Лаборатория атмосферной спектроскопии (ЛАС)

О лаборатории

Лаборатория атмосферной спектроскопии (ЛАС) была создана в ИФА АН СССР в 1968 году под руководством д.ф.-м.н. В.И. Дианова-Клокова. Основным направлением вновь созданной лаборатории было экспериментальное исследование спектров поглощения атмосферных газов в лабораторных и натурных условиях. В.И. Диановым-Клоковым, совместно с И.П. Малковым, Т.Г. Адикс, В.Н. Арефьевым и др., были выполнены обширные исследования разрешенных и запрещенных полос поглощения кислорода и континуума водяного пара в лабораторных условиях и в реальной атмосфере. В 70-е годы на волне интереса к исследованиям атмосферы Венеры были проведены уникальные для своего времени измерения лабораторных спектров углекислого газа при высоких давлениях. Большое внимание уделялось в ЛАС решению прикладных задач методами молекулярной спектроскопии, в частности, во время многочисленных самолётных и морских экспедиций. Исследования эффективных пробегов фотонов в облаках, начатые И.П. Малковым и Е.И. Гречко, и многолетние регулярные наблюдения общего содержания моноксида углерода, метана и водяного пара в толще атмосферы получили широкое признание. После распада СССР спектроскопический мониторинг примесных газов в атмосфере занял центральное место в экспериментальных работах лаборатории, которой более тридцати лет руководил Е.И. Гречко. Теоретические исследования, проводившиеся в ЛАС с 1984 года А.А. Вигасиным и др., хорошо известны специалистам в нашей стране и за рубежом. Под редакцией А.А. Вигасина в 1998 году (World Scientific, совместно с Z. Slanina) и в 2002 году (Kluwer, совместно с C. Camy-Peyret) были опубликованы коллективные монографии, посвященные спектроскопии слабо взаимодействующих молекул и ее атмосферным и астрофизическим приложениям. Результаты оригинального теоретического моделирования столкновительно-индуцированных спектров, полученные в ЛАС, включены в наиболее авторитетную международную базу спектральных данных HITRAN и с большим успехом применялись при проведении радиационных и климатических расчетов для условий атмосферы Титана и палеоатмосферы Марса. В последнее время результаты расчетов квантовых эффектов в молекулярных спектрах СО₂ и СH₄ нашли подтверждение при интерпретации атмосферных спектров Марса и Юпитера.

Направления деятельности 

• Общая теория континуальных и диффузных спектров атмосферных молекул;
• Квантово-химические расчеты поверхностей электронной энергии и дипольного момента молекул и молекулярных пар;
• Траекторное полуклассическое моделирование столкновительно-индуцированных спектров;
• Теория квантовых эффектов в молекулярных спектрах, вызванных слабыми внутри- и межмолекулярными возмущениями;
• Теоретическое исследование природы континуального поглощения водяного пара;
• Проведение спектроскопических измерений и анализ данных по общему содержанию в атмосфере окиси углерода, водяного пара и метана в стационарных пунктах: Москва (ИФА РАН, центр города, с 1970 г. по настоящее время), Звенигородская научная станция (ЗНС ИФА РАН, Московская область, с 1968 г. по настоящее время), Высокогорная научная станция (ВНС, г. Шаджатмас, Северный Кавказ, с 1986 г. по настоящее время), Зотино (Средне-Енисейский стационар Института леса СО РАН, Красноярский край, с 2008 по настоящее время) и Пекин (пункт ИФА КАН, с 1992 г. по 2019 г.);
• Сбор и анализ информации о составе атмосферы, получаемой с помощью систем дистанционного спектроскопического зондирования: орбитальные приборы AIRS, OMI, MODIS, TROPOMI, OCO и наземные пункты международных сетей атмосферного мониторинга NDACC, TCCON, AERONET;
• Разработка специального программного обеспечения для автоматического сбора и анализа орбитальной информации о составе атмосферы;
• Проведение валидации спутниковых данных, оценка качества орбитальных данных о составе атмосферы и модельных расчетов. Разработка методов повышения репрезентативности орбитальных наблюдений;
• Исследование разнопериодных вариаций и долговременных трендов состава атмосферы в урбанизированных и фоновых районах Евразии. Исследование влияния природных пожаров в разных регионах Северного полушария на состав атмосферы России, оценка мощности эмиссий

Достижения 

• Предложена концепция формирования континуальных спектров в результате статистического усреднения по ансамблю возбужденных состояний молекулярных пар;
• Выполнена идентификация спектральных признаков связанных димеров углекислого газа в спектрах поглощения и комбинационного рассеяния при равновесных условиях, в свободно расширяющихся газовых струях и в матричном окружении;
• Впервые получены и интерпретированы достоверные спектры столкновительно-индуцированного поглощения СО₂ в области диады и триады Ферми;
• Разработан неэмпирический метод классических траекторий для моделирования столкновительно-индуцированных спектров, использующий квантово-химические характеристики парного взаимодействия;
• Уточнены правила отбора для индуцированных спектров и разработана оригинальная квантовая теория для описания эффектов в молекулярных спектрах, вызванных слабыми возмущениями;
• Впервые построена квантовая теория магнитно-дипольных спектров поглощения линейных молекул;
• Показано, что в условиях палеоатмосферы Марса столкновительно-индуцированное поглощение могло быть ответственно за парниковый эффект, приводивший к возможности существования жидкой воды на поверхности планеты;
• Теоретические спектры молекулярных пар N₂-N₂ и CO₂-Ar, полученные методом классических траекторий, включены в международную базу спектральных данных HITRAN;
• Предложены физически обоснованные модели континуального поглощения азота, диоксида углерода в смеси с аргоном и водяного пара в микроволновой области спектра;
• Собран и проанализирован уникальный по длительности ряд собственных спектроскопических данных о малых газовых составляющих атмосферы в пяти стационарных пунктах (Москва, ЗНС, ВНС, Зотино, Пекин);
• Исследованы разнопериодные вариации окиси углерода (включая долговременные тренды) в атмосфере Москвы и Пекина; установлены основные источники загрязнения, оценена их мощность;
• Создана внутренняя база данных наземной и орбитальной информации нескольких спутниковых систем (MOPITT, AIRS, OMI, MODIS, TROPOMI, OCO-2/3) и международных наземных сетей мониторинга NDACC, TCCON, AERONET – с момента начала наблюдений каждого орбитального прибора и каждого наземного пункта по 2023-2024 г.;
• Выполнены валидационные исследования и оценка качества измерений нескольких орбитальных систем (MOPITT, AIRS, MODIS. IASI, OMI, TROPOMI); разработаны методики фильтрации некачественных орбитальных данных;
• На основе анализа наземной и орбитальной информации, а также модельных расчетов исследованы тренды состава атмосферы в различных регионах Евразии. Получены оценки отклика трендов окиси углерода на климатические изменения и рост концентрации метана. Предложена гипотеза, объясняющая начало возрастания содержания окиси углерода в последнее десятилетие;
• Разработан универсальный многофункциональный программный комплекс ИФА РАН «TROPOMI tools», позволяющий автоматический сбор, фильтрацию, обработку, коррекцию, интерпретацию спутниковой информации, а также проведение валидации данных, полученных орбитальными аппаратами.