[ «ОТЧЕТ О НАУЧНОЙ И НАУЧНО-ОРГАНИЗАЦИОННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ за 2012 год Утверждаю Директор института, д.ф.-м.н. _В.А.Крутиков Томск-2013 СОДЕРЖАНИЕ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА I 2 Научно-организационная деятельность ИМКЭС ...»
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
НАУКИ ИНСТИТУТ МОНИТОРИНГА КЛИМАТИЧЕСКИХ И
ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК
ОТЧЕТ
О НАУЧНОЙ И НАУЧНО-ОРГАНИЗАЦИОННОЙ
ДЕЯТЕЛЬНОСТИ за 2012 год
Утверждаю
Директор института, д.ф.-м.н.
_В.А.Крутиков Томск-2013
СОДЕРЖАНИЕ
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА
I 2 Научно-организационная деятельность ИМКЭС 1.1 Результаты научно-исследовательских работ 1.2 Краткие аннотации научно-исследовательских работ, выполненных по базовым проектам СО РАН Краткая аннотация по проекту № 16.10 по программе РАН 1.2.2 Краткие аннотации по интеграционным проектам СО РАН 1.2.3 Краткие аннотации по грантам РФФИ 1.2.4 Отчет СЦ КЛИО 1.2.5 1.2.6. Информация по отчетам по экспедициям и стационарамНАУЧНО-ОРГАНИЗАЦИОННАЯ РАБОТА
II Деятельность Ученого совета 2.1 Кадры 2.2 Характеристика Международных научно-технических связей 2.3 Итоги научной деятельности 2.4 Официальное признание 2.5ФИНАНСОВО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ
IIII НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА
1.1. НАУЧНО-ОРГАНИЗАЦИОННАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ.Научный руковоПрограммы, гранты дитель, ответственный исполнитель Программа Сибирского отделения РАН Проект VII. 63. 1.1. Исследование динамических характери- чл.-корр. РАН стик климато-образующих атмосферных и гидросферных М.В.Кабанов, процессов. д.ф.-м.н.
№ гос. рег. 01201052575 И.И.Ипполитов Проект VII.63.1.2. Развитие информационно-измерительных д.ф.-м.н.
технологий и разработка алгоритмов многомерного анализа В.А. Крутиков.
для мониторинга и моделирования природно-климатических изменений.
№ гос. рег. Проект VII.63.1.3. Трансформация энергетических характери- д.г.н., проф.
стик геосистем в условиях глобальных климатических изме- А.В.Поздняков, нений. к.г.н.
№ гос. рег. 01201051562 О.Г.Невидимова Проект VII.63.1.4. Экосистемные изменения на ландшафтных д.г.н. А.Г.Дюкарев, и климатических границах в условиях глобального потепле- д.б.н. Е.Е.Тимошок ния № гос. рег. Проект VII.63.3.1. Вулканогенные возмущения атмосферы и чл.-корр. РАН изменения климата Сибири и субарктики: современное со- В.В. Зуев.
стояние и палеореконструкция.
№ гос. рег. Проект VII.66.1.2. Развитие физических методов и техниче- д.т.н.
ских средств для мониторинга окружающей среды и обеспе- А.А.Тихомиров чения безопасности населения.
№ гос. рег. Проект VI.44.2.6. Структура биологического разнообразия в д.г.н. А. Г.Дюкарев, № гос. рег. Проект IV.31.2.7. Веб-система для вычисления климатических д.ф.-м.н.
характеристик и анализа глобальных и региональных клима- Е.П.Гордов тических изменений.
№ гос. рег. Программа Президиума РАН № 4.2 «Природная среда России: адаптационные процессы в условиях изменяющегося климата и развития атомной энергетики». Координатор: ак. Лаверов Н.П.
Проект 10 «Комплексный мониторинг современных климати- чл.-корр. РАН ческих и экосистемных изменений в Сибири» М.В.Кабанов, д.ф.м.н. В.А.Крутиков Интеграционные междисциплинарные проекты СО РАН Проект № 46. «Нелинейные халькогенидные кристаллы для д.ф.-м.н.
сверхширокополосных преобразователей лазерных частот». Ю.М.Андреев Координатор: чл.-корр. РАН В.В.Зуев, ИМКЭС СО РАН.
№ гос. рег. Проект № 69. «Интегрированные исследования климатиче- к.ф.-м.н.
ских, гидрологических и экосистемных процессов на террито- Е.А.Дюкарев рии болот Западной Сибири». Координатор: чл.-к. РАН М.В.Кабанов, ИМКЭС СО РАН.
№ гос. рег. Проект № 70. «Анализ и прогноз проявлений вынуждающего к.г.н. А.И.Кусков воздействия в ритмике метеорологических полей северного полушария Земли». Координатор: д.ф.-м.н. В.А.Крутиков, ИМКЭС СО РАН.
№ гос. рег. Проект № 112. «Развитие методов дифракционной и кон- д.ф.-м.н.
формной оптики для контроля и управления параметрами В.А.Тартаковский волновых фронтов мощных лазерных систем». Координатор:
д.т.н. А.Г.Полещук, ИАиЭ СО РАН.
Проект № 131. «Математическое и геоинформационное моде- д.ф.-м.н.
лирование в задачах мониторинга окружающей среды и под- Е.П.Гордов держки принятия решений на основе данных стационарного, мобильного и дистанционного наблюдения». Координатор:
академик Ю.И.Шокин, ИВТ СО РАН.
Проект № 140 « Структура и климатически обусловленная к.б.н. Е.А.Петрова динамика разнообразия 5-хвойных сосен России». Координатор: д.б.н. С.Н.Горошкевич, ИМКЭС СО РАН.
№ гос. рег. Проект № 144 «Криогенные ресурсы Арктики и Субарктики: д.б.н.
состояние и структура криолитозоны, физико-химическое мо- Т.А.Бляхарчук делирование и биологический потенциал криогенных систем». Координатор: академик В.П.Мельников Совместные проекты фундаментальных исследований Проект № 34. «Химия органических соединений торфа в связи к.б.н. Ю.И.Прейс с процессами формирования, развития, нарушения и восстановления болотных экосистем». Руководитель проекта: д.х.н.
О.В.Серебренникова, ИХН СО РАН Проект № 10-04-01497/а. "Филогенетическая дивергенция и д.б.н.
адаптивная конвергенция в эволюции сосновых (на примере С.Н.Горошкевич прямостоячих лесных и стелющихся субальпийских видов)" Проект № 10-04-01616/а. "Исследование филогеографии со- к.б.н.Е.А.Петрова сны кедровой сибирской (Pinus sibirica Du Tour) на основании анализа изменчивости цитоплазмических геномов" Проект № 10-05-00568/а. "Сравнительные исследования ден- чл.-корр. РАН дрохронологий трития различных видов древесной расти- М.В.Кабанов тельности южно-таежной подзоны Западной Сибири" Проект № 10-07-00547/а. "Информационно-вычислительная д.ф.-м.н.
система для обработки и анализа больших архивов простран- Е.П.Гордов ственно распределенных данных" Проект № 11-05-00227/а «Исследование отклика углеродного к.б.н.
баланса болотных экосистем разного размера на изменение Е.А.Головацкая климата и антропогенное воздействие»
Проект № 11-05-01190/а «Мониторинг и моделирование ди- к.т.н.
намики парниковых газов в региональной климатической сис- И.Г.Окладников теме Западной Сибири»
Проект № 11-05-98062/р_сибирь_а «Разработка и исследова- к.т.н.
ние алгоритмов пространственно-временного прогнозирова- В.А.Корольков ния возникновения и развития опасных метеорологических ситуаций и создание макета региональной измерительновычислительной системы для их реализации»
Проект № 12-04-00801/а «Механизмы экспансии и роль инва- к.б.н. С.А.Кривец зийных насекомых-дендрофагов в современных сукцессионных процессах в сибирской тайге»
Проект № 12-04-01154/а «Почвы замкнутых понижений се- д.г.н. А.Г.Дюкарев верной лесостепи и юга таежной зоны Западной Сибири: экология, генезис, классификация»
Проект № 12-04-10089/к «Организация и проведение ком- к.б.н. С.А.Кривец плексной экспедиции «Механизмы экспансии и роль инвазийных насекомых-дендрофагов в современных сукцессионных процессах в сибирской тайге»
Проект № 12-04-10138/к «Организация и проведение экспе- д.б.н.
диционных исследований филогенетической дивергенции и С.Н.Горошкевич адаптивной конвергенции в эволюции сосновых (на примере прямостоячих лесных и стелющихся субальпийских видов)»
Проект № 12-04-10146/к «Организация и проведение экспе- к.б.н. Е.А.Петрова диционных исследований филогеографии сосны кедровой сибирской (Pinus sibirica Du Tour) на основании анализа изменчивости цитоплазматических геномов»
Проект № 12-05-06035/г «Организация и проведение Между- чл.-корр. РАН народного совещания «Экстремальные проявления глобаль- В.В.Зуев ного изменения климата на территории Северной Азии»
Проект № 12-05-09228/моб_з «Участие в международной к.т.н.
конференции European Geosciences Union General Assembly» Т.М.Шульгина (2 устных доклада) Проект № 12-05-06073/г «Организация и проведение VIII чл.-корр. РАН Всероссийского симпозиума «Контроль окружающей среды и М.В.Кабанов климата»
Проект № 11-05-08352/з Участие в конференции American Титов А.Г.
Geophysical Union Fall Meeting Проект № 12-05-09228/моб_з Научный проект «Численное Шелехова Е.А.
моделирование доплнровских измерений для схемы из двух лидаров» для представления на научном мероприятии "SPIE Remote Sensing 2012" Проект № 12-05-09363/моб_з Научный проект: "Особенности к.г.-м.н. Е.Е.Ляпина накопления ртути разновозрастной хвоей" для представления на VII Международной научно-практической конференции "Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде" Проект № 12-02-31154/мол_а Научный проект "Исследование к.т.н. Д.С.Раков канала распространения звуковых волн в пределах прямой видимости" Проект № 12-04-31051/мол_а Научный проект "Влияние се- к.б.н. И.В.Курьина зонной ритмики основных климатических параметров на структуру сообществ болотных раковинных амеб" Проект № 12-04-31340/мол_а Научный проект "Возможность, к.б.н.
характер и некоторые последствия генетического взаимодей- Г.В.Васильева ствия между видами с разной степенью родства (на примере 5-хвойных сосен)" Проект № 12-05-31392/мол_а Научный проект "Реконструк- к.б.н.
ция истории формирования грядово-мочажинного болотного Е.Э.Веретенникова комплекса в голоцене (на примере Бакчарского болота, южнотаежная подзона Западной Сибири)"
1.2. РЕЗУЛЬТАТЫ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ
1.2.1. РАБОТЫ, ВЫПОЛНЕННЫЕ ПО ПРОГРАММАМ СО РАН Проект VII.63.1.1. исследование динамических характеристик климатообразующих атмосферных и гидросферных процессов.
ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
1. В результате многолетних натурных исследований биологической продуктивности и эмиссии СО2 с поверхности олиготрофных болотных экосистем выявлено, что при высокой межгодовой вариабельности углеродного баланса в период с 1999 по 2011 гг., для исследуемых болотных экосистем отсутствуют значимые тренды его изменений, при выявленных значимых изменениях температуры воздуха (понижение) и количества атмосферных осадков (повышение).Высокая межгодовая вариабельность баланса углерода обусловлена межгодовой изменчивостью чистой первичной продукции – коэффициент корреляции (r) между продукцией и балансом углерода равен 0,9. Дисперсия чистой первичной продукции в 8-15 раз выше по сравнению с дисперсией эмиссии углерода.
2. По данным инструментальных наблюдений на территории Западной Сибири установлено, что в зимние месяцы начала XXI века тренды среднемесячных приземных температур изменились от положительных (потепление) к отрицательным (похолодание) при положительном тренде среднемесячного давления. Согласованные пространственные распределения трендов температуры и давления указывают на развитие процессов блокирования югозападных воздушных масс и вторжение холодного арктического воздуха как на главный фактор, объясняющий такую изменчивость, так как значимых изменений радиационного и теплового баланса на подстилающей поверхности не выявлено.
На поясняющем рисунке приведен межгодовой ход температуры приземного воздуха T (верхняя панель) и давления P (нижняя панель) в феврале для территории Западной Сибири за период 1975-2011 гг.
Данные сглажены с применением фильтра низких частот, рассчитанного по основным информационно-обеспеченным частотам, определенных по спектру Фурье. Начало XXI века характеризуется уменьшением температуры приземного воздуха и ростом давления. Для декабря и января наблюдается подобное поведение.
3. По результатам синхронных инструментальных наблюдений атмосферноэлектрических параметров и концентрации дымового аэрозоля в приземном слое от удаленных лесных пожаров впервые обнаружен эффект суточных инверсий (см. рис.) напряженности электрического поля с колебаниями от В/м (днем) до -300 В/м (ночью).
Обнаруженный климатически значимый эффект, влияющий на аэрозолеобразующие и вегетационные процессы, можно объяснить формированием отрицательно заряженного дымового слоя в нижней его части.
На поясняющем рисунке приведены временные вариации напряженности поля E (верхняя панель) и коэффициента рассеяния (нефелометрические данные, нижняя панель) во время мощных удаленных лесных пожаров. Данные сглажены часовым фильтром. Из рисунков видно, что в период максимального задымления (24-26 июля 2012 года) в ночные часы происходит инверсия направления электрического поля, в дневные часы инверсия разрушается конвективными движениями воздуха в приземном слое.
Вариации электрических параметров атмосферы получены в ИМКЭС СО РАН, величины коэффициента рассеяния – в ИОА СО РАН.
Полный заключительный отчет в соответствии с требованиями отправлен ЦИТиС.
Проект VII.63.1.2. Развитие информационно-измерительных технологий и разработка алгоритмов многомерного анализа для мониторинга и моделирования природно-климатических изменений.
ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
1. Внешнее вынуждающее воздействие, в соответствии с природой своих составляющих, инициирует в оболочках Земли различные процессы, которые можно соотнести с физико-географической иерархией и расценивать как глобальные, региональные, локальные и индивидуальные. При этом полагается, что на заданном уровне иерархии отдельные процессы отличаются по энергии, но имеют схожие существенные признаки, частично сохраняют свой функциональный вид, изменяются в какой-то мере согласованно. Наличие согласованности отдельных составляющих процессов расценивается как присутствие полезного сигнала, т.е. проявления вынуждающего воздействия на данной территории. Другие, функционально не схожие, составляющие рассматриваются как особенности нижних уровней иерархии и играют роль шума по отношению к полезному сигналу.Предложенный нами подход к анализу согласованного поведения на основе выделения существенных признаков оказался эффективным. Анализ эмпирических рядов стал более объективным в результате формального определения согласованного поведения природно-климатических процессов и применения нового алгоритма совместной фильтрации. Этим путем был обнаружен и выделен из древеснокольцевых хронологий общий сигнал, связанный с действием климатических факторов. Все реализации общего сигнала в остаточных локальных хронологиях значимо коррелируют между собой по Пирсону.
ТАБЛИЦА
РАЗНОВОЗРАСТНЫЕ ДРЕВОСТОИ
На данном этапе, впервые, на основе достаточно сильных корреляционных связей (см. таблицу), можно утверждать, что температура воздуха и количество выпадающих осадков, синхронизируют рост деревьев даже в пределах территорий с оптимальными условиями вегетации. При этом вторую половину XX в. (1956на юге Томской области та часть прироста сосны, которая зависит от изменчивости параметров климата, достигает наибольших величин в годы с относительно теплой и снежной зимой, теплыми и сухими переходными периодами, прохладным и влажным летом.2. Разработан и реализован совместно с ИОА СО РАН оригинальный алгоритм обработки данных акустического зондирования атмосферы с учетом турбулентного ослабления звука по трассе распространения до зондируемого объема и обратно, позволяющий впервые одновременно восстанавливать вертикальные профили структурных характеристик температуры и скорости ветра и исследовать их взаимосвязь.
В реальном масштабе времени проводится синхронная визуализизация структуры как температурной, так и ветровой турбулентности в нижнем 200-м слое атмосферы, что может быть использовано для повышения безопасности взлета и посадки самолетов.
На факсимильной записи температурной стратификации атмосферы (рисунок 2.1а) отчетливо видна перьевая структура, характерная для условий дневной конвекции, верхняя граница которой подвержена квазипериодическим колебаниям и имеет выраженную тенденцию к увеличению высоты за период наблюдения.
Величины поперечной (рисунок 2.1б) и продольной (рисунок 2.1в) структурных функций в м2/с2 указаны справа от рисунков. Видно, что поперечная структурная функция много меньше продольной, что указывает на сильную анизотропию атмосферных флуктуаций в продольном и поперечном направлении и сдавливании мелкомасштабной турбулентности в вертикальном направлении. Поведение продольной структурной функции также характеризует динамику высоты слоя перемешивания h.
Рис. 2.1 – Динамика структуры температурной и ветровой турбулентности в нижнем 200-метровом 3. Разработана пространственно-временная модель заболачивания и растительного покрова южнотаежного водораздельного олиготрофного Иксинского болота, являющегося климатогенным типом болотных массивов лесной зоны Западной Сибири. Выявлено преобладание автохтонного характера заболачивания, влияние криогенных процессов на глобальное заболачивание водораздела.
На основе анализа палеоклиматических характеристик в виде пространственнораспределённых карт-схем с привязкой к ландшафтным характеристикам и параметрам обводнённости территории разработана пространственно-временная модель растительного покрова южно-таежного водораздельного олиготрофного Иксинского болота, являющегося климатогенным типом болотных массивов лесной зоны Западной Сибири.
Для определения интерполяционных возрастов слоев недатированных торфяных разрезов предложено использовать данные по их кумулятивной массе, скорости аккумуляции соответствующих видов торфа и с учетом возраста ПСР датированных разрезов-аналогов.
Модель создана по базе данных детальной геологической разведки свойства торфов (441 пункта отбора проб торфа) и 25-ти датированным разрезаманалогам авторской базы данных и из литературных источников. Состоит из хроносрезов (7200, 6500, 5600, 5100, 4300, 3700, 3000, 2600, 2400, 1950 лет назад (л.н.), современный период) и содержит информацию о 12 типах палеофитоценозов реконструированных по ботаническому составу торфа.
Рис. 2.2 – Хроносрезы пространственно-временной модели растительного покрова Иксинского болота.
Условные обозначения: 1 – минеральное дно и суходолы, современные и палеофитоценозы: евтрофные:
2 – облесенные сообщества, 3 –травяные сообщества, мезотрофные: 4 – облесенные сообщества, 5 – осоково-сфагновая топь, 6 – пушицево-сфагновая топь, 7 –шейхцериевосфагновая топь, олиготрофные: 8 - рослый рям, 9 – пушицево-сфагновый, 10 – фускум, низкий рям, 11 – магелланикум, мозаичная топь, 12 – шейхцеривая топь, 13 – озеро.
Основная площадь Иксинского болота сформировалась в суббореальный период (с 4300 до 3600 л.н.), в условиях направленного похолодания климата голоцена.
Широкое распространение многолетней мерзлоты (ММ) при похолоданиях, вызывавшей автохтонное мезотрофное и олиготрофное заболачивание карбонатных грунтов повышений рельефа, и высокая обводненность всей территории при деградации ММ в периоды последующих потеплений, благоприятствовали активному развитию болотообразательного процесса на разных элементах мезо- и микрорельефа, что, в условиях часто происходивших смен климата и привело к формированию обширной болотной системы, занимающей практически весь водораздел.
Широкое же распространение и неоднократное (4300, 3000, 2100 л.н.) влияние процессов криогенного прекращения аккумуляции торфа обусловило значительно меньшую толщину торфяных отложений по сравнению с болотами нарымского типа (Бронзов, 1930), имеющими слабый отклик на климатические изменения и эндогенный путь развития.
4. Оценка индикаторной значимости раковинных амеб при реконструкции климатических условий.
В двух торфяных разрезах одного болотного массива выявлена высокая степень сходства видового состава сообществ раковинных амеб, динамики их отдельных показателей (плотности сообществ, соотношения экологических групп) и значений реконструированного по видовым оптимумам раковинных амеб уровня болотных вод. Это является отражением общих изменений условий среды в голоцене в период формирования отложений болота Темное.
Глубина уровня болотных вод, см Рис. 2.3 – Динамика реконструированных по видовым оптимумам раковинных амеб значений уровня болотных вод в торфяных разрезах Темное-1 и Темное- Обнаружены новые виды–индикаторы катастрофических резких изменений условий среды: Cryptodifflugia minuta и Schoenbornia smithi, что подтверждает предположение о том, что индикационное значение имеет не определенный вид тестацей, а изменение структуры палеосообщества раковинных амеб, выраженное в чрезмерной степени доминирования отдельных видов, а также экологические свойства данных эудоминантов.
5. Проведена оценка согласованности рядов оценочных характеристик климатических процессов с выделением локальных и глобальных составляющих.
Согласованность температурного поля на территории Алтайского региона Изменения термического поля в Алтайском регионе происходят синхронно с наибольшей сопряженностью изменчивости внутри районов, соответствующих выделенным классам в полях температуры.
Рисунок 2.4 – Распределение районов с повышенной синхронностью термического поля в Алтайском регионе В поле средней температуры Алтайского региона выделено 4 класса станций, имеющих выраженную географическую локализацию.
Наличие районов с максимальной синхронностью подтверждает общность факторов, формирующих изменения температуры на этих территориях.
Проведенная классификация позволяет выявлять мезомасштабные особенности теплового режима региона и выделять естественные области, в которых отмечается схожий характер динамики соответствующих климатических характеристик.
6. Продолжена разработка и оптимизация методологии и технологии использования автономных инструментальных систем регистрации, сбора, хранения и передачи данных измерений параметров состояния и динамических характеристик климато-экологическических процессов.
Для расширения измерительных возможностей разработан датчик проводимости (ДП), предназначенный для мобильных и стационарных долговременных автоматических измерений проводимости воды и почвы. Основное отличие от уже существующих измерителей состоит в сочетании высокой надёжности, низкого потребления и приемлемых точностных характеристик.
Разработана методика индивидуальной калибровки датчиков температуры, которая позволила достичь гарантированной точности измерения температуры в 0,1 °С. При этом по данным проведенных натурных испытаний, эти полупроводниковые сенсоры температуры в составе разработанных тепло-влагомерных зондов сохраняют свои технические характеристики на протяжении более 5 лет.
Изготовлено и установлено на различных ключевых участках исследования 17 программно-управляемых измерителей.
Разработано программное обеспечение для микроконтроллера автономного измерителя, для системы сбора и хранения данных, для системы передачи данных от распределённых информационно-измерительных блоков, включающих сотовый GPRS модем и другие виды связи.
7. Развитие технологии ОНЧ мониторинга и разработка алгоритмов обнаружения неустойчивого состояния участков приповерхностных слоев земной коры и активизации геодинамических подвижек. Исследование электромагнитных признаков изменения ритмов движения земной коры и связанных с ними нарушений сейсмического режима контролируемых территорий.
Спектральный анализ многолетних временных рядов ЕИЭМПЗ и сейсмичности позволил заключить, что ритмы земной коры вызваны двумя процессами: суточным и годовым вращением Земли и эксцентричным смещением внутреннего твердого ядра Земли относительно центра планеты. Стабильность вращения Земли обеспечивает стабильность обнаруженных ритмов, точное совпадение спектральных полос геофизических полей со спектральными характеристиками вращения Земли.
Обнаружено совпадение спектрального состава ЕИЭМПЗ и сейсмичности с приливными волнами солнечного происхождения, подавление лунных компонент.
Наиболее важные аргументы в пользу гипотезы о смещении ядра Земли и его роли в формировании периодических литосферных волн были получены нами при изучении внутрисуточных вариаций и спектрального состава ЕИЭМПЗ и сейсмичности.
Показано, что внутреннее ядро в течение года никогда не бывает в геометрическом центре планеты. Оно совершает пульсирующее движение вблизи центра по некоторой замкнутой орбите. Плоскость орбиты ядра перпендикулярна к плоскости экватора и составляет 450 к направлению на Солнце и к направлению орбитального движения Земли вокруг Солнца.
Предложены механизмы, объясняющие вышеперечисленные закономерности суточных и сезонных вариаций электромагнитных шумов Земли. Глубинные волновые процессы возникают в результате эксцентричного вращения внутреннего ядра и оболочки Земли. Возникающие при этом возмущения в расплаве жидкого ядра распространяются до внешней поверхности Земли в виде волновых процессов с суточными и годовыми периодичностями. Направление распространения волновых процессов меняется на противоположное в апреле и октябре. Показана важная роль этих процессов в сейсмичности Земли, динамике геофизических процессов в литосфере, а также возможность использования выявленных закономерностей в виде способов геофизической разведки, изучения и картирования территорий с повышенной геодинамической активностью. Предложенные методы использованы для выявления геодинамически опасных участков на действующих и строящихся нефте- и газопроводах, при выборе участков под бурение промысловых скважин и площадок для строительства объектов повышенной опасности. Так? с 20 по 28 августа по трассе магистрального газопровода «УКПГ-2 Нижне-Кванчинского ГКМ – АГРС г. Петропавловска-Камчатского» от 0 до 270 км выявлены и картированы участки вероятных проявлений опасных геологических процессов.
Создана система контроля и прогноза геодинамических процессов на сети станций МГР-01. В 2010 году система переведена на передачу данных мониторинга на сервер ИМКЭС СО РАН На основе многолетних измерений электромагнитных шумов Земли установлено:
явные признаки волнового характера возмущений, формирующих суточные вариации электромагнитных шумов;
существование определённого направления распространения глубинных литосферных возмущений, меняющихся в апреле и октябре;
наличие характерных часов внутри суток, приблизительно в 2; 6, 16, 18 часов, во время которых происходят явные изменения в динамике процессов;
наличие вертикальных и горизонтальных осей симметрии отдельных участков суточного хода электромагнитных шумов Земли друг относительно друга;
максимальная разница в форме суточных ходов наблюдается между зимними и летними днями, минимальная между апрелем и октябрём.
для любых месяцев года максимальные значения электромагнитных шумов внутри суток в несколько раз превышают минимальные значения.
Полный заключительный отчет в соответствии с требованиями отправлен ЦИТиС.
Проект VII.63.1.3. Трансформация энергетических характеристик геосистем в условиях глобальных климатических изменений.
ОСНОВНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ
БЛОК № 1. Исследование энергетического баланса высокогорных геосистем ЮгоВосточного Алтая (на примере горно-ледникового бассейна р. Актру) Морфометрический анализ рельефа на основе разработанной оригинальной легенды к картам геоморфодинамики (Поздняков А.В., 2005) с дополнениями, необходимыми для оценки энергетического бюджета геоморфосистем позволил составить крупномасштабную карту динамики современного рельефообразования горноледникового бассейна р. Актру, на которой отображена направленность современных геоморфологических процессов, а также расходы вещества в них.Новизна данной методики составления карты характеризуется следующим:
1) содержатся сведения о количественной величине расхода вещества в литопотоках; 2) в количественной форме представляется информация о скорости и направлении процессов рельефообразования; 3) приводится количественная характеристика изменения в пространстве границ геоморфосистем; 4) отражается граница, на которой баланс расхода вещества равен нулю, то есть динамически равновесная граница (приходная P и расходная Q части равны).
В основу положена идея о рельефообразующих литодинамических потоках.
При составлении карты геоморфодинамики Актру в основу была положена топографическая карта масштаба 1:25000, материалы аэрофотосъёмки, и космические снимки. Морфометрические характеристики форм рельефа определялись с использованием SRTM матриц. В качестве программного обеспечения мы использовались современные ГИС продукты MicroDEM Terrabase II, и MapIfo Professional.
Значимость. На основе приведённой легенды возможно составление карт эколого-геоморфологического районирования территории с выделением опасных рельефообразующих процессов, скорости их протекания и пространственного распространения. Графическое отображение опасных рельефообразующих процессов позволяет выявить геоморфологически обусловленные риски при хозяйственном освоении территории, а также оценить влияние антропогенной деятельности на геоморфосистемы различного ранга.
Таким образом, подобное картографическое отображение динамики массо- и энергообмена в современных экзогенных процессах позволяет раскрывать закономерности формирования как всей геоморфосистемы, так и ее элементов, что в свою очередь открывает возможность сценарных оценок.
БЛОК № 2. Энергетическая характеристика эколого-ресурсного потенциала территории Томской области.
Проведена комплексная оценка энергопотенциала отходов животноводства, твердых бытовых отходов (ТБО), осадка сточных вод (ОСВ); для территории Томской области подобные расчеты сделаны впервые.
Таблица.1 Оценка бионергетического потенциала отходов животноводства, ОСВ и ТБО по административным районам Томской области.
Административные Биоэнергия отходов Биоэнергия Биоэнергия В основу расчетов взят минимальный КПД биогазовых установок, составляющий 70%, следовательно, потенциальная биоэнергия при эксплуатации биогазовых установок будет составлять 0,7Е. (С. П. Вострецов, 2008). Из них 65% составляет теплоэнергия, а 35% – электроэнергия (таблица 2).
Таблица. 2 Оценка потенциальных возможностей производства электроэнергии и тепловой энергии при эксплуатации биогазовых установок Предложенная методика позволила районировать территорию Томской области по степени обеспеченности ее биоэнергетическим потенциалом. Томская область обладает высоким биоэнергопотенциалом, характеризующемся неоднородностью его качественных и количественных характеристик (от 39 до 236 ТДж в год).
На территории области выделяются две основные группы районов: районыдоноры и районы-потребители. Районы-доноры имеют значительные потенциальные биоэнергетические ресурсы для удовлетворения собственных потребностей в электроэнергии, а также возможности передачи части энергии в соседние районы.
Таким образом, дополнительный источник электроэнергии в виде биогаза позволит повысить энергетическую независимость, экономическую стабильность, снизить негативное влияние на окружающую среду как районов-доноров (Бакчарский, Зырянский, Первомайский и Шегарский районы), так и покрыть большую часть энергорасходов районов-потребителей (Верхнекетский, Парабельский, Кривошеинский и Чаиский районы).
БЛОК № 3. Исследование механизмов адаптации высокогорных криогеосистем к изменениям климатических параметров в характерных зонах Алтае-Саянской горной области.
Разработана методика комплексной прогнозной оценки степени устойчивости плотин подпрудных приледниковых озер.
Основу методики прогноза составляет анализ разновременной аэрокосмосъемки, электрического и GPR зондирования, автоматического гидрометрического регистрирования физического состояния слагающих плотины грунтов.
Методика предусматривает последовательное решение следующих задач:
Предварительная инвентаризация, ретроспективный анализ и обобщение имеющихся материалов по приледниковым озерам исследуемого района, систематизация данных по морфометрии, морфологии и генезису обследованных водоемов;
Геоинформационное картографирование эталонных приледниковых озер по материалам аэрофотосъемки, результатов полевых работ;
Анализ условий, факторов и процессов формирования озерных котловин;
Оценка современного состояния моренно-ледниковых комплексов и приледниковых озер Юго-восточного Алтая с определением степени их прорывоопасности;
Изучение возможных механизмов прорыва приледниковых водоемов с определением и расчетом критических характеристик.
Разработанная методика показала высокую эффективность. При её аппробации ряду приледниковых озер (Софийское, Григорьева, Маашейское) был присвоен ранг высокой степени прорывоопасности и сделан прогноз о вероятном спуске Маашейского озера в течение ближайших 1-2 лет (2012-2013 г.г.).
Термоэрозионное разрушение плотины и катастрофический спуск Маашейского озера произошел 17 июля 2012 г. Сформировавшимся при прорыве озера водно-каменным селем нанесен ущерб инфраструктуре Улаганского района, глубокой переработке подвергнулся рельеф в нижнем бьефе водоема.
Маашейское озеро. Июль 2011 г. Котловина Маашейского озера после Установленные в 2011 г. зоны Место прорыва плотина. 2012 г.
предполагаемой разгрузки Полный заключительный отчет в соответствии с требованиями отправлен ЦИТиС.
Проект VII.63.1.4. Экосистемные изменеия на ландшафтных и климатических границах в условиях глобального потепления.
Динамические и эволюционные процессы на южных границах современной тайги.
ВАЖНЕЙШИЙ РЕЗУЛЬТАТ
Выявлено, что на южных границах таежной зоны при относительной стабильности летних температур (13-16оC) и высокой вариабельности увлажнения (110-400 мм), формируются сложные по составу фитоценозы отражающих вероятностную структуру погодных условий. В автономных местоположениях структура растительных сообществ представлена видами, относящимися к разным экологическим группам – от ксерофитов до гидрофитов. При заболачивании территории в составе растительности увеличивается доля гидрофитов и ослабляется связь с атмосферным увлажнением.Рис. 4.1. Экологическая емкость автоморфных местообитаний (А) и лесной части лесоболотного экотона (В). Экологические группы: КМ – ксеромезофиты; эМ – мезофиты; ГМ – гидромезофиты; ГмГ – гемигидрофиты; ГпГ – гипогидрофиты.
А – осиново-березовые разнотравно-осочковые леса; В – березняки осоково-вейниковые.
Территория южной тайги, на которой проводились исследования, характеризуется высокой динамичностью погодных условий и прогрессирующим заболачиванием. При относительной устойчивости температур вегетационного периода здесь высока вариабельность летних осадков. Механизмы адаптации растительных сообществ к изменчивости режима увлажнения заключатся в формировании сложных сообществ, включающих виды с различными границами экологического оптимума. Так, в автоморфных местообитаниях формируются фитоценозы, в составе которых наряду с доминированием мезофитов отмечаются как довольно сухолюбивые виды (ксеромезофиты), так и влаголюбивые (гидромезофиты и гемигидрофиты). В лесоболотных экотонах, находящихся на разных стадиях гидроморфной трансформации, наблюдается увеличение доли видов, чей экологический оптимум приходится на сырые местообитания (гипогидрофиты).
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Экосистемные изменения в зонах раннего отклика на глобальное потепление 1. На основе оценки состояния важнейших индикаторных видов – кедра сибирского и лиственницы сибирской на верхней и нижней ландшафтной и климатической лесных границах в периоды «климатической нормы» (1951гг.) и современного потепления (на Алтае с 80-х годов XX в.) установлено, что на нижней границе отклик на потепление проявился в снижении радиального прироста и возобновления; на верхней границе существенного отклика не выявлено.Проведенные исследования показали, что в периоды «климатической нормы» и современного потепления, радиальный прирост деревьев кедра и лиственницы в первый период на нижней границе имеет положительный, во второй – отрицательный тренд (рис.4.2, А, 1, 2), что может быть связано со снижением увлажнения при повышении температуры воздуха. На верхней границе радиальный прирост обоих видов в эти периоды почти не изменяется.
В динамике важнейшего интегрального показателя состояния лесов - естественного возобновления, в период «климатической нормы» на обеих границах число молодых особей кедра увеличивалось, в период потепления – на нижней границе – снижалось, на верхней – стабилизировалось (рис.4.2, Б, 1,2). В рассмотренные периоды на верхней границе возобновление лиственницы практически отсутствовало, на нижней – в период потепления – существенно снижалось (рис.4.2, 2Б).
Динамика рассмотренных показателей может быть использована для биоиндикации изменений климата.
Рис. 4.2 Динамика прироста (А) и естественного возобновления (Б) и кедра и лиственницы на нижней (1) и верхней (2) климатической и ландшафтной границах.
Функционирование заболоченных ландшафтов при современной изменчивости погодных и климатических условий 2. На примере Бакчарского болота выявлено, что с завершением атлантического периода (около 5 т.л.н.) началось площадное заболачивание водоразделов. В период суббореального похолодания (от 4.5-3.5 т.л.н.) отмечается массовое возникновение низинных типов залежей в локальных понижениях склонов водораздела. Современный этап развития островных рямов укладывается в период от 2000 до 850 лет и характеризуется переходом к олиготрофной стадии развития. Скорость заболачивания территории - 2.5-5.0 см/год. Современная скорость накопления олиготрофного торфа зависит от уровня болотных вод. В островных рямах варьирует 0.27-0.33 мм/год, на обводненной периферии болотных массивов - 0,95-1,54 мм/год.
Рис.4.3. Возраст и приросты торфяной залежи болот на Бакчар-Иксинском междуречье Центральные части Васюганской равнины заняты в настоящее время болотными массивами со сложной структурой микроландшафтов. Дифференцированный подход к оценке заболачивания территории выявил, что заболачивание началось в узких истоках гидросети около 7-7.5 тыс. лет назад с формированием хвощевоосокового низинного торфа. В период от 5 тыс. лет назад отмечается слияние первичных очагов, формирование грядово-мочажинных комплексов, оформление вторичных топей и рослых рямов на периферии торфяников. Обширное площадное заболачивание водоразделов относится ко времени завершения атлантического оптимума. В период суббореального похолодания от 4.5-3.5 тыс лет назад в приболотном поясе водораздельных массивов в локальных понижениях отмечается массовое возникновение новых очагов, развившихся к настоящему времени в островные рямы. Заболачивание развивалось на фоне влажно-луговых сообществ с луговыми почвами и заболоченных редколесий. Современный этап развития болот приречных территорий характеризуется сменой экосистем путем автогенных сукцессий фитоценозов в результате нарастания торфа и смены типа питания, что в разных локальных условиях укладывается в период от 2000 до 850 лет. Скорость торфонакопления в современную олиготрофную фазу развития болот зависит от условий водного режима. Так накопление торфа на обводненной периферии массивов составляет 0,95-1,54 мм/год, в периферийных рямах - 0.45 мм/год, а в островных рямах - 0.27-0.33 мм/год. Накопление древесно-осокового торфа в заболоченных лесах составило 0.19-0.44 мм/ год. Горизонтальная скорость заболачивания определяется размером понижений и составляет 2.5-5.0 см в год. Слияние отдельных очагов привело к формированию современной картины в которой болотные массивы занимают до 60 %, заболоченные леса до 35%. На собственно автоморфные ландшафты остается не более 6% территории.
Научная новизна проведенных исследований заключается в том, что впервые исследованы тысячелетние, вековые и внутривековые циклы растительного покрова в центральном Алтае и на юге таежной зоны связанные с изменением климата.
Показана региональная синхронность изменений биотического компонента природной среды. В таежной зоне исследованы экотоны локального и ландшафтного уровня и их индикаторная роль в диагностики в болотообразовательного процесса, определено время активного заболачивания и скорость развития болотного процесса. Выявлена индикаторная роль фитоценозов в оценке изменчивости погодных и климатических условий.
Полный заключительный отчет в соответствии с требованиями отправлен ЦИТиС.
Проект VII.63.3.1. вулканогенные возмущения атмосферы и изменения климата Сибири и субарктики: современное состояние и палеореконструкция.
ОСНОВНОЕ ДОСТИЖЕНИЕ.
При моделировании прекращения океанического потока тепла в северной Атлантике в модели ECHAM5 получено среднеполушарное похолодание в январе к концу XXI века на 2.7 С, что превышает по абсолютной величине наблюдаемое потепление в 1.0 С за последние 50 лет, но уступает модельным оценкам антропогенного воздействия на климат (3.7 С к концу XXI века). С учетом завышенной чувствительности моделей антропогенного воздействия к изменениям концентрации парниковых газов можно ожидать, что прекращение океанического потока тепла в северной Атлантике приведет к похолоданию в Северном полушарии в конце XXI века даже при учете антропогенного воздействия на климат.Рис. 5.1. Изменения приповерхностной температуры в январе в экспериментах с обнулением потока океанической конвергенции тепла в Северной Атлантике относительно контрольного эксперимента.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.
1. Определение условий и механизмов, формирующих радиационный нагрев в слоях вулканогенного аэрозоля в стратосфере.В рамках решения этой задачи впервые была предложена новая модель вулканогенного аэрозоля в стратосфере сложного состава, включающего кроме традиционного сернокислотного аэрозоля углеродные наночастицы – «черный углерод».
В стратосфере вулканогенный «черный углерод» может существовать в виде стабильных нанодисперсных углеродных частиц (как сажевых, так и чисто углеродных), обеспечивая разогрев стратосферного воздуха. В то же время углеродная частица может находиться либо внутри сернокислотного аэрозоля, играя роль ядра конденсации, либо оседать на нем за счет коагуляции, обеспечивая эффективное поглощение сернокислотным аэрозолем коротковолновой солнечной радиации.
Источником вулканогенного аэрозоля в стратосфере являются газо-пепловые эруптивные колонны, формирующиеся при мощных извержениях плинианского типа и достигающие стратосферных высот. Время жизни относительно тяжелых пепельных частиц микронных размеров составляет несколько месяцев. Считается, что примерно через полгода после плинианского извержения в стратосфере сохраняется только субмикронный сернокислотный аэрозоль, который образуется в цикле окисления выброшенного вулканом сернистого газа SO2. Он представляет собой микрокапли 75% водного раствора серной кислоты. Этот аэрозоль обладает высокой плавучестью, время его жизни в стратосфере достигает нескольких лет.
2. Моделирование отклика климатических изменений в нижней тропосфере средних и высоких широт Северного полушария на увеличение температурных контрастов в стратосфере в результате ее вулканогенных аэрозольных возмущений.
Использовались модели ОЦА ИВМиМГ СО РАН и ECHAM5. Для учета вулканогенного разогрева тропической стратосферы оказалось наиболее удобным и эффективным использовать модель ИВМиМГ СО РАН. В поясе субтропических широт (20-30 с.ш., три модельные ячейки) на высоте 22-24 км внесен дополнительный источник тепла +2С.
Граничными условиями модели были данные стандартной атмосферы CIRAДлительность численного эксперимента составляла 18 модельных лет, из них лет в условиях дополнительного разогрева субтропической стратосферы и 10 лет с его отключением. Результаты моделирования оценивались на чувствительность:
разность данных экспериментальной модели и контрольной (без дополнительного разогрева).
Дополнительный разогрев тропической и субтропической стратосферы вызывает формирование и усиление климатических контрастных зон с появлением устойчивых очагов тепла в районе Чукотки и Камчатки. Усиление климатических контрастов является характерной особенностью современного периода. На основании результатов численного моделирования можно предположить, что значимую роль в этом оказала повышенная активность тропических вулканов во второй половине ХХ века, начиная с извержения вулкана Агунг в 1963 г. и, заканчивая извержением вулкана Пинатубо в 1991 г. Интересным является выделение очага тепла в районе Чукотки, который проявляется даже при десятилетним интегрировании результатов (9-18 годы). Именно в направлении от северного побережья Чукотки наблюдаются наиболее интенсивное таяние льдов Северного Ледовитого океана.
Таяние льдов вызывает опреснение верхних слоев арктических акваторий и изменения термохалинной циркуляции. Опреснение поверхностных вод в Атлантике приводит к ослаблению глубоководной конвекции и замедлению меридионального круговорота воды (МКВ). Такая тенденция воспроизводится современными климатическими моделями. При этом не исключается полная остановка МКВ и переход океанической циркуляции в другой устойчивый режим без МКВ и связанного с ним переноса тепла. Помимо возможности остановки МКВ, существует возможность полного прекращения притока океанического тепла в Баренцево море, связанная с положительной обратной связью между притоком тепла и границей распространения морского льда. Хотя оба этих сценария являются маловероятными, возможность их осуществления не исключена, в том числе и в современный климатический период при значительной естественной флуктуации климата (связанной, например, с Атлантическим долгопериодным мультидекадным колебанием) или сильным внешним воздействием (например, сериями вулканических извержений в тропическом поясе).
3. Экспериментальное исследование влияния повышенных доз УФ-В радиации на температуру поверхностного слоя воды.
При решении этой задачи основное внимание уделялось эффекту радиационного нагревания в УФ-В диапазоне спектра при поглощении радиации мицеллярными структурами, которые располагаются на границе воздух-вода. Мицеллярные структуры образуются в коллоидных растворах при превышении пороговых концентраций. В океане, который представляет собой природный коллоидный раствор, мицеллярные структуры могут формироваться растворенным органическим веществом (РОВ), активно поглощающем УФ-В солнечную радиацию.
Важно отметить, что состояние именно переходного слоя воздух-вода в океане в значительной степени отвечает за газообмен между этими средами. Можно предположить, что рост УФ-В радиации вследствие долговременной вулканогенной депрессии стратосферного озона в последней четверти ХХ века привел к повышению температур этого слоя и соответствующему снижению поглотительных свойств океана атмосферного СО2.
Температура переходного слоя слабо связана с температурой воды на глубине уже в нескольких сантиметрах. Отсутствие жесткой связи температуры переходной зоны и непосредственно воды может обуславливать существенную разницу при сравнении данных температурных зондов и данных радиационных измерений ТПО со спутников.
Заключение Обобщая результаты трехлетних исследований, можно сделать следующие выводы:
1. В рамках палеореконструкций осуществлен анализ 200- летнего ряда ОСО, реконструированного по обобщенной плотности годичных колец хвойных в субарктическом поясе широт. Результаты анализа показали, что аномальный спад ОСО в 90-х годах прошлого столетия обусловлен синергетическим эффектом. Он вызван нелинейным сложением отрицательных колебаний естественных циклов с отрицательным трендом ОСО, обусловленным длительной вулканогенной депрессией озоносферы. Извержение вулкана Пинатубо в 1991 году фактически пришлось на фазу максимума отрицательных колебаний, что и определило достижение отрицательного экстремума ОСО в 1993-1995 гг. Более мощное извержение вулкана Кракатау в 1883 году пришлось на фазу положительного естественного колебания ОСО, что значительно скомпенсировало проявление озоновой депрессии. Сопоставление хода ОСО и хронологий взрывных извержений показало, что отрицательные аномалии ОСО относительно гармонических колебаний связаны, в первую очередь, с увеличением частоты этих извержений, максимум которой пришелся на последнюю четверть ХХ века.
Выявленная связь поведения озоносферы и вулканогенных возмущений стратосферы определяет значительную роль мощных вулканических извержений в глобальном кругообороте углерода благодаря роли УФ-В радиации в функционировании биосферы, в первую очередь растительной биоты, и формировании температур поверхностного слоя океана.
2. При анализе современного состояния климата Сибири и Арктики выявлено, что после вулканогенных возмущений стратосферы значительно возрастает роль динамического фактора, отражающаяся в усилении корреляций зимних температур с индексами NAO и ОСО. Озон в нижней стратосфере средних и высоких широт является пассивным трассером стратосферной циркуляции, т.е. изменения ОСО можно рассматривать как индекс стратосферной циркуляции. Приземная январская температура характеризует изменчивость приземной тропосферной циркуляции. Таким образом, можно сделать важный вывод, что вулканогенные возмущения стратосферы приводят к возмущению общей циркуляции атмосферы (ОЦА), формируя значимую связь индексов циркуляции в стратосфере и нижней тропосфере. Эта связь значимо проявилась в численном эксперименте по созданию разогретого кольца в субтропической стратосфере, проведенном нами с помощью модели ОЦА ИВМиМГ СО РАН. Оказалось, что его разогрев в течение нескольких лет всего на 2С приводит к формированию довольно устойчивых контрастных климатических зон на территории Евразии, в том числе очага потепления в районе полуострова Чукотка, где наблюдаются основные потери морского льда.
Для объяснения длительного разогрева стратосферы внутри вулканогенных аэрозольных слоев нами впервые была предложена новая модель вулканогенного аэрозоля в стратосфере сложного состава, включающего кроме традиционного сернокислотного аэрозоля углеродные наночастицы – «черный углерод». Наши оценки показали, что в результате извержения вулкана Пинатубо в июне 1991 г. в тропическую стратосферу попало около 80 килотонн нанодисперсной сажи. Это обеспечило разогрев тропической стратосферы на уровне 30 мбар в среднем на 4°С в течение более, чем двух лет после извержения и понижение глобального ОСО со скоростью 2,5% за 10 лет.
3. Нами было проведено численное моделирование изменений климата в Северном полушарии при отключении океанического переноса тепла в северной Атлантике и Баренцевом море с помощью модели ECHAM5 совместно с термодинамической моделью верхнего перемешенного слоя океана Метеорологического института им. Макса Планка, Германия. Возможность остановки меридионального круговорота воды из-за опреснения северных морей тающим льдом не исключена, в том числе и в современный климатический период в результате сильного внешнего воздействия (например, сериями вулканических извержений в тропическом поясе). Результаты моделирования показали, что климат в Северном полушарии похолодает. В частности, прекращение потока океанической конвергенции тепла в Северной Атлантике приводит к значительному похолоданию с максимальной амплитудой, достигающей -20 С в Норвежском и Гренландском морях, которые, как и остальная часть Атлантики севернее 50 с.ш., становятся покрытыми льдом.
4. Сделаны важные шаги в развитии метода неразрушающего контроля ледяных и фирновых кернов, являющихся хранителями вулканогенных аэрозольных включений. Наибольшие успехи связаны с созданием источников ТГц-излучения, необходимых для метода неразрушающего контроля. Перспективы этого направления связаны с возможностью дистанционного определения вулканогенных аэрозольных слоев без бурения кернов.
Полный заключительный отчет в соответствии с требованиями отправлен ЦИТиС.
6. Проект VII.66.1.2. Развитие физических методов и технических средств для мониторинга окружающей среды и обеспечения безопасности населения.
Важнейший результат.
Создан макет газоанализатора на основе метода спонтанного комбинационного рассеяния света, который предназначен для определения компонентного состава природного газа. По сравнению с газовой хроматографией метод СКРспектроскопии является более оперативным и обеспечивает проведение одновременного измерения всех молекулярных газовых компонентов, концентрация которых превышает 0,01 %. Кроме того, метод СКР-спектроскопии позволяет определять концентрацию паров воды в природном газе, что является крайне важным для его транспортировки по магистральным трубопроводам.
Процентное содержание и погрешности измерений различных компонентов в природном газе, полученные с помощью СКР-спектроскопии и газовой хроматографии Блок 1. Исследование аналитических возможностей методов комбинационного рассеяния и зеемановской спектроскопии и создание на их основе газоанализаторов для контроля атмосферных загрязнений.
Субблок 1а. Исследование аналитических возможностей методов комбинационного рассеяния и создание на их основе газоанализаторов для контроля многокомпонентных газовых смесей.
Разработка макета СКР-газоанализатора Макет СКР-газоанализатора с кюветой высокого давления. 1 – лазер, 2 – поворотная призма и фокусирующая линза, 3 – кювета, 4 – поглощающая ловушка, – фокусирующая система, 6 – светофильтр для подавления лазерного излучения, – полихроматор, 8 – ПЗС-матрица, 9 – блок управления, 10 – компьютер.
Определение любых молекулярных газовых компонент, концентрация которых превышает 102 %. Оперативность анализа (10-15 минут), измерение в реальном масштабе времени. Одновременный контроль всех молекулярных составляющих анализируемой среды.
СКР спектр природного газа, зарегистрированный на макете СКР спектр биогаза Субблок 1б. Исследование возможностей зеемановского метода и атомнофлуоресцентного метода для создания ртутного газоанализатора.
Разработаны и изготовлены четыре образца шариковых безэлектродных ртутных ламп низкого давления. Варианты ламп отличаются составом инертного газа, который служит в качестве наполнителя для обеспечения устойчивого поджога и стабильного горения. Различные образцы изготовленных ртутных лампы содержат аргон, гелий, криптон, при давлении 1 – 5 мм рт. ст. Разработаны два типа высокочастотных (100-150 МГц) источников питания, с емкостной и индукционной связью с нагрузкой. В настоящее время выбран индукционный способ питания шариковых, ртутных ламп. Проведены испытания стабильности работы ртутных ламп в зависимости от изменения питающего напряжения и изменения температуры окружающей среды.
Зависимость мощности излучения ртутной Зависимость мощности излучения ртутной лампы от тока в лампе для резонансных лампы от температуры окружающей среды Блок 2. Развитие ультразвуковых и оптических методов измерения метеорологических величин создание многофункциональных автоматических метеорологических приборных комплексов и прототипа информационно-измерительной системы для прогноза опасных метеорологических и экологических явлений на территории региона.
Субблок 2а. Разработать и изготовить макет оптического измерителя количества, интенсивности и распределения по размерам атмосферных осадков.
Образец измерителя осадков Расширенная сеть постов УАМС Блок 3. Развитие элементной базы, для перестраиваемых по частоте источников излучения высокой интенсивности ИК и терагерцового диапазона, предназначаемых для систем мониторинга природных объектов и безопасности.
Субблок 3а. Выращивание крупноразмерных монокристаллов ZnGeP2 (до 45 мм) в термической установке с прецизионно контролируемым состоянием твердой и паровой фаз и управляемой динамикой жидкой фазы.
На прецизионной термической установке для выращивания монокристаллов с контролем термического состояния всех фаз проведена серия технологических экспериментов по кристаллизации предварительно синтезированного соединения ZnGeP2 в условиях контролируемой динамики жидкой фазы.
Продольный срез (100) кристалла расплава методом Бриджмена на термичеZnGeP2 48 мм, выращенного в ской установке с контролем термического расплава (радиальный градиент температуры 0,2 С/см). Видно, что область, насыщенная включениями, начинает формироваться на периферии поперечного сечения кристалла. В центральной части кристалла включения отсутствуют.
Субблок 3б. Исследовать преобразования частоты лазерного излучения в видимом и ИК диапазонах в периодически поляризованных нелинейных кристаллах.
Оценка возможностей метода дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии (ДОАС).
Используется широкополосное лазерное излучение и спектрометр с ПЗС-матрицей, что обеспечивает измерение сигналов обратнорассеянного излучения с разрешением как по расстоянию, так и по длине волны одновременно.
Пространственно и спектрально разрешенные эхо-сигналы лидарного зондирования в области преобразованного по частоте излучения Полный заключительный отчет в соответствии с требованиями отправлен ЦИТиС.
7. Проект VI.44.2.6. Структура биологического разнообразия в экосистемах бореальных лесов: динамические и эволюционные аспекты.
Важнейший результат.
Исследовано современное состояние припоселковых кедровников южно-таежного Приобья. Выявлены активно протекающие процессы трансформации лесного биоразнообразия, определяющие высокие темпы и комплексный характер деградации уникальных окультуренных лесных экосистем и связанные с интенсивным антропогенным воздействием и климатическими изменениями.
Признаками негативных изменений биоразнообразия, выявленными в результате многолетних исследований в 20 кедровых урочищах Томской области, являются: ухудшение виталитетной структуры популяций кедра за счет снижения доли здоровых деревьев (рис. 7.1.А); уменьшение видового разнообразия и численности подроста; повышение частоты и интенсивности вспышек размножения хвоегрызущих насекомых (рис. 7.1. Б); расширение очагов агрессивных дереворазрушающих грибов и стволовых насекомых, и, как следствие, преждевременный распад древостоев, формирование несвойственного исходным насаждениям многовидового подлеска, вытеснение в травяном покрове лесных видов синантропными, смена кедра лиственными породами. Установлено, что площадь отдельных кедровых урочищ в результате санитарных рубок в нарушенных древостоях сократилась за последние 20 лет на 30-50% (рис. 7.1.В, Г). Разработаны методы оперативного локального мониторинга припоселковых кедровников как особо охраняемых природных территорий, основанные на комплексной диагностике состояния экосистем, а также принципы создания припоселковых кедровников нового поколения, предусматривающие учет лесорастительных условий и оптимизацию генотипического состава популяций.
Количество деревьев, %
I II III IV V
Рис. 7.1. Признаки деградации в припоселковых кедровниках Томской области. А – наиболее распространенный современный тип виталитетной структуры кедра сибирского (I – здоровые деревья, II – ослабленные, III – сильно ослабленные, IVГ– отмиВ рающие; V – сухостой); Б – динамика вспышек размножения рыжего соснового пилильщика и радиального прироста деревьев кедра сибирского; В – площадь санитарных рубок в Протопоповском кедровнике (светлые участки внутри массива, космоснимок, 1997 год); Г – то же, 2011 год. Красная линия – граница деградированной площади кедровника, выявленная при маршрутном обследовании 2012 года.Блок 2. Структура и динамика внутривидового разнообразия в экологоклиматической "системе координат" (на примере кедра сибирского).
Блок 3. Пространственно-временная и структурно-функциональная организация разнообразия в группах видов, контрастных по таксономической принадлежности и комплексу адаптаций (на примере прямостоячих и стелющихся видов сосновых).
Способы защиты фотосинтетического аппарата от избыточной солнечной энергии в зимний период у прямостоячих и стелющихся видов Рис. 7.2. Способы защиты фотосинтетического аппарата прямостоячих и стелющихся видов сосны от избыточной солнечной энергии в зимний период. На диаграммах показаны примерные доли энергии, рассеиваемые эпидермой (голубой цвет), светособирающим комплексом (оранжевый цвет) и реакционными центрами (зеленый цвет). Меньший размер круга у P. pumila показывает, что у этого вида избыточная энергия рассеивается не полностью; она повреждает фотосинтетический аппарат Полный заключительный отчет в соответствии с требованиями отправлен ЦИТиС.
Проект IV.31.2.7. Веб-систем для вычисления климатических характеристик и анализа глобальных и региональных климатических изменений.
Важнейший результат:
Создан и размещен на высокопроизводительной платформе прототип вебсистемы для анализа глобальных и региональных климатических изменений, включающий модульное вычислительное ядро, которое обеспечивает взаимодействие пользователя с функциональными модулями системы и представление результатов вычислений в цифровом и графическом видах.
Рис. Графический интерфейс пользователя. На подложке из карты Google и снимка LandSat показаны изолинии средней годовой температуры, вычисленной на основе Разработана общая архитектура веб-ГИС системы для анализа глобальных и региональных климатических изменений, включающая три основные компоненты:
локальный архив наборов геофизических данных; вычислительное ядра, обеспечивающее обработку и визуализацию данных; и веб-портал, основанный на оригинальном программном обеспечении. В качестве наборов данных доступных для обработки используются архивы исторических наблюдений, результаты математического моделирования (реанализы, глобальные и региональные модели), а также данные спутникового зондирования.
Разработанный на основе JavaScript-библиотек ExtJS, GeoExt и OpenLayers разработан графический интерфейс пользователя, который решает задачу взаимодействия с конечным пользователем, обеспечения связи с функциональными модулями веб-портала, подготовки формализованного описания задач для вычислительного ядра, а также корректное представление результатов вычислений в цифровом и графическом видах с использованием современных Веб-ГИС технологий.
Финальная версия веб-системы размещена и протестирована на высокопроизводительной платформе (Intel S5000, 2 Intel Xeon 5130, 4 Gb RAM, RAID-6 17 Tb).
пространственные масштабы обнаруженных ранее изменений средних годовых температур с очагами потепления верхних широтах Восточной Сибири (0,6 – 1,0 °С/10 лет) и слабой тенденцией к похолоданию в ее центральной части до -0,2 °С/10 лет.
Общая характеристика выполненных в 2012 г. работ Базовый набор вычислительных модулей для обработки и анализа архивов геофизических данных был расширен программными модулями расчета ряда экстремальных климатических характеристик и биоклиматическими показателями.
Разработан и реализован в виде набора программных модулей подход сравнения данных реанализов с рядами инструментальных наблюдений в отдельных точках местоположения станций, который включает подбор однородных рядов инструментальных наблюдений по результатам анализа информативности рядов и удаления рядов с пропусками и короткими периодами измерений; интерполирование данных реанализов в координаты местоположения станций выбранных рядов; статистическую оценку различий интерполированных в точки с координатами наблюдательных станций значений данных реанализов и измеренных на этих станциях значений метеовеличин. Разработанные программные модули расширили функциональные возможности системы по обработке и анализу архивов метеорологических данных.
Архив геофизических данных был расширен данными по осадкам Global Precipitation Climatology Centre (GPCC) Reanalysis агентства Deutscher Wetterdienst (DWD) Министерства транспорта, строительства и городского развития Германии, данными моделирования глобальной климатической модели CM4, разработанной в ИВМ РАН, данными реанализа GMAO NASA Modern ERa Retrospective Analysis (MERRA), и данными высокого пространственного разрешения, полученными путем восстановления полей метеорологических величин с высоким пространственным разрешением на основе моделирования с использованием модели WRF, а также данных наблюдений для Сибирского региона.
На основе JavaScript-библиотеках ExtJS, GeoExt и OpenLayers была завершена разработка графического интерфейса пользователя информационновычислительной системы. В задачу графического интерфейса веб-приложения входит взаимодействие с конечным пользователем, обеспечение связи с функциональными модулями веб-портала, формирование формализованного описания задач для вычислительного ядра, а также корректное представление результатов вычислений в цифровом и графическом видах с использованием современных Веб-ГИС технологий.
Финальная версия веб-системы размещена и протестирована на высокопроизводительной платформе (Intel S5000, 2 Intel Xeon 5130, 4 Gb RAM, RAID-6 17 Tb) на примере исследования современного состояния приземной температуры воздуха и количества осадков на территории Сибири.
Полный заключительный отчет в соответствии с требованиями отправлен ЦИТиС.
1.2.2. РАБОТА, ВЫПОЛНЕННАЯ ПО ПРОГРАММЕ ПРЕЗИДИУМА РАН.
Программа № 4.2 «Природная среда России: адаптационные процессы в условиях изменяющегося климата и развития атомной энергетики».
Проект 10. «Комплексный мониторинг современных климатических и экосистемных изменений в Сибири».
1. Проведена количественная оценка внутригодовой изменчивости потоков тепла на границе океан-атмосфера в Северной Атлантике. Установлено, что области максимального теплообмена (рис. 1) в период 1975 2011 гг. приходятся на район течения Гольфстрим и Ньюфаундлендской ЭАЗО в холодный период (до 70 Вт/м2) и на район в Северной Атлантике (между 10 и с.ш.) в тёплый период (до 50 Вт/м2). (ИМКЭС СО РАН) Рисунок 1 – Средние величины потока скрытого тепла на территории Северной Атлантики в январе (а) и июле (б) Результаты корреляционного анализа изменчивостей SST и тепловых потоков в Северной Атлантике показали, что в холодный период преобладали положительные корреляции с максимумом (0,5 0,6 в январе) в районе Ньюфаундлендской ЭАЗО и течения Гольфстрим, а также в районах, расположенных южнее 30 с.ш. В теплый период замечено увеличение корреляции с севера (0,4 в июле) на юг (0,7 0,8 в июле). Области наибольших величин дисперсий совпадают с областями, которым соответствуют энергоактивные зоны Северной Атлантики (ЭАЗО).
За исследуемый период (1975 2011 гг.) наблюдалось уменьшение суммарного потока тепла от зимы к лету, а затем его увеличение с максимальным значением в Ньюфаундлендской ЭАЗО (116 В/м2) и минимальным в Норвежской ( В/м2).
Проведён анализ временной и пространственной изменчивости температуры поверхности океана (SST) и суммарного потока тепла (который представляет собой сумму потоков скрытого и явного тепла LE+S) в трёх энергоактивных зонах (ЭАЗО) Северной Атлантики, к которым относятся Ньюфаундлендская, Норвежская и Бермудская ЭАЗО. По результатам разложения на естественные ортогональные функции, построенные по полям среднемесячных значений потока тепла LE+S за период 1960 2009гг. установлено, что в холодный период и в июне изменчивость потока тепла в Ньюфаундлендской ЭАЗО коррелирует с изменчивостью второй главной компоненты (до 0,87). Выявлены высокие по величине коэффициенты корреляции (0,5 0,6) между температурой поверхности океана в Ньюфаундлендской ЭАЗО и осадками и температурой воздуха в Сибири. На территории Сибири выделено 2 очага с высокой когерентностью (0,75 0,9), к которым относятся Междуречье Оби и Иртыша, а также территория Забайкалья.
Во всех исследуемых районах преобладали положительные тренды температуры поверхности океана и потоков тепла, которые являются значимыми для SST во всех ЭАЗО, для потоков тепла в Бермудской зоне и лишь в отдельные месяцы в Ньюфаундлендской и Норвежской ЭАЗО. Анализ внутригодовой изменчивости потоков тепла в Северной Атлантике показал, что Ньюфаундлендская ЭАЗО в период 1975 2011 гг. характеризовалась максимальным притоком тепла. Положительный тренд испарения может формироваться под влиянием влажностного градиента в приводном слое атмосферы, а также за счёт увеличения приводного ветра. Возможно совместное влияние этих факторов.
В результате анализа внутригодовой изменчивости температуры поверхности океана и потоков тепла в Северной Атлантике замечено, что Ньюфаундлендская ЭАЗО в период 1975 2011 гг. характеризовалась максимальным притоком тепла (116 В/м2 в январе).
2. Для оценки экосистемных изменений на юге Западной Сибири с по 2012 гг. проанализирована динамика нормализованного относительного индекса растительности, показателя количества фотосинтетически активной биомассы, для луговой растительности в июне каждого года на тестовой территории в Кулундинской зоне Алтайского края (ИВЭП СО РАН, ЛЭА) Расчеты NDVI (нормализованного относительного индекса растительности) осуществлялись на основе предварительно отобранных из архива данных первичной информации со спектрорадиометра MODIS спутников Terra/Аqua с использованием программных продуктов MOD09 и пакета 6SV в скалярном и векторном режимах с учетом атмосферной коррекции, за весенние, летние и осенние сезоны за период c 2005 по 2011 гг. для территорий Благовещенского района (озера Кучукское, Кулундинское, Селитренное), Славгородского района (озера Большое Яровое, Малое Яровое, Сикачи). Усреднение проводилось по 1000 пикселей, Размер пикселя 250Х250 метров.
Полученный тренд в динамике NDVI за 10 лет (рис. 2) показывает на снижение количества фотосинтетически активной биомассы в Кулундинской зоне Алтайского края, что обусловлено в первую очередь происходящими экосистемными изменениями.
Для оценки изменений площади оледененения Центрального Алтая использовались материалы космическойй съемки 2006 г., которые сравнивались с материалами Каталога ледников (1974-1978 гг.). Ледники визуально дешифрировались со спутниковых снимков, их контура векторизовались с помощью ГИС программы ArcGIS 9.3.1. Полученный материал был сравнен с Каталогом ледников (табл.).
Рисунок 2.– Динамика NDVI для Кулундинской зоны Алтайского края Проведена оценка связи изменения колебаний ледников (отступание языков ледников и их объемов) по данным MODIS в Альпийской зоне Алтая с климатическими характеристиками в опорном бассейне Актру. В качестве наиболее изученного ледника (с точки зрения изменения объема льда за период инструментальных наблюдений) в горноледниковом бассейне Актру был выбран плосковершинный ледник Водопадный, площадью 0,8 км2.
Таблица – Изменение площади оледенения Центрального Алтая за период с 1961 по 2006 гг.
ской съемки (карты 1961 г.) В начале июля сотрудниками ИВЭП СО РАН была выполнена съемка ледника Водопадный с помощью геодезической JPS «Leica SR-20» и сопоставлена в данными MODIS. Эти материалы позволили оценить влияние климатических изменений на изменение объема льда ледника Водопадный. Материалы дешифрирования космических снимков и изменения объема ледника Водопадный показывают, что в последние десятилетия ледники Алтая интенсивно деградируют.
1.2.3. РАБОТА, ВЫПОЛНЕННАЯ ПО ИНТЕГРАЦИОННЫМ
ПРОЕКТАМ СО РАН
Проект № 46. «Нелинейные халькогенидные кричсталлы для сверхширокополосных преобразователей лазерных частот».
АННОТАЦИЯ
Разработка физико-химических основ и новых технологий создания сверхширокополосных параметрических преобразователей лазерных частот на базе халькогенидных нелинейных кристаллов обеспечивает прогресс в решении фундаментальных проблем физики конденсированных состояний в части «Физика полупроводников и диэлектриков, полупроводниковые, композитные, нанокристаллические и фотоннокристаллические материалы и структуры», оптики в части «Новые оптические материалы, технологии и приборы, их применение», химии наночастиц и нанообъектов в части «Создание нового поколения гибридных материалов различного функционального назначения для использования в технике, в медицине, в химической технологии, включая композиты, материалы для квантовых компьютеров и оптоэлектроники».Наиболее важные научные результаты, полученные в результате первого года работ по проекту, касаются:
Получения монокристаллов GaSe, легированных Al, S, In и Te, сантиметровых размеров, с низким уровнем оптического поглощения (0,1 см-1).
Исследования химического состава монокристаллов, их кристаллической и электронной структуры, а также характеризации политипного состава и дефектов.
Развития методик определения оптимального содержания легирующих компонент в кристаллах GaSe.
ОСНОВНЫЕ ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Выращена партия кристаллов GaSe, легированных теллуром (Te), серой (S) и алюминием (Al) со следующим содержанием примесей в закладке: GaSe:Te (0,05, 0,1, 0,2, 0,3, 0,5, 1, 3 масс. %), GaSe:S (0,5, 1, 2, 2,5, 3, 5, 7, 10 масс.%) (рис.1) и GaSe:Al (0,01, 0,02, 0,05, 0,1, 0,2, 0,5, 1, 2 масс. %) (ИГМ СО РАН).и були GaSe:Al (0,05 масс.%) (б).
Разработаны методики количественного химического анализа халькогенидных монокристаллов GaSe, легированных Ag, In, и S, и кристаллов GaSe:AgGaS2, с использованием атомно-абсорбционного (АА) спектрофотометра Z-8000 (Hitachi, Japan), и атомно-эмиссионного (АЭ) спектрометра iCAP-6500 (Thermo Scientific, USA), а именно:
Методика обзорного атомно-эмиссионного спектрального с индуктивносвязанной плазмой (АЭС-ИСП) анализа халькогенидных монокристаллов GaSe, позволяющая определять до 30 элементов-примесей с пределами обнаружения 10- 10-6 масс.% и относительным стандартным отклонением 0,050,15. Важным преимуществом данной методики является возможность определять содержание серы.
Методика прецизионного пламенного атомно-абсорбционного спектрального (ААС) анализа халькогенидных монокристаллов на содержание легирующих примесей: Cr, In и Ag, позволяющая определять содержание Cr, In и Ag в диапазоне концентраций 10-210-4 масс.% и относительным стандартным отклонением 0,02.
Методики АЭС и ААС были использованы для аналитического обеспечения технологий выращивания халькогенидных монокристаллов, и позволили установить следующее:
Функциональные характеристики халькогенидных монокристаллов GaSe зависят от содержания легирующих примесей (например, индия и серы). Как известно, примеси индия и серы входят в кристаллическую решетку GaSe и существенно влияют на механические и оптические параметры кристаллов. Для совершенствования ростовой технологии необходима информация о химическом составе монокристаллов, выращенных в разных условиях, сопоставление характеристик кристаллов с уровнем легирования и пр. Исследование образцов халькогенидных монокристаллов GaSe методом атомно-эмиссионной спектрометрии показало, что распределение серы достаточно однородно по длине кристалла. Для индия наблюдается резко-неоднородное распределение с ростом концентрации к концу кристалла. Разработанные методики АЭС-ИСП и ААС были использованы для контроля технологии выращивания кристаллов селенида галлия, легированных специально синтезированным сульфидом индия (InS).
Исследованы микроструктурные характеристики кристаллов GaSe:AgGaS2. В составе выращенного кристалла обнаружена только кристаллическая фаза GaSe.
Детальное ААС определение распределения примесей серы и серебра по длине кристалла показало однородное распределение серы и резко-неоднородное распределение серебра. Экспериментально определенное содержание Ag резко нарастает при увеличении навески GaSe:AgGaS2 в пределах одной пробы, что говорит о гетерогенности пробы. В то же время достаточно однородное распределение серы по кристаллу свидетельствует о формировании твердого раствора GaSe:S. Таким образом при легировании GaSe примесью AgGaS2 формируется раствор GaSe:S, содержащий преципитаты Ag-содержащей фазы.
Исследованы микроструктурные характеристики кристаллов GaSe:Cr, выращенных в Сибирском физико-техническом институте Томского государственного университета. Исследование распределения примеси хрома по длине кристалла методом АЭС-ИСП показало резко-неоднородное распределение хрома с ростом концентрации к концу кристалла. Таким образом при легировании GaSe примесью Cr формируется раствор GaSe:Cr в близкой к зародышу части були. Избыток Cr отторгается в хвостовую часть були.
Методом пламенной ААС исследована полнота вхождения Cr в структуру кристаллов GaSe в зависимости от условий выращивания, что позволило получать легированные кристаллы GaSe:Cr, пригодные для оптических применений. На основании статистической обработки результатов, полученных методом ААС, определен эффективный коэффициент распределения примеси хрома в GaSe. На основе анализа экспериментальных данных по составу кристаллов следует, что при содержаниях Cr в жидкой фазе менее 0,20,3 масс.% идет равновесная кристаллизация, а при увеличении его концентрации выращенные кристаллы имеют макроскопические дефекты в виде включений хрома.
В результате исследования микроструктурных и оптических параметров образцов чистого GaSe и GaSe:Cr были также:
Определены пределы растворимости хрома.
Изучены микроструктурные, оптические и электрические характеристики в зависимости от уровня легирования.
Установлено, что дисперсионные характеристики оптических констант твердых растворов GaSe:Cr в видимой и ультрафиолетовой части спектра слабо отличаются от оптических характеристик чистого GaSe. Подвижность носителей при температуре T ~ 300 K составляет 2040 cм2В-1с-1. Удельная проводимость образцов возрастает от 410-3 до 1102 -1cм-1 по мере возрастания концентрации хрома вдоль були. При T ~ 300 K концентрация дырок составляет (12) см-3 и практически не зависит от легирования. Полученные результаты готовятся к печати.
Кроме того, начато исследование кристаллов GaSe:Er, выращенных в ИГМ СО РАН. Проведённое исследование микроструктуры методами растровой электронной микроскопии (РЭМ) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) показало выраженное слоистое строение этих кристаллов. Наблюдаются типичные для GaSe нанодефекты в виде локальных вспучиваний диаметром ~ 100400 нм. На поверхностях сколов имеются типичные области с более темным РЭМ контрастом.
Из измерений ПЭМ оценены параметры решетки легированных кристаллов. В настоящее время ведется подготовка к оптическим измерениям и определению химического состава.
Допустимые пределы легирования, при которых кристаллы GaSe сохраняют структуру -политипа, пригодную для нелинейно-оптических применений, и оптимальный уровень легирования (ИФП, ИНХ, ИМКЭС) определялись следующим образом:
Оптимальный уровень легирования кристаллов определён путём анализа структуры и интенсивности пиков скользящих мод фононного поглощения, т.к. определение уровня традиционным методом абсорбционной спектроскопии невозможно из-за малости оптической толщи образцов. Допустимые вариации состава равны 25%.
Соответствие состава кристалла с максимальным пиковым значением интенсивности фононной моды скольжения E(2) оптимальному составу, обеспечивающему минимальные оптические потери при любом легирующем элементе, подтверждено зависимостью эффективности генерции ТГц излучения (методом оптического выпрямления излучения 50 фс Ti:Sapphire лазера) от концентрации легирующей добавки S и Te.
Установлено, что наличие некоторого оптимального уровня легирования является общим свойством кристаллов GaSe, модифицируемых различными примесями. Этот уровень снижается с ростом атомного веса легирующего элемента, а именно: 23 масс.% для серы, 0,51 масс.% для индия, 0,070,38 масс.% для теллура. Исключение составляет алюминий (оптимальный уровень 0,010,02 масс.%), необразующий связей Al-Se и других соединений слоистой структуры типа -GaSe.
На фемтосекундном стенде ИСЭ СО РАН совместно с исполнителями проекта от ИМКЭС СО РАН впервые проведено исследование лучевой стойкости кристаллов в зависимости от вида и уровня легирующей добавки S и In, а также оптического качества выращенных образцов кристаллов. Установлены разновидности и физические причины разрушений под действием 100-фемтосекундных импульсов диапазона 1,12,9 мкм, делающие кристаллы непригодными для нелинейнооптических приложений, а именно:
Первичные разрушения локализованы в области микровключений и отслоений сравнимых по размеру с длиной волны накачки, и сопровождаются (при дальнейшем увеличении интенсивности накачки) диссоциацией GaSe на исходные элементы с образованием пятен черного цвета (рис. 2).
Диссоциция GaSe на исходные элементы, как это следует из химического и спектрального анализов, не нарушает дефектов (границ обрыва) поверхностных слоев, что указывает на их суб- и микронные толщины. Этот факт также подтверждается картиной разрушений, снятой в проходящих лучах, и морфологией поверхности, определенной с помощью атомно-силового микроскопа (рис. 3).
Рис. 2. Разрушения в месте расположения поверхностного дефекта в низкоинтенсивной части пучка накачки (1) и в объеме кристаллов с появлением локальных отслоений (белесая окантовка) в области более высокой интенсивности пучка (2), формирование областей диссоциированного на исходные элементы кристалла (черные области в окрестности) локальных разрушений (2, 3), сливающиеся в обширные области (4) при дальнейшем увеличении интенсивности накачки (а); разрушения в области существовавщих отслоений (дефектов спайности левое фото на рисунке (б)); однородное пятно диссоциированного материала на поверхности качественного кристалла (правое пятно на рисунке (б) и с элементами разброса на рисунке (в);формированием кратера выброса в центре (г).
Минимальная цена деления шкалы 10 мкм.
Малая толщина слоев, образующегося аморфного селена и кадмия, несмотря на высокий коэффициент поглощения порядка 1000 см-1, определяет невысокую поглощательную способность такого рода разрушений, и их незначительное влияние на эффективность преобразования частот. Поэтому возврат (инверсия) пропускания чистых и легированных кристаллов GaSe со снижением интенсивности накачки к исходному значению, наблюдаемая после падения пропускания вплоть до значений 5-10% с ростом интенсивности накачки, остается неизменной и при наличии этих видимых признаков диссоции GaSe.
Рис. 3. Вид на картину разрушения на просвет (а) и морфология поверхности при тераваттной накачке, полученная с помощью атомно-силового микроскопа (б).
Ограничение потенциальной эффективности преобразования частоты качественных кристаллов обусловлено многофотонными процессами поглощения (рис. 4), а с ростом интенсивности накачки и идентифицированными эффектами intensi Transmission versus fs pulse intensity at 800 nm транзитного пропускания.
Пропускание, о.е.
Transmission, a.u.
Рис. 4. Пропускание в зависимости от интенсивности накачки на длине волны 800 нм для кристаллов GaSe с различным уровнем легирования S (а) и для чистого кристалла GaSe при накачке на длине волны 800 нм (красная линия) и 2 мкм (черная линия) (б).
Наибольшую лучевую стойкость среди исследуемых кристаллов (пятикратHighly scattered dat ную по отношению к нелегированному кристаллу GaSe по уровню пропускания 95% (линия 1 на рис. 4а)), имеет кристалл GaSe:S с оптимальным содержанием серы 2 масс.% (рис. 4а). Эффект двухфотонного поглощения вносит решающий вклад в пропускание и эффективность преобразования частоты фс Ti:Sapphire лазера с длиной волны излучения 800 нм, т.к. увеличение длины волны до 2 мкм приводит к резкому росту лучевой стойкости (рис. 4б).
Эффекты транзитного пропускания с постоянной времени в десятки фс могут изменять коэффициент пропускания образцов в ту и другую сторону до 50%.
Визуально наблюдаемые диссоциация кристаллов GaSe и реальное разрушение в виде сплавленного микроструктурированного, и хорошо адгезированного слоя галлия, не является практически важной причиной ограничения потенциальной эффективности преобразования частоты импульсов фемтосекундной длительности.
Изменение потенциальной эффективности преобразования частоты не происходит при интенсивностях накачки до 700800 ГВт/см2; наибольшее допустимое значение интенсивности накачки фемтосекундных импульсов достигает тераваттного уровня для кристаллов GaSe с содержанием серы 23 масс.%, а реальное разрушение кристаллов происходит при интенсивности накачки 24 ТВт/см2.
Из результатов измерения методом дифференциальной сканирующей калориметрии следует, что линейные оптические и эффективные нелинейные свойства кристаллов GaSe в существенной мере определяются относительным содержанием второй фазы – Ga2Se3.
Коэффициенты нелинейной восприимчивости определены путем прямого сравнения эффективности генерации ТГц-излучения кристаллами одинаковой длины с поочередной заменой коммерческого генератора дипольного типа на основе кристалла ZnTe на исследуемые образцы кристаллов для исключения влияния аппаратной функции на результаты измерений. При этом установлено, что:
При легировании различными элементами, за исключением S, не происходит изменения коэффициента нелинейной восприимчивости второго порядка кристаллов GaSe из-за более быстрого наступления деградации качества кристаллической решетки.
Изменение структуры дефектов и качества кристаллических решеток приводят к изменению эффективной нелинейной восприимчивости по нелинейному закону, проявляющемуся в зависимости эффективности процессов преобразования частот от уровня легирования. Другими словами, при оптимальном уровне легирования значения эффективной нелинейной восприимчивости достигают некоторого максимума (в зависимости от используемого легирующего элемента) по отношению к чистым кристаллам GaSe. Увеличение эффективной нелинейной восприимчивости составляет от 1520% для кристаллов легированных Te и до 3040% для кристаллов легированных In.
Для кристаллов, легированных S, имеет место спад в нелинейной восприимчивости (коэффициент тензора нелинейной восприимчивости второго порядка d22) в соответствии с весовым коэффициентом замещения Se на S в структуре решетки:
наполовину при их равном содержании). При этом, по совокупности измененных физических свойств (теплопроводности, лучевой стойкости, улучшения оптического качества, дисперсионных свойств), достигается 1015 кратное увеличение эффективности преобразования частот при предельно возможной интенсивности накачки и оптимальном уровне легирования 23 масс.%.
Кроме того, исследована возможность генерации ТГц излучения путем смешения частот линий излучения 10Р(20) на длине волны =10,59 мкм и 10R(18) на =10,26 мкм 60-нс импульсов СО2-лазера в кристаллах GaSe:S (0,09, 0,5, 2,02, 4,16, 6,47, 9,14 масс.%) и GaSe:Te (0,01, 0,07, 0.38, 0,67, 2,07 масс.%). Достигнута эффективность генерации ТГц излучения 210-4 %.
Проект № 69. «Интегрированные исследования климатических, гидрологических и экосистемных процессов на территории болот Западной Сибири».
ОСНОВНЫЕ ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Блок 1. Исследования климатических изменений и роли региональных климаторегулирующих факторов в Западной Сибири (ответственный исполнители: чл.-корр.РАН Кабанов М.Вв., д. ф.-м. н. Ипполитов И.И. (ИМКЭС) На территории Западной Сибири развернута измерительная сеть для исследования микроклиматических особенностей болотных экосистем. На ключевых участках размещено около 40 автономных атмосферно-почвенных измерительных комплексов (АПИК) производства ИМКЭС СО РАН. (ИПА, ИМКЭС, ЮГУ, СибНИИСХиТ) Имеющаяся ранее сеть микроклиматических измерений в зоне южной тайги значительно расширена. На территории ключевых участков, находящихся в 5 природно-климатических зонах Западной Сибири, были выбраны характерные типы болотных экосистем, например, открытая топь, грядово-мочажинный комплекс, низкий и высокий рям, заболоченный лес, согра и пр., в которых были размещены измерители АПИК. Мониторинг температур почвы и воздуха проводимый с высоким временным разрешением и применением однотипного оборудования позволит описать микроклиматические особенности каждого типа болотных комплексов. В качестве характеристик микроклимата планируется использовать такие показатели, как среднесуточная температура почвы и воздуха, амплитуды суточного хода и времени наступления максимумов и минимумов температуры на разных глубинах.
На основании полученных данных может быть оценено влияние болот на климат прилегающих территорий и рассчитаны теплофизические характеристики болотных почв.
Стандартная комплектация измерителя включает зонд профиля температуры грунта и температуры воздуха в радиационной защите. Датчики температуры грунта находятся Рисунок 1 - Схема расположения ключевых участков. 30, 40, 60, 80, 120, 160, 240 и В скобках после названия участка показано число изсм. Для измерения температуры исмерителей АПИК.
пользуются температурные датчики DS18B20, калибровкой точность которых повышена с ±2 до ±0,1 °C в диапазоне -55..+65°C. Периодичность измерений - от минут до 1 часа. В некоторых комплектациях измерителя к нему подключены дополнительные датчики, обеспечивающие регистрацию значений влажности воздуха, атмосферного давления, уровня болотных вод, электропроводимости воды, направления и скорости ветра, сумм атмосферных осадков.
Проведены вычислительные эксперименты с использованием региональных климатических моделей WRF 3.6.1 и RegCM 4.1, которые позволили уточнить параметризации ключевых физических процессов и начать регулярную процедуру получения пространственного распределения региональных климатических характеристик высокого разрешения (ИМКЭС, ИВТ).
Для проведения вычислительных экспериментов, нацеленных на уточнение параметризаций ключевых физических процессов и получения региональных климатических характеристик высокого пространственного разрешения модель WRF версии 3.6.1 была запущена в климатическом расправленном режиме на суперкомпьютере МГУ «Ломоносов». Граничные условия берутся из новой версии реанализа ERA-Interim. Для повышения точности вычислений была использована система усвоения метеорологических измерений, выполненных на территории Западной Сибири, “observation nudging”.
В ходе численных экспериментов были подобраны соответствующие данному региону физические параметризации. В качестве модели подстилающей поверхности была использована модель Noah LSM (NCEP/NCAR/AFWA) – 4-х уровневая модель влажности и температуры почвы с расчетом энергетических потоков, Рисунок 2 – Поле температуры на высоте 2-м три вычислительных эксперимента. Проведено исследование влияния размеров области интегрирования и положения их границ (западной и восточной) относительно зон анализа на приземную температуру воздуха и интенсивность осадков. Проведено уточнение параметров региональной климатической модели RegCM4. Показано, что удовлетворительное описание основных климатических полей достигается при описании переноса потоков тепла и влаги в почве в рамках подхода, реализованного в модели CLM3.5 Национального центра атмосферных исследований (NCAR) США.
Блок 2. Исследования гидрологического режима и геохимических условий заболоченных территорий Западной Сибири (ответственный исполнители: д.б.н. Пузанов А.В., к.ф.-м.н. Зиновьев А.Т. (ИВЭП) Создана база геоданных с подключенной картографической основой растровых и векторных карт масштаба 1:1000000; 1:200000, включая векторные слои водных объектов и пунктов мониторинга (по состоянию на 29.03.2009) в соответствии с данными гидрологической изученности Государственного водного кадастра (ИВЭП).
База гидрологических данных содержит информацию: 1) по суточным расходам воды на 20 створах рек бассейна Оби; данные будут использоваться для оценки изменчивости коэффициента естественной зарегулированности стока; 2) по средним месячным и средним годовым расходам в створах заболоченных водосборов Западной Сибири за период инструментальных наблюдений – в бассейне Верхней Оби выделено 100 объектов с заболоченностью бассейна 5 и более процентов площади, в бассейне Иртыша (21 объект); данные будут использоваться для расчета норм стока, коэффициентов вариации и асимметрии.
Достигнуто обеспечение гео- и гидрологическими данными дальнейших исследований в соответствии с планами работ на 2013-2014 гг. Проектируемая ГИС отвечает мировому и отечественному уровню работ с пространственно-связанной информацией. Используемая программная среда реализации ГИС-проекта ArcGis Desktop ArcEditor 10 с программными расширениями 3D Analyst 10, Spatial Analyst 10 является современным программным продуктом для создания ГИС.
На основе данных стационарных, экспедиционных гидрохимических и биогеохимических исследований, дана эколого-геохимическая оценка долины р. Васюган и ее притоков. Собранная база включает данные по содержанию радионуклидов (238U, 232Th, 40K, 137Сs) в почвах и донных отложениях, концентрациям основных загрязняющих веществ в реке Васюган и ее притоков (ИВЭП).
Полученные в ходе экспедиционных исследований гидрохимические данные по загрязняющим веществам р. Васюган, в основном, сопоставимы со среднемноголетними (табл. 1). Повышенные концентрации общего железа и алюминия, биогенных элементов в речных водах обусловлены биогеохимическими особенностями исследуемой территории и не связаны с антропогенным влиянием. Приоритетными загрязняющими веществами р. Васюган и ее притоков являются нефтепродукты, соединения железа и алюминия.
Таблица 1. - Интервалы варьирования (числитель) и среднемноголетние концентрации (знаменатель) загрязняющих веществ в реке Васюган 1,50-1,58 0,004-0,02 0,060-0,14 0,92-3,02 34,3-46,4 0,46-0,55 0,81-0, Уровни удельной активности естественных радионуклидов в почвах и донных отложениях долины р. Васюган находятся на уровне среднемировых значений.
Величина торий-уранового отношения соответствует нормальным значениям для почв, не подверженных техногенному воздействию. Плотность загрязнения почвенного покрова долины р. Васюган цезием-137 значительно варьирует и только в отдельных случаях превышает фоновые показатели для таежной зоны.
«