калмыкии были проведены наземные самолетные измерения оптических и микрофизических характеристик аэрозоля (Г.И. Горчаков, В.М. Копейкин). По данным самолетных лидарно-нефелометрических измерений были выявлены различные режимы конвекции: термиковая конвекция, конвекция бенаровского типа (квазирегулярная и нерегулярная).
С середины 1980-х годов изучается состав аэрозоля арктических районов России с целью анализа антропогенного воздействия через атмосферу на удалённые районы и экосистемы (И.П. Малков, А.В. Полиссар, А.А. Виноградова), в том числе в экспедициях ААНИИ в Российскую Арктику (Б.И. Назаров, А.В. Полиссар). В начале 1990-х годов была проведена совместная Российско-американская экспедиция в районе о. Врангеля-Аляска с целью интеркалибровки приборов и измерения концентрации черного углерода в атмосфере. Разработана методика модельных расчетов дальнего переноса антропогенных примесей (тяжелые металлы и черный углерод) на субмикронных частицах в атмосфере с использованием многолетних данных о циркуляции воздушных масс и направлениях переноса воздуха (А.А. Виноградова). До настоящего времени выполняется анализ многолетних рядов информации о направлениях переноса воздушных масс в Российскую Арктику, сопоставление с Индексами циркуляции атмосферы, выявление общих закономерностей, а также межгодовой и сезонной изменчивости в этих процессах.