Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2022 номер 2

В работе описаны разрабатываемые с 1990-х гг. в ИМКЭС СО РАН стационарные нелазерные газоанализаторы, действие которых основано на классическом методе дифференциального поглощения, для непрерывного измерения содержания окислов азота и серы в дымовых газах теплоэлектростанций, сжигающих природный газ, уголь и мазут. Эксплуатация газоанализаторов на российских теплоэлектростанциях показала их высокую чувствительность, надежность и простоту обслуживания. На основе метода дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии с использованием УФ-светодиодов создан макет портативного энергонезависимого газоанализатора, который является эффективным средством для одновременных трассовых измерений концентраций ряда атмосферных и примесных газов. Разработан анализатор ртути на основе атомно-абсорбционного метода с использованием в качестве источника излучения капиллярной лампы с естественным изотопным составом ртути при поперечном эффекте Зеемана. Развита методика определения ртути для различных сред, достигнута чувствительность анализатора 30 нг/м³. Показана возможность его широкого использования для организации многоцелевого ртутного мониторинга окружающей среды.

Рассматриваются результаты исследований ИМКЭС СО РАН, связанных с разработкой и использованием средств дистанционного зондирования для текущего мониторинга метеорологического состояния атмосферы. Это, прежде всего, средства активного акустического зондирования, а также средства радиометрического (пассивного) зондирования, в целом обеспечивающие контроль температурно-ветровой структуры и характеристик турбулентности в нижнем слое атмосферы и влагосодержания тропосферы. Описывается аппаратно-программный комплекс мониторинга и прогнозирования состояния атмосферы над заданной территорией в окрестностях г. Томска, состоящий из распределенных по территории измерительных пунктов дистанционного зондирования (исследовательский полигон).

Представлены результаты многолетних исследований естественного импульсного электромагнитного поля Земли в диапазоне очень низких частот в различных регионах. В лабораторных и натурных экспериментах показано наличие существенной доли литосферной составляющей в структуре этого поля, позволяющей осуществлять надежный инструментальный мониторинг состояния пространственных литосферных структур, неоднородностей и параметров динамических процессов взаимодействия литосферы, криосферы и атмосферы. Дано краткое описание разработанной аппаратуры и методов обработки, позволяющих проводить широкий спектр геофизических исследований в условиях возмущенных электромагнитных полей.

Представлены результаты многолетних (с середины 1980-х гг.) исследований в ИМКЭС СО РАН по оптимизации технологических процессов для получения кристаллов с высоким оптическим качеством, удовлетворяющих требованиям серийного производства нелинейно-оптических элементов. В3ыявлена физическая природа дефектов, определяющих оптические потери нелинейно-оптических кристаллов ZnGeP₂. Предложены методы и режимы эффективной послеростовой обработки монокристаллов_, обеспечивающих повышение их оптического качества. Разработано прецизионное термическое оборудование для синтеза многокомпонентных соединений и выращивания кристаллов с управляемыми свойствами. Проведенный цикл исследований позволил получить кристаллы с рекордными коэффициентами поглощения и порогами пробоя. Исследованы дисперсионные свойства монокристаллов. Рассчитаны условия фазового синхронизма и эффективности преобразования лазерных импульсов различной длительности и длин волн. На основании результатов расчетов изготовлены нелинейно-оптические элементы, которые использовались в многочисленных экспериментах по преобразованию частоты лазерного излучения. Кратко представлены результаты некоторых экспериментов по преобразованию частоты в кристаллах ZnGeP₂, которые также использовались в системах трассового газоанализа атмосферы.

Представлены разработки ИМКЭС СО РАН в области газоанализа, основанные на спектроскопии комбинационного рассеяния света (КР). Показаны возможности и преимущества разработанных КР-газоанализаторов на примере измерения состава топливных газов (природный газ, биогаз, синтез-газ), атмосферного и выдыхаемого воздуха. Обсуждаются особенности работы устройств такого типа и методы достижения высокой точности измерений.

Представлены сведения об организации и истории развития метеорологических наблюдений в ИМКЭС СО РАН, которые начались на открытой в 1994 г. метеостанции II разряда КТИ НП «Оптика» и продолжаются в настоящее время в Геофизической обсерватории ИМКЭС. Показана ретроспектива развития метеорологического приборостроения в Институте от создания экспериментальных образцов автоматизированных комплексов для оперативного измерения оптико-метеорологических характеристик атмосферы (70-80-е гг. ХХ в.) при испытаниях различных лазерных систем до разработки и создания ряда метеорологических приборов, включая ультразвуковые автоматические метеостанции различного назначения и территориально распределенные информационно-измерительные системы на их основе. Некоторые разработанные метеостанции занесены в Госреестр средств измерений.

Кратко описаны история развития и современное состояние созданного в ИМКЭС СО РАН распределенного инструмента анализа больших массивов климатических данных. Потенциал платформы «Климат» иллюстрируется ее применением в области мониторинга происходящих и прогноза возможных в будущем изменений климата Сибири, определения региональных откликов на них, а также подготовки количественной основы для разработки мер по адаптации к ним. Обсуждаются возможные варианты создания виртуальной исследовательской среды и тематических цифровых двойников, позволяющих специалистам в области климатологии и смежных направлений использовать современные информационно-вычислительные технологии и ресурсы для решения фундаментальных и прикладных проблем, вызванных происходящими и прогнозируемыми изменениями климата.

По данным реанализа ERA5 и наблюдений на метеостанциях проведена оценка пространственно-временной изменчивости экстремальных значений климатических параметров и опасных метеорологических явлений на территории Западной Сибири за 1979-2020 гг., а также выявлены тенденции их будущих вариаций в конце XXI в. на фоне глобальных климатических изменений. Совместный анализ полученных оценок позволил выявить очаги «риска» в регионах и определить тенденции их развития. Установлено, что в период 2011-2020 гг. температура воздуха растет на всей территории Западной Сибири, а количество осадков и скорость ветра - преимущественно в северных ее районах. Летом увеличиваются экстремальные значения количества осадков во всем регионе, за исключением горных районов в его юго-восточной части. Кроме того, области, подверженные влиянию сильных дождей, становятся более компактными и локализуются преимущественно на юге региона и вдоль его западной границы. Полученные результаты расчетов модели INM-CM5.0 позволили выявить отклик региональной климатической системы на происходящие глобальные изменения: до 2100 г. тенденции увеличения количества экстремальных событий в регионе будут сохраняться.

Развивается оригинальный метод объективной классификации климата на основе идеи об универсальности принципа согласованности природно-климатических процессов. Он позволяет исследовать реакцию структуры климатической системы на различные внешние факторы с учетом региональных особенностей. Созданный под эту задачу уникальный программный комплекс с интерактивным доступом позволяет выделять, исследовать и моделировать климатические кластеры по данным природно-климатических характеристик любого пространственного и временного масштабов. Приведены примеры реализации метода.

В результате крупных извержений тропических вулканов в стратосферу выбрасывается большое количество вулканогенного аэрозоля, способствующего формированию положительных температурных и отрицательных озоновых аномалий в нижней тропической стратосфере. Крупные извержения с индексом вулканической взрывчатости VEI ³ 5 способны вызывать глобальную депрессию озоносферы. Вулканогенное повышение температуры нижней тропической стратосферы приводит к увеличению стратосферного меридионального температурного градиента и последующему усилению полярного вихря. В условиях зимне-весеннего усиления вихря формируются полярные озоновые аномалии. Стратосферные аномалии озона вследствие усиления УФ-Б-радиации могут проявляться в деградации хвойных лесов, которые служат биосферным индикатором климатических изменений. Массовое очаговое усыхание темнохвойных лесов наблюдается в горных районах Южной Сибири с середины 1990-х гг. в условиях увеличения приземной УФ-Б-радиации в результате истощения озонового слоя после извержения вулкана Пинатубо.

На основе данных наземных наблюдений и спутникового дистанционного зондирования в период с 2006 по 2020 г. проведено исследование влияния дыма от удаленных лесных пожаров в Сибири на электрическое состояние приземного слоя атмосферы. Рассмотрены случаи, когда задымление охватывало всю толщу тропосферы и когда распространение дыма наблюдалось только в средней и верхней тропосфере. Установлено, что дымы от лесных пожаров в этих случаях оказывают сильное влияние на электрическое состояние приземного слоя которое выражается как в завышении, так и в занижении нормальных значений электрического поля.

Анализируется сезонная изменчивость эмиссии СН₄ с поверхности олиготрофного антропогенно нарушенного болота в Западной Сибири (юг Томской обл.). Измерения потоков СН₄ проводились камерно-статическим методом. Результаты исследований показали, что эмиссия СН₄ сильно варьировалась (-0,07-4,40 мг/(м² × ч), а рассчитанный общий поток СН₄ с поверхности болота для каждого года вегетации изменялся от 0,99 до 2,94 г × м^-2. Сезонная динамика потоков СН₄ характеризуется летним максимумом и тесно связана с температурой торфа. Корреляция между эмиссией метана и температурой торфа, изменяющаяся с глубиной по экспоненциальному закону, составляет 81-95%. В целом результаты наших исследований демонстрируют важность изучения эмиссии СН₄ с поверхности болот, подвергающихся техногенной нагрузке. Проведение комплексных мониторинговых исследований позволит внести больше ясности в оценку вклада болот подобного типа в глобальные процессы.

Дан краткий обзор тенденций развития изотопной масс-спектрометрии и ее применений в исследовании объектов окружающей среды в ИМКЭС СО РАН. Показана перспективность использования стабильных изотопов для оценки региональных климатических изменений, моделирования прогнозных оценок атмосферных осадков и источников их поступления, палеоклиматических исследований, решения задач экологического мониторинга атмосферного воздуха, а также оценки экологического состояния районов кормодобычи пчел и определения качества медовой продукции.