Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2025 номер 6

Условия распространения и накопления примесей в приземном слое атмосферы в значительной степени зависят от его стабильности, которая количественно может характеризоваться высотой слоя перемешивания (ВСП). В работе впервые по единой методике оценены средние за 2001-2021 гг. значения ВСП для разных территорий России в разные сезоны в дневные и ночные часы. Анализ основан на данных расчетов с помощью дисперсионной модели HYSPLIT, полученных в ходе многолетнего изучения дальнего переноса воздушных масс и аэрозолей в различные районы России. Приведены значения ВСП, усредненные по площади над отдельными материковыми квазиоднородными климатическими территориями и морями Российской Арктики, а также пространственное распределение ВСП по территории России на географической сетке 1° × 1°. Результаты исследования могут быть полезны при экологических оценках потенциала загрязнения атмосферы, потоков аэрозольных примесей на подстилающую поверхность, источников загрязнения воздуха и степени их влияния на окружающую среду и человека, а также для сравнительных климатических оценок различных регионов России.

Российская Федерация на регулярной основе принимает участие в международной программе мониторинга атмосферных выпадений в Восточной Азии EANET. На территории Российской Федерации расположены четыре станции сети EANET, три из которых находятся в Юго-Восточной Азии, одна - на Дальнем Востоке. За время работы с 2001 по 2004 г. накоплена база данных. В работе по соотношению суммарных концентраций главных ионов в разные годы прослежена пространственная и временная изменчивость ионного состава аэрозоля за пятилетние периоды с 2001 по 2024 г. По данным, полученным в рамках других проектов, проанализированы значимые микроэлементы в атмосферном аэрозоле: Li, Al, Ti, V, Mn, Fe, Sr, Th, U, Ba, Co - терригенного и Cr, Cu, Ni - нетерригенного происхождения, оценен их вклад в общий уровень загрязнения атмосферного воздуха на станциях мониторинга EANET. Результаты мониторинга атмосферных выпадений могут быть использованы как для оценки состояния окружающей среды, так и для научных исследований и общественного информирования.

Атмосферный аэрозоль оказывает влияние на астрономические наблюдения, выполняемые в видимом диапазоне спектра (400-700 нм). Следовательно, информация о динамике оптических свойств среды в районе проведения астрофизического эксперимента необходима для корректной интерпретации получаемых результатов. В силу отсутствия локальных измерений данные о состоянии атмосферы могут быть получены, например, путем численного моделирования. В настоящей работе обсуждаются результаты моделирования аэрозольной атмосферной толщи (АОТ) с использованием химической транспортной модели GEOS-CHEM и химического реанализа CAMS для района расположения гамма-обсерватории TAIGA, где в ночное время регистрируется черенковское излучение. Показано, что средние значения АОТ (550 нм) с сентября по апрель 2019-2022 гг. по данным GEOS-CHEM и CAMS составляют ~ 0,08 и ~ 0,05 соответственно. Максимум AOТ наблюдается в апреле и может достигать 0,6. Верификация результатов моделирования с использованием данных AERONET показала их удовлетворительное согласие: коэффициент корреляции R для GEOS-CHEM равен 0,92, а для CAMS - QUOTE 0,91. Результаты исследования могут применяться на этапе обработки экспериментальных данных гамма-обсерватории TAIGA, а также аналогичных астрофизических проектов.

Морфология и состав аэрозольных частиц определяют реакционную способность аэрозолей, обусловливающую их активность в атмосферных гетерогенных процессах, влияющих на оптические, радиационные и химические свойства атмосферы. Кроме того, строение и минеральный состав частиц служат индикаторами антропогенных и природных источников эмиссии загрязняющих веществ в окружающую среду. Однако сведений о морфологических характеристиках атмосферных аэрозолей все еще недостаточно. В данной работе исследованы минерально-вещественные характеристики пылевых аэрозольных частиц, что позволило выявить и идентифицировать природные и техногенные образования в составе аэрозолей в приземном слое атмосферы в Московском мегаполисе в зимний период. Обнаружены микрочастицы, содержащие широкий спектр потенциально токсичных элементов - тяжелых металлов и металлоидов техногенного или смешанного происхождения. Выделены наиболее распространенные группы металлосодержащих микрочастиц в приземном аэрозоле: 1) сульфаты (преимущественно Ba, Sr); 2) сульфиды (Fe, Sb, Pb); 3) оксиды (Fe, W, Cu, As, Cd, Pb); 4) интерметаллиды (Pb-Sn-Zn, Pb-Zn, Cu-Zn, Cu-Pb, Te-Sb-Al-Bi, Fe-Ni-Cu-SnFe-Cr-Ni); 5) самородные металлы (Fe, Ni, Zn, Zr, Te, W, Pb). Оценено распределение элементов на поверхности фильтра с аэрозольной пробой и установлено, что большая часть микроминералов в пылевых частицах аэрозолей зимой в Москве представлена кальциевыми фазами, меньшая - силикатными и алюмосиликатными. Полученные результаты дополняют сведения о морфологии и микроминеральном составе аэрозолей в приземном воздухе мегаполиса и могут быть полезными как для уточнения роли аэрозольных частиц в атмосферных гетерогенных процессах, приводящих к изменению климата, так и для решения прикладных экологических задач.

Термофорез аэрозолей традиционно исследовался как теоретически, так и экспериментально для сферических или в более общем случае компактных изометрических частиц. Представлены результаты сопоставления разработанной авторами теории термофоретического движения фракталоподобных частиц с экспериментальными данными для углеродных агрегатов, полученных в газовой фазе по DLCA-сценарию образования. Показано, что теоретические предсказания для термофоретической скорости качественно и количественно хорошо согласуются с экспериментом. Обсуждаются возможные ограничения предлагаемой теории и принципиальные вопросы, связанные с оценкой структурных и теплофизических параметров фракталоподобных агрегатов. Результаты работы могут быть полезны для специалистов в области физики атмосферных аэрозолей при моделировании процессов движения углеродосодержащих частиц с фрактальными свойствами.

При атмосферных превращениях органических соединений, выделяемых растительностью, инициирующей стадией является их взаимодействие с фотолитически генерируемыми короткоживущими свободными радикалами. В цепном процессе, представляющем собой последовательность радикальных стадий, образуются конденсирующиеся продукты, которые являются зародышами аэрозольной фазы. В лабораторных условиях нами были идентифицированы свободные радикалы, возникающие при фотолизе бензальдегида и биогенных альдегидов, в том числе ароматических - салицилового, орто- и пара-анисового. Хроматографический анализ продуктов, образующихся при введении дополнительного количества свободных радикалов, показал, что меняются состав и количество предшественников аэрозольной фазы. Проведены натурные измерения содержания альдегидов и продуктов их фотохимического разложения под действием солнечного света, обнаружены соединения, образующиеся при взаимодействии исходных альдегидов со свободными радикалами. По наличию таких продуктов можно оценивать концентрации свободных радикалов на уровне ниже пределов обнаружения физико-химическими методами. Показано, что скорости генерации и стока свободных радикалов меняются с высотой в тропосфере. Разработан подход, позволяющий при моделировании процессов фотонуклеации учитывать вертикальный перенос воздушных масс и соответствующие изменения значений констант скорости фотолиза. Показано, что образование конденсирующихся продуктов представляет собой стадию обрыва цепи в процессе атмосферной фотонуклеации биогенных альдегидов. Новые данные о высотном ходе концентраций короткоживущих свободных радикалов позволяют рассчитывать скорости фотонуклеации биогенных альдегидов на разных высотах. С использованием полученных кинетических схем можно моделировать образование органического атмосферного аэрозоля в тропосфере с учетом вертикального переноса воздушных масс.

Ряды наблюдений аэрозольных характеристик атмосферы арктических морей являются эпизодическими и прерывистыми и для анализа пространственного распределения измерений, выполняемых на полярных станциях, их недостаточно. Представлены результаты исследований атмосферного аэрозоля в 95 и 96-м рейсах НИС «Академик Мстислав Келдыш» в акваториях Баренцева и Карского морей. С учетом новых данных уточнены средние многолетние значения характеристик аэрозоля над указанными морями: объемные концентрации субмикронного аэрозоля составили 0,47 и 0,44 мкм³/см³ соответственно; грубодисперсного аэрозоля - 2,17 и 1,65 мкм³/см³; массовые концентрации поглощающего вещества (черного углерода) - 67 и 36 нг/м³; аэрозольные оптические толщи атмосферы (0,5 мкм) - 0,078 и 0,038. Показано, что средние значения характеристик аэрозоля над Баренцевым морем в 1,1-1,9 раза выше, чем над Карским. Полученные результаты дополнят банк данных многолетних экспедиционных измерений, а также могут быть использованы для расширения представлений о пространственном распределении атмосферного аэрозоля.

На основе численного моделирования получены оценки мощности и пространственное распределение зоны стабильности гидратов метана (ЗСГМ), связанной с существованием субаквальной мерзлоты. По результатам расчета природной температуры арктических морей по моделям из ансамбля CMIP6 с учетом сценария с высокими антропогенными выбросами парниковых газов (SSP5-8.5) установлено, что уменьшение ЗСГМ слабо зависит от современного потепления и происходит в основном со стороны нижней границы. Этот процесс является прежде всего следствием голоценовой трансгрессии моря и зависит от интенсивности геотермического потока. Получено пространственное распределение потоков метана из донных отложений, обусловленных разложением газовых гидратов при нарушении условий их существования. Оценка интенсивности эмиссии метана из морского дна в воду составила 15 Тг/год для периода 1850-2014 гг. и 16-17 Тг/год - до 2300 г. (соответствующие оценки интенсивности эмиссии из воды в атмосферу в работе не проводились). Существенное изменение интенсивности эмиссий метана из дна в воду маловероятно по крайней мере в следующие несколько тысяч лет. Полученные поля потоков метана из донных отложений могут быть использованы в численных моделях океана для оценки эмиссии метана в атмосферу.

В задачах экологических исследований, проводимых для оценки загрязнения атмосферы необходима информация о физических процессах, определяющих пространственно-временное распределение аэрозольных полей. В настоящей статье представлены результаты исследований тропосферы лидарами серии «ЛОЗА» в летний период с 2015 по 2023 г. на оз. Байкал на научном стационаре «Боярский» Института физического материаловедения СО РАН (Республика Бурятия). Приведены особенности суточной динамики пространственного распределения аэрозоля в атмосфере береговой зоны южного Байкала для трех основных метеорологических ситуаций, определяющих его формирование и перенос. По итогам двухпозиционных синхронных лидарных наблюдений выявлено, что скорость переноса аэрозольных неоднородностей на разных высотах над береговой зоной озера может сильно различаться, достигая нескольких десятков метров в секунду. Результаты исследования позволяют дополнить информацию об особенностях формирования и переноса атмосферного аэрозоля в условиях местных циркуляций, характерных для горной котловины прибрежной территории Байкала.

В настоящее время является актуальным изучение состава и оптических характеристик аэрозоля в атмосфере уникального природного объекта, каким является оз. Байкал. Представлены результаты исследований микроструктурных и физико-химических свойств приводного и приземного аэрозолей летом 2024 г.: 1) в атмосфере котловины оз. Байкал с борта научно-исследовательского судна «Академик В.А. Коптюг», 2) на научном стационаре «Боярский» на юго-восточном побережье озера. Подтверждено, что при отсутствии дымовых шлейфов лесных пожаров пространственное распределение аэрозоля над акваторией озера, а также содержание черного углерода в составе частиц определяются расположением антропогенных источников. Впервые приведены характеристики гигроскопичности и летучести вещества аэрозоля в атмосфере оз. Байкал, зависящие от размера частиц. Установлено, что конденсационная активность аэрозоля над прибрежной зоной больше, чем над акваторией озера. Результаты исследований могут быть полезны при разработке региональных моделей атмосферного аэрозоля.

Для получения со-кристаллов разработано множество твердофазных или жидкофазных методов, однако их применение для создания лекарственных форм связано с трудностями контроля состава исходных смесей и необходимостью повышения точности дозировки. В настоящей работе представлен конденсационный метод генерации аэрозольных частиц со-кристаллов противотуберкулезного препарата изониазида с янтарной кислотой, позволяющий получить лекарственную форму для ингаляционного введения с высокой точностью контроля дозы. Ингаляционная доставка изониазида в форме со-кристалла может служить способом преодоления лекарственной устойчивости микобактерий туберкулеза за счет создания высокой локальной концентрации препарата непосредственно в пораженном органе. Исследована бинарная нуклеация паров изониазида и янтарной кислоты в горизонтальном проточном термоконденсационном генераторе. Зону нуклеации находили методом отсечки пересыщенного пара. Состав полученных со-кристаллов определяли полнопрофильным рентгенофазовым анализом. Подобраны условия для получения со-кристаллов с высоким выходом, измерена скорость нуклеации. Определена доза, доставляемая лабораторным животным при оптимальных условиях нуклеации. Результаты исследования позволяют разработать лекарственные формы для ингаляционного введения с высокой точностью контроля дозы при лечении туберкулеза легких, в том числе лекарственно-устойчивых форм этого заболевания.

Качество атмосферного воздуха во многих городах Сибири является неудовлетворительным, поэтому необходимо исследовать причинно-следственные связи между природными факторами и уровенем антропогенного загрязнения. Представлены результаты исследования процессов длительного загрязнения атмосферы г. Читы и влияния на них штилевых условий. Проанализированы линейные корреляционные связи между среднемесячными концентрациями бенз(а)пирена на шести стационарных постах мониторинга Росгидромета для холодных периодов 2020/21 г. и 2023/24 г. Показано, что, как правило, среднемесячные концентрации пропорциональны друг другу для любой пары постов. Исследованы связи уровней концентраций бенз(а)-пирена со штилевыми условиями. Выявлена корреляция высоких его концентраций с повторяемостью штилей в зимние периоды. Установленные статистические связи позволяют осуществлять внешний контроль результатов наблюдений на стационарных постах мониторинга города и оценивать эффективность мероприятий по улучшению качества атмосферного воздуха, а также численно восполнять пропуски в данных наблюдений, выявлять дополнительную эмиссию источников бенз(а)пирена.

Предложена математическая модель воздействия верховых лесных пожаров на здания. На ее основе выполнены численные расчеты для определения безопасных расстояний между лесными массивами, подверженными лесным пожарам, и строениями с учетом таких факторов, как скорость ветра, размеры зданий и др. Модель учитывает тип и свойства растительности, геометрические характеристики лесных массивов, их влагосодержание и запасы горючих материалов. Для получения дискретного аналога для системы дифференциальных уравнений использован метод конечных объемов. В результате определены максимальные расстояния между лесом и строениями, на которых возможно их возгорание от лесных пожаров. Установлено, что чем больше возможная скорость ветра и чем выше здание, тем больше безопасное расстояние между лесом и зданием. Предложенная модель может быть использована для численных расчетов, направленных на обеспечение противопожарной безопасности при проектировании и строительстве объектов вблизи лесных массивов с учетом их индивидуальных характеристик.