Лаборатория газовых примесей атмосферы Лаборатория создана в 1986 г. Основная задача - исследование физико-химических механизмов пространственной и временной изменчивости состава атмосферы. Обеспечивает проведение регулярных измерений содержания ключевых примесей атмосферы, радиационных и метеорологических параметров на Кисловодской высокогорной, Звенигородской и Московской научных станциях. С 1995 г. проводит регулярные международные эксперименты TROICA с помощью специальной передвижной лаборатории для комплексных исследований состояния окружающей среды, созданной совместно с ВНИИ железнодорожного транспорта. Участвует в различных международных проектах по проблемам изменения состава атмосферы и климата Земли. Руководитель лаборатории – профессор Н.Ф.Еланский. 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». Передвижная лаборатория для наблюдением за составом атмосферы Summer (TROICA-5, 7) ppm 2 40 30 20 10 2.E+12 4.E+12 altitude, km February 19, 1998 8.E+12 ppm 02.03.98 04.03.98 06.03.98 05.03.98 Altitude lay, km 0-5 10-15 20-25 30-35 40-45 Novocherkassk Ryazan Michurinsk Bekasovo Bologoe Saint-Petersburg Petrozavodsk Кемь Kem Murmansk Novocherkassk Ryazan Michurinsk Bekasovo Bologoe Saint-Petersburg Petrozavodsk Кемь Kem Murmansk Концентрация летучих органических соединений в приземном воздухе между Мурманском и Кисловодском, 24-27 мая 2000г, TROICA-6 KHABAROVSK CHITA IRKUTSK ULAN-UDE KRASNOYARSK NOVOSIBIRSK OMSK PERM' KIROV 300 40 60 80 100 120 140 ppm 2.0 [CH ] 40 60 80 100 120 2.0 1.8 1.6 40 07.03.98 4 1.8 1.6 Спутниковая карта района города Первоуральска с нанесенными значениями концентрации SO2 вдоль маршрута TROICA-8 и шлейфом загрязнения с металлургического комбината г. Ревда. 140 [CH ] 4 2 0 2 350 300 February 23, 1998 01.03.98 28.02.98 С9-benzol 6.E+12 Изменение вертикального распределения O3 и NO2 при пересечении арктической воздушной массы 19 февраля – 7 марта, 1998г, TROICA-4 [CO ] 400 60 80 100 120 140 40 60 longitude, deg. 80 100 120 Содержание CO, CO2 и CH4 в приземном воздухе между Москвой и Хабаровском в теплый и холодный сезоны по данным экспедиций TROICA (осреднение по 10° долготы). Содержание NO2 в 5-км слое – 1014 см2 0 2 4 6 0 2 4 6 0 2 4 6 0 2 4 6 0 2 4 6 8 0 2 4 6 0 2 4 В 2003 году состоялась презентация передвижной лаборатории на Павелецком вокзале. На снимке создатели лаборатории из ИФА РАН, института Железнодорожного транспорта и НИФХИ им. Карпова. 6 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. а) Калмыкия Кольский п-ов 7 Скорость образования ТХУ в загрязненном воздухе промышленных районов, рассчитанная для Калмыкии, Центрального района и Кольского полуострова в зависимости от сезона. Центральный район ТХК ,10 3 мол /см3хдень 6 5 4 3 2 1 0 янв 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. Stratospheric column NO2 abundance at Zvenigorod Column NO2 (1015 mol/cm2) 8 morning evening Соленое озеро в Калмыкии. Розовый цвет говорит о наличии хлорсодержащих продуктов жизнедеятельности галобактерий. 6 Содержание NO2 в вертикальном столбе по наблюдениям на ЗНС в утренние и вечерние часы за период с 1990 по 2004гг. 4 2 0 1990 Участники международной экспедиции по проекту TRIDES в Калмыкии в поселке Годжур, где обнаружена максимальная для России концентрация ТХУ в растениях. 160 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 140 Year Среднегодовое распределение Линейный тренд Годовой ход Эффект КДЦ Смена направлений экваториального ветра с восточной на западную на уровне 50 гПа. Эффект Эль-Ниньо O3, ppbv 120 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)). Диапазон периодичностей экваториального ветра Диапазон периодичностей проявления Эль-Ниньо 100 ПДК 80 60 40 20 Спектральная плотность межгодовой изменчивости Максимум температуры поверхности океана в области 5 S - 5 N, 90 W - 150 W 0 Lg S 7 30 6 3.3 20 2.9 15 2.5 10 5 CO, ppmv 25 ПДК 4 3 2.1 2 1.7 1 5 0 50 100 150 нбар -1.5 -1.0 -0.5 0.0 нбар / год 1 3 5 7 9 11 1 3 5 7 9 11 Месяц года -18 -12 -6 0 6 12 18 Задержка (месяцы) -24 -18 -12 -6 0 6 12 18 24 Задержка (месяцы) 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 Период (месяцы) 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. 140 longitude, deg. дек toluol 4 С8-benzol Концентрация O3, 1/cм2 50 0 0.E+00 9 6 3 0 6 benzol 9 6 3 0 с-pentane 350 ноя isoprene 6 4 2 0 acetone 3 2 1 0 60 1500 окт acetaldehyde 1000 сен 9 6 3 0 500 авг 0 12 9 6 3 0 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Высота (км) c o n c e n t r a t i o n, p p b v 10 0 июль methanol -500 июнь 20 1500 -2000 -1500 -1000 2,0 1,5 acetonitrile 1,0 0,5 0,0 май 1000 апр 500 март 0 фев -500 ozone concentration, cm^-3 -2000 -1500 -1000 450 EKATERINBURG [CO ] 400 MOSCOW ppm N.NOVGOROD KHABAROVSK CHITA IRKUTSK ULAN-UDE KRASNOYARSK EKATERINBURG OMSK NOVOSIBIRSK 0.0 PERM' 0.0 KIROV 0.1 MOSCOW 0.1 N.NOVGOROD 0.2 450 Distance from Moscow, km [CO] [CO] 0.2 ppm Distance from Moscow, km Winter (TROICA-3, 8) ppm 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 2 ИЮЛЬ 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 АВГУСТ Концентрация О3 и СО в приземном воздухе в Москве в период задымления летом 2002г