Лаборатория газовых примесей атмосферы (ЛГПА)

Основные направления исследований:

• Приборы, методы, наблюдения  
• Анализ данных и численное моделирование  
• Эксперимент TROICA  
• Эксперимент TRIDES  
• Лето 2010 года

Приборы, методы, наблюдения

• Создан автоматизированный приборный комплекс и программное обеспечение для измерений содержания газовых (О3, NO, NO2, CO, CO2, CН4, SO2, NH3, углеводороды, 222Rn и др.) и аэрозольных примесей в приземном воздухе, вертикального распределения О3, NO2. и аэрозоля в тропосфере и стратосфере, радиационных и термодинамических параметров. Разработаны эффективные алгоритмы восстановления вертикального распределения О3 и NO2, основанные на численной модели переноса излучения в сферической неоднородной атмосфере с учетом поляризации и многократного рассеяния. Комплекс может использоваться для оборудования станций мониторинга состава атмосферы и качества приземного воздуха.     
• Ведутся регулярные наблюдения приземной концентрации многих газов и вертикального распределения в атмосфере О3, NO2. На сети научных станций высокую ценность имеют ряды содержания NO2 в тропосфере и стратосфере, степени поляризации рассеянного излучения приземных концентраций озона, NOх, СО и других газов.    
• С 1995 г. проводятся эксперименты TROICA (TRanscontinental Observations Into the Chemistry of the Atmosphere) с использованием передвижной лаборатории. В 2004 г. для этих экспериментов была построена и оборудована новая лаборатория из двух вагонов.   

Выполнена серия уникальных космических экспериментов на российских орбитальных станциях «Салют».

Анализ данных и численное моделирование

•  Обнаружена слоистая структура вертикального распределения примесей в атмосфере, изучены особенности их пространственной изменчивости над континентом и морской поверхностью, механизмы формирования экспериментальных экологических ситуаций в городах и их шлейфах, вблизи ЛЭП и магистральных газопроводов.     
• Фотохимическое моделирование показано возможность образования пестицидов,в частности, трихлоруксусной кислоты в атмосфере из тетрахлорэтилена и метилхлороформа. Впервые были выявлены природные источники предшественников ТХУ – деятельность галобактерий в водах озер с высоким содержанием солей.     
• Численное моделирование применялось для изучения механизмов изменения состава атмосферы под воздействием таких процессов, как струйные течения, орографические возмущения, внутренние гравитационные волны, солнечные затмения и вулканические извержения, полетов авиации и пусков ракет. Как правило, численное моделирование предшествовало проведению экспериментов и создавало для них идеологическую базу.     
• Разработана концепция создания национальной сети мониторинга состава атмосферы. Создана и регулярно пополняется база данных, к которой обеспечен удобный доступ пользователей. Данные наблюдений на Московской станции публикуются в ежемесячном бюллетене.  

Созданы двухмерные нелинейные полуаналитические и трехмерная численная нестационарная модели обтекания воздушным потоком препятствий произвольной формы.
На рисунке приведен пример деформации изэнтропических поверхностей 301,4 К (~3 км) и 316,5 К (~7 км) при обтекании потоком с постоянной по высоте скоростью 10 м/с и температурным градиентом 6° К/км препятствия высотой 1 км.          

Создана электронная база данных, которая включает результаты собственных наблюдений (станции, эксперименты TROICA, TRIDES, ECCA и т.д. ), а также мировые архивы данных WOUDC, TOMS, SAGE, SBUV и др.
Пример анализа изменчивости атмосферного озона (WOUDC, станция Goose Bay (53 N, 60 W)).

Компоненты изменчивости озона имеют ярко выраженную высотную зависимость. Основной компонентой изменчивости является годовой ход, однако эффекты КДЦ и Эль-Ниньо оказывают заметное влияние на содержание озона в тропосфере и в нижней стратосфере. Вследствие фазовых различий изменения озона на разных высотах частично компенсируют друг друга.

Эксперимент TROICA

В 2003 году состоялась презентация передвижной лаборатории на Павелецком вокзале. На снимке создатели лаборатории из ИФА РАН, института Железнодорожного транспорта и НИФХИ им. Карпова.

Страница проекта: http://ifaran.ru/troica/

Эксперимент TRIDES
Лето 2010 года

Всероссийское совещание по проблеме состояния воздушного бассейна г. Москвы и Европейской территории России в экстремальных погодных условиях лета 2010

Институт физики атмосферы (ИФА) АН СССР был образован в 1956 году накануне  проведения масштабного научного эксперимента “Международного геофизического года” (МГГ, 1957-1958 гг.). Одной из побудительных причин организации МГГ стало осознание того факта, что между деятельностью человека и состоянием окружающей среды существует тесная связь. Для воздушной среды узловым элементом этой связи являются газовые и аэрозольные составляющие атмосферы. Участие А.М. Обухова и ведущих ученых Института в подготовке научной программы МГГ и установившиеся контакты с зарубежными учеными-геофизиками положили начало исследованиям состава атмосферы в ИФА АН СССР. Под руководством Г.В. Розенберга, специализировавшегося в области переноса излучения в дисперсных средах, начались исследования оптических свойств и микрофизики аэрозоля. Разрабатывались методы измерений атмосферного аэрозоля как системы фракций, создавалась аппаратура. На Звенигородской научной станции ИФА АН СССР (ЗНС) были организованы регулярные измерения спектральной прозрачности атмосферы и вертикальной стратификации распределения аэрозоля по данным сумеречного зондирования.

В 1976 г. ИФА АН СССР  был назначен головной организацией, ответственной за проведение полномасштабной научно-исследовательской работы (НИР), которая должна была дать ответ на все ключевые вопросы – от возможности частичного или полного разрушения озонового слоя до его последствий для жизни человека. В ИФА была создана лаборатория газовых примесей (ЛГПА) под руководством Н.Ф. Еланского, которая сосредоточилась на изучении фундаментальных и прикладных задач в области  физики и химии озона. Сложность стоящих задач потребовала сформировать широкую кооперацию академических институтов, университетов и ведомственных НИИ. Работа большого коллектива продолжалась до 1986 г. В рамках этого проекта сотрудники ЛГПА разрабатывали методы наблюдений, аппаратуру и проводили измерения содержания в атмосфере озона, окислов азота, аэрозоля, других веществ, оказывающих влияние на радиационный режим и химический состав атмосферы. Средства, выделенные на проведение НИР, частично расходовались на фундаментальные исследования состава атмосферы, проведение летных и морских экспедиций, участие в  космических экспериментах, строительство и оборудование Кисловодской высокогорной станции ИФА АН СССР (КВНС), расположенной на Северном Кавказе на высоте 2070 м над уровнем моря.

Кисловодская высокогорная научная станция ИФА им. А.М. Обухова РАН

В 1990-91 гг. по инициативе и при непосредственном участии директора ИФА РАН Г.С. Голицына были впервые проведены комплексные исследования состояния воздушной среды в Москве. В работу включились все лаборатории ОИСА, владеющие приборами и методами метеорологических наблюдений, измерений содержания примесей, солнечной радиации и других компонентов воздушной среды. По материалам этой кампании было опубликовано 3 сборника статей под общим названием «Контроль состояния воздушного бассейна г. Москвы» [Ч 1,2,3; 1991-1992], которые впервые дали более или менее полное представление о состоянии воздушного бассейна г. Москвы и действующих на него различных антропогенных факторах. В частности, впервые были совмещены измерения тонкой структуры городского пограничного слоя атмосферы и концентрации загрязняющих примесей, что позволило объяснить причину формирования экстремально высоких уровней загрязнения и выполнить оценки мощности выбросов от источников различного масштаба. Также, на основе полученной уникальной информации впервые были проведены исследования  окислительных свойств московского воздуха и описаны фотохимические механизмы образования озона и гидроксила, играющих ключевую роль в формировании состава городской атмосферы.

В статье [Голицын и др., 1996] подводится итог многолетних наблюдений на научных станциях ЗНС, КВНС и Иссык-Куль. Эти станции работали и продолжают работать в настоящее время в режиме непрерывных наблюдений в полном соответствии с требованиями Глобальной службы атмосферы ВМО.  Обе высокогорные станции  КВНС и Иссык-Куль дают информацию о фоновом состоянии атмосферы, а станция ЗНС по условиям наблюдений относится к региональным станциям. Все приборы, работающие на станциях, регулярно проходили калибровки, международные сравнения и имеют международную сертификацию. Поэтому данные наблюдений корректно отражают долговременные изменения основных химически активных и парниковых составляющих атмосферы.

Плодотворное участие специалистов ИФА РАН в организации и проведении комплексных наблюдений состава атмосферы и анализе полученных данных, результаты которого закрывают многие ниши в объяснении происходящих в атмосфере изменений, способствовали расширению контактов с зарубежными коллегами и приглашению сотрудников ЛГПА к участию в международных проектах, включая экспедиции вдоль Транссибирской ж.-д. магистрали с использованием вагона-лаборатории TROICA. Первая тестовая экспедиция, состоявшаяся 20 ноября 1995 г., успешно выполнила поставленную задачу – в самых сложных погодных условиях (температура в Сибири местами понижалась до минус 35^оС) были получены уникальные по качеству и научной ценности данные о содержании в атмосфере O₃, NO, NO₂, потоках солнечной радиации и метеопараметрах на всем маршруте Москва – Хабаровск – Москва. Таким образом, было доказано, что использование мобильной железнодорожной платформы открывает широкие перспективы в исследованиях атмосферы над Северной Евразией [Крутцен и др.,1996].

Передвижная лаборатория  TROICA

Последующие экспедиции, финансируемые из разных, в основном зарубежных, источников,  проводились уже на комфортабельном вагоне-лаборатории ВНИИЖТ, а с 2004 по 2010 гг. – на новой  лаборатории, специально построенной МПС РФ с участием ИФА РАН. Вагон-лаборатория, оборудованная для комплексных научных исследований, состояла из двух вагонов и автомобиля для объектовых физических и химических исследований. Ее презентация состоялась в Москве на Всемирной конференции по изменению климата, октябрь 2003 г.

В рамках проекта TROICA в ЛГПА при поддержке Г.С. Голицына начались работы в области химии атмосферы. Основу их составляли данные наблюдений летучих органических соединений (ЛОС), определяющих окислительные свойства атмосферы и, в частности, образование озона и гидроксила. В экспедиции TROICA проводился отбор проб воздуха в сорбционные трубки с разными сорбентами для легких и тяжелых ЛОС [Еланский и др., 2000]. Анализ проводился на хроматографах; для каждого вещества использовались абсолютные калибровочные коэффициенты. Количество проб в экспедициях менялось от 40 до 60, число определяемых химических соединений в пробах – от 35 до 55. Огромный объем данных о ЛОС систематизировался по территориальному признаку, по погодным условиям, по городским и сельским районам наблюдений, по сезонам и времени суток [Еланский и др, 2001]. В результате были установлены характерные для территории, по которой проходит Транссиб, и для транссектов Мурманск-Сочи и Мурманск-Кисловодск,  особенности распределения и временной изменчивости почти всех основных химически активных веществ, необходимых для описания химических взаимодействий в численных химико-транспортных и климатических моделях.

Интересные результаты первых двух экспедиций TROICA, а также опыт многолетних измерений содержания малых примесей в атмосфере на высокогорной станции и на подвижных платформах, приобретенный нашей лабораторией, привлекли внимание выдающихся ученых:  М. Хейманна – заслуженного профессора Института биогеохимии Макса Планка (ИБМП) и Е.А. Ваганова – академика РАН, директора Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН. В конце 1997 г. на встрече в ИБМП в Йене с участием Н.Ф. Еланского состоялось детальное обсуждение проекта по созданию в центре Сибири высотной биоклиматической обсерватории для изучения взаимодействия атмосферы и континентальных экосистем и баланса парниковых газов в Сибири. В 2003 г. в Зотино, в 450 км от Красноярска, началось строительство обсерватории. Торжественное открытие обсерватории ZOTTO (Zotino Tall Tower Observatory) состоялось в июне 2007 г. Наблюдения начались в 2006 году и без перерыва продолжаются по настоящее время. В наблюдениях все эти годы использовались лучшие приборы с выполнением всех международных требований и рекомендаций. ИФА РАН точно следует научной программе, а заявленные цели, связанные с исследованиями баланса CH₄, CO₂ и O₃, переноса парниковых и загрязняющих веществ и других задач, постепенно реализуются [Heimann et al., 2014].

Фоновый характер обсерватории позволяет проводить количественные оценки вклада дальнего переноса в региональный баланс климатически значимых газовых примесей и аэрозолей. Так, численные расчеты показали [Штабкин и др., 2016], что шлейф загрязнений от источников, расположенных в Западной Европе, на европейской территории России и юге Сибири, в зимний период играет важную роль в региональном балансе CO в фоновых условиях, что позволяет объяснить 55–80 % (70–90 ppb) амплитуды наблюдаемого в Зотино годового хода СО. По наблюдениям приземных концентраций озона и окислов азота получены оценки скорости фотохимической генерации озона и эффективности производства озона  в расчёте на одну молекулу NO или NO₂ в условиях развитого конвективного пограничного слоя в зоне бореальных лесов. Показано, что режим озона в бореальных лесах Сибири определяется состоянием фотохимической системы O₃–NO_x–ЛОС. В чистых фоновых условиях, когда содержание NO_x антропогенного происхождения минимально, окислительный потенциал атмосферы невелик, и сток озона преобладает над его образованием [Moiseenko et al. 2021]. В целом для лесной зоны Сибири является характерным преобладание в атмосферном пограничном слое стока озона над его локальными фотохимическими источниками.

В настоящее время, сотрудники ЛГПА проводят исследования по широкому кругу проблем физики и химии атмосферы, опираясь на многолетний опыт подобных исследований, включая данные прямых измерений состава воздуха на действующих стационарных пунктах ИФА РАН в Москве, Московской области и Кавминводах, данные сезонных наблюдений в ZOTTO, а также данные TROICA и текущих экспедиций.

Литература

1. Голицын Г.С., Арефьев В.Н., Гречко Е.И., Груздев А.Н., Еланский Н.Ф., Елохов А.С., Семенов В.К. Газовый состав атмосферы и его изменения // Оптика атмосферы и океана. 1996. Т. 9. № 9. С. 1214 – 1232.
2. Еланский Н.Ф., Голицын Г.С., Власенко Т.С., Волох  А.А.  Летучие органические соединения в приземном воздухе по наблюдениям вдоль Транссибирской железнодорожной магистрали // Доклады Академии Наук. 2000. Т. 373. № 6. С.816 – 821.
3. Еланский Н. Ф., Голицын Г. С., Крутцен П. Й., Беликов И. Б., Бреннинкмайер К. А. М., Скороход А. И. Наблюдения состава атмосферы над Россией: Эксперименты TROICA //  Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2021. Т.61. № 1. С.79 – 98.
4. Контроль состояния воздушного бассейна г. Москвы. ИФА РАН. Препринт. Ч. 1. 1991. Ч. 2, 3. 1992.
5. Крутцен П.Й., Голицын Г.С., Еланский Н.Ф., Бреннинкмейр К.А.М., Шарффе Д., Беликов И.Б., Елохов А.С. Наблюдения малых примесей в атмосфере над территорией России с использованием железнодорожного вагона-лаборатории // Доклады Академии Наук. 1996. Т. 350. № 6. С. 819 – 823.
6. Heimann M., Schulze E. D., Winderlich J., Andreae M., Chi X., Gerbig C., Kolle O., Kübler K., Lavric J. V., Mikhailov E., Panov A., Park S., Rödenbeck C., Skorochod A. The Zotino Tall Tower Observatory (ZOTTO): Quantifying Large Scale Biogeochemical Changes in Central Siberia // Nova Acta Leopoldina NF. 2014. V. 117(399). P. 51 – 64.
7. Moiseenko K. B., Vasileva A. V., Skorokhod A. I., Belikov I. B., Repin A. Yu.,  Shtabkin Yu. A. Regional impact of ozone precursor emissions on NOx and O₃ levels at ZOTTO tall tower in central Siberia // Earth Space Sci. 2021. V. 8. e2021EA001762.
8. Штабкин Ю.А., Моисеенко К. Б., Скороход А. И. , Васильева А. В., Хайманн М. Источники и вариации тропосферного CO в центральной Сибири: численные эксперименты и наблюдения на высотной мачте ZOTTO // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2016. Т. 52. № 1. С. 51 – 63.