«ОТЧЕТ О НАУЧНОЙ И НАУЧНО-ОРГАНИЗАЦИОННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ за 2011 год Утверждаю Директор института, д.ф.-м.н. _В.А.Крутиков Томск-2011 СОДЕРЖАНИЕ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА I 3 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 2011 год

Утверждаю

Директор института, д.ф.-м.н.

_В.А.Крутиков Томск-2011

СОДЕРЖАНИЕ

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

I 3 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 стационарам 1.2.7. Инициативная работа

НАУЧНО-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 2.5

ФИНАНСОВО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

III ПРИЛОЖЕНИЕ

I НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

1.1. НАУЧНО-ОРГАНИЗАЦИОННАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ.

Научный руководиПрограммы, гранты тель, ответственный исполнитель Программа Сибирского отделения РАН Проект VII. 63. 1.1. Исследование динамических характе- чл.-корр. РАН ристик климато-образующих атмосферных и гидросфер- М.В.Кабанов, ных процессов. д.ф.-м.н.

№ гос. рег. 01201052575 И.И.Ипполитов Проект VII.63.1.2. Развитие информационно- д.ф.-м.н.

измерительных технологий и разработка алгоритмов мно- В.А. Крутиков.

гомерного анализа для мониторинга и моделирования природно-климатических изменений.

№ гос. рег. Проект VII.63.1.3. Трансформация энергетических харак- д.г.н., проф.

теристик геосистем в условиях глобальных климатиче- А.В.Поздняков, № гос. рег. Проект VII.63.1.4. Экосистемные изменения на ланд- д.г.н. А.Г.Дюкарев, шафтных и климатических границах в условиях глобаль- д.б.н. Е.Е.Тимошок ного потепления № гос. рег. Проект VII.63.3.1. Вулканоген- ные возмущения атмо- чл.-корр. РАН сферы и изменения климата Сибири и субарктики: совре- В.В. Зуев.

менное состояние и палеореконструкция.

№ гос. рег. Проект VII.66.1.2. Развитие физических методов и техни- д.т.н. А.А. Тихомиров ческих средств для мониторинга окружающей среды и обеспечения безопасности населения.

№ гос. рег. Проект VI.44.2.6. Структура биологического разнообра- д.г.н. А. Г. Дюкарев, зия в экосистемах бореальных лесов: динамические и к.б.н. С. Н. Горошкевич эволюционные аспекты.

№ гос. рег. Проект IV.31.2.7. Веб-система для вычисления климати- д.ф.-м.н. Е.П.Гордов ческих характеристик и анализа глобальных и региональных климатических изменений.

№ гос. рег. Программа Президиума РАН № 4 «Оценка и пути снижения негативных последствий экстремальных природных явлений и техногенных катастроф, включая проблемы ускоренного развития атомной энергетики».

Координатор: ак. Лаверов Н.П.

Проект 10 «Комплексный мониторинг современных кли- Кабанов М.В., матических и экосистемных изменений в Сибири» Крутиков В.А.

Интеграционные междисциплинарные проекты СО РАН Проект № 4. «Информационные технологии, математиче- Гордов Е.П.

ские модели и методы мониторинга и управления экосистемами в условиях стационарного, мобильного и дистанционного наблюдения». Соисполнители. Координатор:

академик Шокин Ю.И., ИВТ СО РАН Проект № 50. «Модели изменения биосферы на основе Гордов Е.П.

баланса углерода (по натурным и спутниковым данным и с учетом вклада бореальных экосистем)». Координаторы:

академик Ваганов Е.А.; чл.-к. РАН Федотов А.М., ИВТ СО РАН Проект № 54. «Нанометрология асферических поверхно- Тартаковский В.А.

стей». Научный координатор: д.т.н. Полещук А.Г., ИАиЭ СО РАН, г. Новосибирск Проект № 66. «Разработка научных и технологических Дюкарев Е.А.

основ мониторинга и моделирования природноклиматических процессов на территории Большого Васюганского болота». Координатор: чл.-к. РАН Кабанов М.В., ИМКЭС СО РАН Проекты, выполняемые по заказу Президиума СО РАН Проект 8. «Приборное и методическое обеспечение мони- Смирнов С.В., торинга природно-климатических процессов Сибири». Корольков В.А.

Координатор: чл.-кор. РАН М. В. Кабанов Проект 9. «Распределенная система сбора, хранения, об- Гордов Е.П.

работки и доступа к данным дистанционного зондирования Земли для мониторинга социально-экономических процессов и состояния природной среды регионов Сибири и Дальнего Востока». Координатор проекта:

академик Ю.И.Шокин Интеграционные проекты СО РАН, выполняемые совместно Проект № 53. «Генофонд хвойных Урала и Сибири: Петрова Е.А.

структура, принципы сохранения и использование в селекционных программах» Научные координаторы: к.б.н.

Горошкевич С.Н., ИМКЭС СО РАН, г. Томск; д.б.н. Семериков В.Л., ИЭРиЖ УрО РАН, г. Екатеринбург Совместные проекты фундаментальных исследований Проект № 10. Расширение спектра генерации СО2-лазеров чл.-корр. РАН В.В.Зуев в среднем и дальнем ИК-диапазонах с помощью новых нелинейных кристаллов.

Проект № 11-05-01190/а «Исследование отклика углерод- Головацкая Е.А.

ного баланса болотных экосистем разного размера на изменение климата и антропогенное воздействие»

Проект № 11-05-06044/г «Организация и проведение Зуев В.В.

Международной конференции CITES-2011»

Проект № 09-04-01214/а. "Гидроморфная трансформация Дюкарев А.Г.

кальциево-гумусовых почв при заболачивании лесных ландшафтов Западной Сибири" Проект № 09-05-01077/а. "Особенности болотообразова- Прейс Ю.И.

тельного процесса на юге лесной зоны Западной Сибири как отклик на континентальность климата" Проект № 10-04-01497/а. "Филогенетическая дивергенция Горошкевич С.Н.

и адаптивная конвергенция в эволюции сосновых (на примере прямостоячих лесных и стелющихся субальпийских видов)" Проект № 11-04-10096/к. "Организация и проведение Горошкевич С.Н.

экспедиционных исследований филогенетической дивергенции и адаптивной конвергенции в эволюции сосновых (на примере прямостоячих лесных и стелющихся субальпийских видов)" Проект № 10-04-01616/а. "Исследование филогеографии Петрова Е.А.

сосны кедровой сибирской (Pinus sibirica Du Tour) на основании анализа изменчивости цитоплазмических геномов" Проект № 10-05-00568/а. "Сравнительные исследования Кабанов М.В.

дендрохронологий трития различных видов древесной растительности южно-таежной подзоны Западной Сибири" Проект № 10-07-00547/а. "Информационно- Гордов Е.П.

вычислительная система для обработки и анализа больших архивов пространственно распределенных данных" Проект № 11-05-08170/з Участие в международной кон- Головацкая Е.А.

ференции «Объединенное заседание общества водноболотных угодий, конференция по динаике загрязнителей и управлению водно-болотными угодиями и симпозиум по биогеохимии водно-болотных угодий»

Проект № 11-05-01190/а «Мониторинг и моделирование Окладников И.Г.

динамики парниковых газов в региональной климатической системе Западной Сибири»

Проект № 11-05-98062/р_сибирь_а «Разработка и иссле- Корольков В.А.

дование алгоритмов пространственновременногопрогнозирования возникновения и развития опасных метеорологических ситуаций и создание макета региональной измерительно-вычислительной системы для их реализации»

Проект № 11-04-10104/к «Организация и проведение экс- Петрова Е.А.

педиционных исследований филогеографии сосны кедровой сибирской (Pinus sibirica Du Tour) на основании анализа изменчивости цитоплазмических геномов»

Проект № 11-04-16050/моб_з_рос. Участие во Второй Курьина И.В.

всероссийской (с международным участием) полевой школе по почвенной зоологии и экологии для молодых ученых Проект № 11-05-06080/г «Организация и проведение Горошкевич С.Н.

международной конференции «Селекция и генетические ресурсы 5-хвойных сосен»

Проект № 11-05-06092/г «Организация и проведение IX Кабанов М.В.

Сибирского совещания по климато-экологическому мониторингу»

Проект № 11-05-16031/моб_з_рос Участие в VI школе- Маркелова А.Н.

семинаре молодых ученых России «Проблемы устойчивого развития региона»

Проект № 11-05-08352/з Участие в конференции Ameri- Титов А.Г.

can Geophysical Union Fall Meeting

1.2. РЕЗУЛЬТАТЫ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ

1.2.1. РАБОТЫ, ВЫПОЛНЕННЫЕ ПО ПРОГРАММАМ СО РАН 1. Проект VII. 63. 1.1. Исследование динамических характеристик климатообразующих атмосферных и гидросферных процессов.

ВАЖНЕЙШИЕ ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Мониторинг состояния приземного слоя в предгрозовой атмосфере позволил установить, что в электрическом поле за несколько часов до прохождения мощной конвективной ячейки над пунктом наблюдения возникают квазипериодические колебания с периодами от 15 мин до 2 ч и более. Сравнение этих данных с микробарографическими измерениями (ИФА РАН) показало, что природа этих колебаний связана с акустико-гравитационными волнами, которые могут являться вынуждающей внешней силой, ответственной за процессы самоорганизации мезомасштабных конвективных систем (Ипполитов И.И., Кабанов М.В., Нагорский П.М.).

На поясняющих рисунках (а, в) представлены модули средних вейвлетспектрограмм электрического поля до прохождения грозы, для дневных и ночных гроз соответственно, время (ось абсцисс, часы) отсчитывается от начала грозы, по оси ординат отложен масштаб колебаний в минутах. Здесь же (б, г), также для дневных и ночных гроз, представлены вейвлет-спектры усредненные на двухчасовых интервалах, ось абсцисс – масштаб колебаний, ось ординат – амплитуда, кривые 1, 2, 3, 4 соответствуют интервалам усреднения 8–6 ч, 6–4 ч, 4–2 ч и 2–0 ч до прохождения конвективных ячеек.

В дневных условиях усредненный вейвлет-спектр колебаний электрического поля содержит максимумы в диапазонах периодов: 95–130 мин; 50–75мин и 15– мин. Усреднение вейвлет-спектрограмм проведено по 60 случаям прохождения мощных конвективных ячеек над пунктом наблюдения в летние периоды 2006– 2008 гг. Вначале в вейвлет-спектре появляются наиболее низкочастотные колебания с периодом ~ 130–135 мин, затем – с периодом ~ 70–75 мин и последними – вариации с наиболее короткими периодами. Средние амплитуды в полосах этих максимумов за 3–0.5 ч до прохождения конвективной ячейки в 2–5 раз превосходят амплитуды, зарегистрированные за 8–7 ч до появления интенсивных вариаций, связанных с прохождением мощной конвективной ячейки.

Полученный результат указывает на то, что подготовка грозы происходит по закономерному сценарию, определяемому развитием мезомасштабных конвективных систем. При этом сценарии развития гроз четко различаются для дневных и ночных условий. Важную роль в этом процессе играет возбуждение акустикогравитационных волн (АГВ), источниками которых являются иерархически соподчиненные скопления областей развития и мезомасштабных конвективных систем в целом. Последнее представляет наибольший интерес, поскольку именно АГВ могут являться той вынуждающей внешней силой, которая ответственна за процессы самоорганизации мезомасштабных конвективных систем.

2. Изменчивость элементов радиационного баланса позволяет описать 50% а в отдельные месяцы до 70% дисперсии температурного поля азиатской территории России (АТР) за 1979-2008гг., тогда как совместный учет компонентов радиационного баланса и индексов глобальной циркуляции позволяет увеличить долю описываемых изменений до 84%. Среди индексов глобальной циркуляции, определяющую роль в изменении аномалий температуры АТР играют процессы блокирования западного переноса, описываемые индексом SCAND (Ипполитов И.И., Кабанов М.В., Логинов С.В. Харюткина Е.В.).

В поясняющей таблице приведены среднегодовые коэффициенты детерминации (R2) регрессионных моделей, построенных по данным реанализа JRA-25 за период 1979-2008гг. и описывающей изменчивость температуры на азиатской территории России (АТР) в зависимости от циркуляционных и радиационных факторов.

Циркуляционные радиационные При проведении регрессионного анализа изменчивости температуры воздуха использовались две группы предикторов: циркуляционная и радиационная. В циркуляционную группу, описывающую влияние глобальной циркуляции на изменчивость температуры вошли индексы глобальной циркуляции: арктической осцилляции (AO), северо-атлантической осцилляции (NAO), блокирования западного переноса (SCAND) и южного колебания (SOI). Для территории Дальнего Востока к числу циркуляционных предикторов был добавлен индекс западно-тихоокеанской циркуляции (WP). Радиационная группа включала в себя следующие величины:

аномалии баланса коротковолновой радиации на уровне поверхности, аномалии длинноволновой радиации на уровне поверхности, аномалии сумм потоков скрытого, явного тепла и потока тепла в грунт, а также аномалии облачности. Также был проведен анализ с учетом всех предикторов из обеих групп.

Преимущественное влияние на изменчивость температуры на АТР принадлежит составляющим радиационного баланса. Это, в основном, обусловлено большими значениями соответствующего значения коэффициент детерминации для территории Западной Сибири. Над территорией Восточной Сибири циркуляционные и радиационные факторы оказывают влияние на изменчивость температуры в равной степени. Для территорий Западной Сибири, Дальнего Востока и для АТР наблюдается взаимосвязь между климатическими факторами.

Глобальная циркуляция вносит вклад от 30 до 70% в различные месяцы в изменение температуры на территории АТР, причем это влияние сказывается в нижней тропосфере (до высоты 500гПа). С увеличением высоты зависимость ослабевает и уменьшается доля описываемой дисперсии.

Установлено, что рост или снижение температуры в отдельном календарном месяце сопровождается снижением или ростом процессов блокирования западного переноса. Связь с NAO преимущественно положительная, что связано с усилением западного переноса, Статистически значимой связи изменений температуры с изменениями давления в экваториальной части Тихого океана (индекс SOI) не установлено. Основной циркуляционный механизм, формирующий режим температуры воздуха азиатской территории России, в целом, описывается индексом SCAND практически на протяжении всего года.

ДРУГИЕ ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. В результате проведенных исследований выполнена суммарная оценка эмиссии СО2 с поверхности торфяной на олиготрофном болоте, которая показала, что суммарный годовой поток СО2 составляет для сосновокустарничково-сфагнового ряма 1336 гСО2/м2, для осоково-сфагновой топи 1572 гСО2/м2. При этом зимней и весенней эмиссией на топи можно пренебречь, используя для годовой оценки только эмиссию за теплый период года, а для ряма необходимо учитывать, так как зимняя и весенняя эмиссия СО2 на ряме составляет более 10 процентов от суммарной.

Сосново-кустарничково-сфагновый Процессы замерзания и оттаивания почв в осенний и весенний период являются типичными для условий Западной Сибири. В зимний период почва находится в замерзшем состоянии, особенно водонасыщенные слои и, следовательно, активность микробиологических и физико-химических процессов значительно снижается.

Эмиссия СО2 с поверхности болотных экосистем в зимний период, а так же в периоды замерзания и оттаивания торфяной залежи слабо изучена. В то время как для оценки углеродного баланса и зимняя эмиссия и особенно выделение СО 2 при оттаивании являются очень важными. Поток СО2 в зимний период относительно мал, но из-за большой продолжительности периода с устойчивым снежным покровом этот поток оказывает существенный вклад в годовой баланс CO2.

В лабораторных экспериментах оценивалась эмиссия СО2 в процессе оттаивания торфяных монолитов. Средняя скорость эмиссии СО2 при оттаивании составляет 1.86 ппм/мин для сосново-кустарничково-сфагнового ряма и 1.06 ппм/мин для осоково-сфагновой топи. При повторном замораживании монолитов торфа скорость выделения СО2 при оттаивании снижается на топи на 25%, на ряме на 37%. Скорость эмиссии СО2 зависит от температуры, наибольшие коэффициенты корреляции получены для скорости выделения и температуры поверхности образца (r = 0.87 – 0.84).

Полученные данные могут быть использованы при оценке суммарного потока СО2 с поверхности торфяных почв в течение зимнего и весеннего периодов, а так же анализе изменений в углеродном цикле в болотных экосистемах происходящих при деградации многолетней мерзлоты.

В весенний период, когда снег уже сошел, а торфяная залежь еще остается замерзшей и в дневное время происходит ее нагрев, а в ночное – замерзание, в этот период активизируется эмиссия СО2 с поверхностного слоя. В этот момент происходит постепенное протаивание торфяной толщи. Установленные по нулевой температуре границы замерзания и оттаивания торфяной поверхности позволили рассчитать продолжительность весеннего периода 54 и 28 дней для ряма и топи соответственно, и для зимнего периода – 158 и 141 для ряма и для топи. Эта продолжительность периодов и учитывалась при оценке суммарной эмиссии.

Для весеннего периода величина эмиссии рассчитывалась с учетом зависимостей скорости эмиссии от температуры, полученных в ходе экспериментов по оттаиванию торфа. Суммарный поток СО2 в весенний период для ряма 60 гСО2/м2, для топи 14 гСО2/м2.

Результаты измерения эмиссии СО2 с поверхности торфяной залежи после установления устойчивого снежного покрова, показывают, что даже после замерзания торфа и наличия снежного покрова эмиссия СО2 продолжается и среднем для ряма составляет 24 мг/м2час, и для топи 7 мг/м2час. Суммарный поток СО2 за зимний период составляет рям 91 гСО2/м2, топь 24 гСО2/м2.

С 2008 года на исследуемых фитоценозах проводятся измерения эмиссии СО2 в течение теплого периода года. На основании выявленных ранее зависимостей эмиссии СО2 от температуры воздуха рассчитан суммарный поток СО2 за теплый период года, который составляет для ряма – 1186 гСО2/м2 и для топи – гСО2/м2.

Для оценки общей эмиссии СО2 в течение всего года суммировались потоки рассчитанные для теплого периода (лето), для периода с замерзшим деятельным слоем почвы (зима) и периода когда существует оттаявший верхний слой почвы, а глубинные слои сохраняются в мерзлом состоянии (весна).

Таким образом исходя из полученных данных суммарный годовой поток СО составляет для ряма 1336 гСО2/м2, для топи 1572 гСО2/м2. При этом зимней и весенней эмиссией на топи можно пренебречь, используя для годовой оценки только эмиссию за теплый период года, а для ряма необходимо учитывать, так как зимняя и весенняя эмиссия СО2 на ряме составляет более 10 процентов от суммарной.

2. Полученные в ходе проведенных исследований концентраций ртути в почвах г. Томска не превышают ПДК и кларк концентрации (за исключением района пос. Восточный), что свидетельствует о низком уровне загрязнения. По результатам измерения содержания ртути в твердом осадке снега и почвах в г.

Тоске и расчета основных эколого-геохимических показателей Советской, Октябрьский и Ленинский районы испытывают повышенную ртутную нагрузку. Кировский район можно назвать относительно чистым.

Коэффициенты концентрации ртути в объектах окружающей среды г. Томска Объект Кб=CHgраст/CHgпочв 0,47-3,30/1, Примечание: CHg-концентрация ртути, Кc=CHg/Сф - коэффициент концентрации ртути относительно фона, Ка=CHg/Кг –коэффициент аэрозольной аккумуляции ртути относительно Кларка в гранитном слое континентальной земной коры, PHg= CHg*Pn/100 общая нагрузка на снеговой покров, KpHg = PHg/Рф - коэффициент общей нагрузки, КcПДК=CHg/СПДК - коэффициент концентрации ртути относительно ПДК, Кк=CHg/К – Кларк концентрации ртути, Кб=CHgраст/CHgпочв – коэффициент биоаккумуляции, * min-max/среднее значение Для определения ртутной нагрузки на территорию г. Томска было проведено обследование почвенного покрова (120 проб, равномерно покрывающих территорию г. Томска), а также твердого осадка снега. Рассчитаны коэффициенты концентрации ртути (см. табл.) для почвы, снега, древесины, грибов. Для выявления возможных источников ртутного загрязнения были обследованы территории 56 основных градообразующих промышленных предприятий, расположенных на территории г. Томска.

В Томске формирование ореолов рассеяния ртути связано с деятельностью ряда промышленных предприятий, а также с рельефом города и преобладающим направлением ветра. Существенным источником поступления ртути в среду города может являться деятельность ГРЭС-2, шпалопропиточного, радиотехнического, электромеханического заводов, ООО «Эмальпровод», а также автотранспорт.

Содержание ртути в твердом осадке снега на территории г. Томска отражает экологическую обстановку в зимний период и подтверждает роль преобладающего направления ветра в перераспределение ртутного загрязнения по территории города.

3. Исследование по данным реанализа межгодовой изменчивости влагосодержания атмосферы за период 1891-2008 гг. на территории России, а также меридиональной и зональной компонент потоков влаги за период 1979-2009 гг., выявило области с наибольшими скоростями изменения влагосодержания:

максимальное увеличение значений приходится в летние месяцы на Прикаспийский район, юг Западной Сибири и Приморье (0,8 г/кг за 10 лет). Методом обратных траекторий воздушных частиц установлена тенденция усиления северных потоков влаги для Западной Сибири (от 0,3% до 10,8% за 10 лет) и ослабления западных потоков влаги (от 10% до 2% за 10 лет).

Исследование межгодовой изменчивости влагосодержания атмосферы, а также меридиональной и зональной компонент потоков влаги проводилось по данным реанализов: 20th Century Reanalysis с пространственным разрешением 2ох2о за период 1891г. по 2008г. и JRA-25 с пространственным разрешением 1,25ох1,25о за период 1979г. по 2010г. Временная изменчивость поля влажности над территорией России в течение 20-го столетия анализировалась по данным 20th Century Reanalysis на стандартных изобарических уровнях тропосферы за 4 временных периода: 1891-1920гг., 1921-1950гг.,1951-1980гг., 1981-2008гг. Для гПа по полученным значениям тренда были выделены области с их максимальными значениями. При исследовании трендов, выявлено, что максимальные значения приходятся на первую половину 20-го века (от 0,55 до 1,4 г/кг за 10 лет), во второй половине их величина меньше (от 0,35 до 0,7 г/кг за 10 лет). В районе полуострова Камчатка в течении 20-го столетия наблюдаются положительные тренды влажности с июня по сентябрь, что обусловлено высоким влагосодержанием воздушных масс, поступающих с Тихого океана.

Для каждого периода установлены области с максимальными значениями тренда удельной влажности: 1891-1920гг. восточная часть полуострова Камчатка и Командорские острова (от 0,6 до 0,9 г/кг за 10 лет), 1921-1950гг. Ишимская и Васюганская равнины (от 0,55 до 1,4 г/кг за 10 лет), а также прибрежные районы Белого и Баренцева морей максимальные значения тренда (0,7 до 1,3 г/кг за 10 лет) приходится на летние месяцы. Тренды за периоды 1951-1980 гг. и 1981-2008 гг.

совпадают и выделяются район Приволжской возвышенности (от 0,4 до 0,7 г/кг за 10 лет) и Салаирского кряжа (от 0,4 до 0,6 г/кг за 10 лет). Максимальные значения приходятся на конец лета начало осени (рис.1.1).

Рис. 1.1. Пример основных приходящих потоков (сплошные стрелки) за период 1979-2009гг. на юг Западной Сибири: западные (красные стрелки); северный (синяя стрелка). пунктиром показан восточный поток (наблюдается редко).

Методом обратных траекторий воздушных частиц по данным реанализа JRA-25 были установлены основные направления влагопереноса в области повышенного влагосодержания и выявлена тенденция увеличения доли количества потоков влаги для Западной Сибири с северного направления (от 0,3% до 10,8% за лет) и уменьшения потоков влаги пришедших с западного направления (от 2% до 10% за 10 лет). Для Камчатского п-ва характерна противоположная тенденция:

уменьшения доли северных потоков влаги (до 2,8% за 10 лет) и увеличения доли потоков влаги с западных направлений (до 2,5% за 10 лет).

2. Проект VII.63.1.2. Развитие информационно-измерительных технологий и разработка алгоритмов многомерного анализа для мониторинга и моделирования природно-климатических изменений.

ВАЖНЕЙШИЕ ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Разработаны средства и процедуры описания природно-климатических условий (ПКУ) регионов на основе агрегирования разнородных интегральных оценок различных составляющих и содержательного матричного описания их элементов. По результатам комплексной оценки получены описания ПКУ регионов на основе матриц интегральных оценочных характеристик климата и типов местных криогенных, гидрологических и ландшафтных условий. Описания ПКУ позволяют проводить количественную оценку внутривековых и многовековых региональных природно-климатических изменений.

Описание ПКУ опирается на результаты комплексной (многоуровневой) оценки характеристик регионального климата и типизации местных природных условий. В основу типизации ПКУ положены выявленные закономерные связи ритмов многолетних изменений, интегральных оценочных характеристик климата, местных гидрологических, криогенных условий, свойств ландшафтов (экосистем, напочвенного покрова) и местных климатообразующих факторов. Выявлены особенности изменений региональных климатов Западной Сибири, обусловленных влиянием климатообразующих факторов речной долины, свойствами преобразованных ландшафтов, таежных экосистем с повышенной гидроморфностью (лесоболотных комплексов), которые влияют на влагооборот. Установлена климатически значимая роль криогенных процессов, определяющих тепловой баланс, гидротермические условия и местный тепловлагооборот, в зоне деградации островной мерзлоты. На основе результатов анализа выявлены следующие типы криогенных условий: вечная мерзлота (ВМ), островная многолетняя мерзлота (ОММ), редкоостровная мерзлота (РОМ), глубокое промерзание грунтов (ГПГ), промерзание грунтов очаговое (ПГО), промерзание почв частое (ППЧ), промерзание почв редкое очаговое (ППРО). Выделены типы гидрологических условий: засушливые (З), умеренно гидроморфные (УГ), гидроморфные (Г), повышенной гидроморфности (ПГ). Проведена ландшафтная типизация территории: степь с очагами аридизации (СОА), степь с частыми засухами (СЧЗ), лесостепь (ЛС), лесная территория (Л), таежная гидроморфная территория (ТГТ), лесоболотная территория (ЛБТ), северная тайга (СТ), лесотундра (ЛТ), тундра (Т), горная территория (ГТ). При агрегированном описании ПКУ используют матричное описание оценочных характеристик (табл. 1) климатических условий, ландшафтов и типов криогенных, гидрологических условий.

Таблица 1. Агрегированное описание природно-климатических условий региона многолетних летних изме- ночных харак- Состав Характери- Характеристики Матрица агрегированного описания природно-климатических условий региона имеет вид:

Пределы Тг (°С) Пределы Zвп(°С) Тип леса (доля) Глубина (м) Засухи (З) Пределы А(°С) Пределы ТI(°С) Луг (доля) Повторяемость (f) Повторяемость (f) Пределы Ог(мм) Пределы Овп(мм) Пашня (доля) Матрица оценочных характеристик климата включает ритм многолетних изменений температурного режима, пределы многолетних изменений: среднегодовой температуры, сумм температур теплого периода года, холодного периода года, сумм температур вегетационного периода, температуры января, сумм осадков вегетационного периода, годовых осадков.

Таблица 2. Матрица характеристик природно-климатических условий территории Омской области

CCDCCCDC

Пример агрегированного описания современных природно-климатических условий территории Омской области приведен в табл. 2.

Климатические условия: Тг=03,8 °C, ритм С С D E D, Zтп=8095°C, Zвп=6570°C, TI=-8-27 °C, Oвп=110230 мм Ландшафт: лесостепь (ЛС), смешанный лес (СЛ), Луг (Л), Пашня (П), остальное – Застройка, ЖКХ, Автострада, ТЭЦ.

Криогенные условия: промерзание почв частое (очаговое) ППЧ(О).

Гидрологические условия – умеренно гидроморфные (УГ), засухи (З) с частотой повторяемости 0,4.

Содержательное расширенное описание ландшафтов включает: состав и характеристики экосистем, природно-хозяйственных комплексов, объектов техносферы, жилищно-коммунального хозяйства. Например, состав смешанного леса (СЛ) описывается формулой леса (Б10 О8 С7), где Б-береза, О-осина, С-сосна. При описании луговой растительности используют количественные оценки соотношения видов сообщества. Описание криогенных условий в зоне мерзлоты включает:

тип, составляющие теплового баланса (ТБ), характеристики сезонного талого слоя (СТС). Например, криогенные условия территории Братска: РОМ, ТБ [0.52, 0.3, 0.18], СТС[L=1.6 м, Т=24 °C].

Проведена комплексная оценка современных природно-климатических условий в регионах Сибири, выявлены особенности изменений региональных климатов Западной Сибири, обусловленные местными климатообразующими факторами. Матричное описание позволяет проводить количественную (многопараметрическую) оценку внутривековых и многовековых региональных природноклиматических изменений.

ДРУГИЕ ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработка базовой системы сетевых программно-управляемых измерителей параметров природно-климатических изменений и технологии формирования базы данных мониторинга с реализацией удаленного веб-доступа.

Изменение климатических характеристик, которое в значительной степени сопровождается ростом количества опасных природных явлений и ростом экономических потерь, требует разработки моделей климата с высокой разрешающей способностью для своевременного и конкретного предсказания. По этой причине усиливается необходимость непрерывного инструментального мониторинга состояния окружающей среды. Одним из возможных вариантов реализации этой проблемы нами была предложена разработка и включение в систему мониторинга наряду с имеющимися базовыми станциями метеоизмерений, климатического и экологического мониторинга также программно управляемой сети необслуживаемых автономных станций мониторинга, имеющих малую стоимость и длительную (более 5-7 лет) работоспособность, для получения исходных данных с малым территориальным и временным разрешением.

Предложенная базовая структура системы автономного мониторинга состоит из распределенной сети станций или комплексов мониторинга, специализированного центрального сервера, пользователей, обладающих необходимым программным обеспечением и осуществляющих доступ к серверу посредством браузера, и интернета, как связующего звена.

Низкая цена определяется выбором комплектации, заменой покупных дорогостоящих датчиков собственными, малыми временными затратами на разработку благодаря готовым наработкам в этой области.

Таблица 3. Основные применяемые датчики:

Датчик атмосферного давления 600…800 мм. рт.ст., (устанавливается на плате контроллера) Датчик температуры и влажноHIH-4021-003;

сти воздуха в радиационной за- 55…+50°C, 0,1 °C DS18B Датчик скорости и направления Датчик количества жидких осадDavis Датчик влажности грунта Датчик уровня воды Датчик проводимости воды Датчик уровня снега (м) Датчик солнечной радиации диапазон 0,2…10 мкм, (балансомер) Приведенные в таблице 3, датчики, кроме 4 - 6, были разработаны для замены импортных и удешевления системы.

Зонд профиля температуры грунта представляет собой полипропиленовую трубу диаметром 25 мм с размещёнными в ней датчиками (глубины: 2, 5, 10, 15, 20, 40, 60, 80, 120, 160, 240, 320 см.). Для измерения температуры поверхности грунта предназначен отдельный датчик. Для измерения температуры используются удобные по подключению, малогабаритные цифровые датчики DS18B20.

На конец отчетного периода завершена разработка программного обеспечения (ПО) 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. Идет тестирование и доводка серверного ПО, разработка тестового и калибровочного ПО и интерфейса пользователя.

2. Комплексные исследования и радиоуглеродное датирование торфяных отложений с целью оценки функционального палеосостояния в голоцене и современного состояния южно-таежных болот.

На основании анализа данных многолетних комплексных детальных исследований функционального состояния в голоцене южнотаежных болот для выбора оптимальных объектов для датирования было выявлено значительное искажение данных радиоуглеродного датирования: 1) значительное омолаживание возраста переходных и верховых торфов олиготрофных участков болот, формировавшихся путем зарастания сплавинами первичных озер преимущественно атмосферного питания (б. Темное, Цыганово); 2) значительное удревнение возраста низинных карбонатных торфов евтрофных участков болот: сплавин первичных озер(б. Кирек), погребенных в долинах малых (Бровка) и больших (Томь) рек, питающихся гидрокарбонатными водами; 3) частые инверсии и значительные различия возраста при повторном датировании на болотах как суходольного (б. Темное, Аргатьюл), так и озерного генезиса (б.Кирек); 4) искажение возраста на границах палеостратиграфических рубежей обусловленные прекращением торфонакопления; и установлено, что оптимальными для датирования являются верховые залежи у подножия повышений мезорельефа водоразделов, сформировавшиеся в благоприятных микроклиматических условиях (б. Иксинское).

Рис.2.1. Стратиграфические разрезы южнотаежных болот Западной Сибири с противоречивыми данными радиоуглеродного датирования 3. Разработка формализма матричного описания природно-климатических условий и алгоритмов многомерного численного анализа климатогенных процессов с оценкой меры коллективности и её максимизации. Исследование ритмики в согласованных рядах оценочных характеристик климатических процессов, данных палеомониторинга и дендрохронологии, с выделением локальных и глобальных составляющих.

Основными факторами, формирующими температурные поля, являются солнечная радиация, характер подстилающей поверхности и циркуляция атмосферы. Из них подстилающую поверхность стоит отнести к региональным факторам, а циркуляция атмосферы имеет как глобальный, так и региональный характер. В результате возникает неоднородное температурное поле: размеры областей локальной однородности уменьшаются, а вклад микрометеорологических процессов, влияние суточного и годового хода температуры увеличивается. Исследования температурных полей региональных масштабов требуют большой детальности, поскольку перенесение результатов, полученных для определенного района, сезона или времени суток на другие районы может оказаться неправомерным. С другой стороны, эти синоптические движения вносят существенный вклад в общую циркуляцию атмосферы и поэтому подлежат изучению как составная часть глобальных процессов.

Цель данного раздела работы состоит в исследовании связности или согласованности изменений температурного поля как на масштабах, определяемых расположением метеостанций, так и всей территории Сибири, мерой связности будет коэффициент корреляции.

В последнее время исследования связности проводились на основе формализации утверждения, что внешнее вынуждающее воздействие, общее для какой-либо физико-географической единицы, проявляется в сходстве существенных признаков всех процессов в ее пределах. Введенный критерий дает количественную характеристику этого воздействия. При анализе согласованности на всей Азиатской территории России зимой были выделены области, занимаемые обширным Азиатским антициклоном. Для летнего периода была выявлена аномалия синхронности термического поля, очевидно связанная с поглощением тепла водными массами в бассейнах сибирских рек.

Для исследования были привлечены средние месячные температуры воздуха на 134 станциях Азиатской территории России за период с 1955 по 2010 годы. Сеть станций достаточно равномерная, хотя отмечается более плотная сеть на юге территории и менее плотная на севере.

В результате исследования было получено территориальное распределение коэффициента связности температурного поля по АТР в годовом ходе (рис.2.2). В январе отмечается обширная территория в центре АТР повышенной связности с центром в районе рек Тунгуска и Ангары. При этом степень связности доходит до 0,9. В феврале поле практически не меняется, однако видно сокращение территории с высокой связностью, при этом процессы на севере и востоке практически не коррелируют с процессами в центре АТР. Это объясняется увеличением циклонической деятельности на севере и западе АТР. В марте, территория, охваченная высокой связностью сохраняется, однако уменьшается ее интенсивность. В апреле происходит дальнейшее сокращение территории, со смещением центра на запад в район города Сургута, что можно объяснить разрушением зимнего центра действия атмосферы – Азиатского антициклона. В мае и июне эти процессы углубляются (уменьшается величина территории, охваченная высокой сопряженностью и ее эффективность). В июле и августе происходит резкий сдвиг максимальной интенсивности в район Омской области. Над всей восточной частью АТР в июле, августе преобладают циклонические процессы с высокой изменчивостью во времени. С сентября территория, охваченная высокой связностью, увеличивается и этот процесс продолжается до февраля – марта, что объясняется становлением Азиатского антициклона с его устойчивым температурным режимом.

Рис. 2.2. Территориальное распределение коэффициента связности температурного Классификация позволяет определить районы с однородной структурой. Характер классов позволяет оценить степень качества прогнозов средней месячной температуры. Выявление нерепрезентативных станций позволит не учитывать их при составлении прогноза, а также при интерполяции данных.

Классификация позволяет определить районы, для которых общим будет являться период отопительного сезона, что, несомненно, позволит применить энергосберегающие технологии, в частности в распределении энергоресурсов.

Используя типовой ряд для каждого класса можно получить характеристики временных рядов общих для территории, охваченной классом.

Динамика распределения коэффициента связности температурного поля по АТР в годовом ходе при дальнейшем исследовании позволит установить механизмы, формирующие общее поле температуры, особенно с учетом характеристик циркуляции.

4. 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.

Оценка устойчивости оползневого склона по параметрам естественного импульсного электромагнитного поля Земли в системе АСК-ГП.

Источниками естественных электромагнитных полей, на регистрации которых базируется система мониторинга опасных геологических процессов, являются неоднородности структуры грунтов, разнонапряженные структуры, трещины и микротрещены. Под действием деформационных волн из нижней мантии, приливных сил, микросейсмических колебаний, ветровой и техногенной нагрузки на этих источниках возникают импульсные электромагнитные поля, которые и создают естественный электромагнитный фон литосферного происхождения. Импульсные электромагнитные поля могут меняться как при изменении напряженнодеформированного состояния (НДС) грунтов, так при изменении воздействия на источники полей. Многолетние измерения в различных регионах показали, что естественные импульсные электромагнитные поля Земли (ЕИЭМПЗ) литосферного происхождения имеет ярко выраженный устойчивый суточный и сезонный ход.

Это объясняется тем, что деформационные волны в земной коре связаны с вращением Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца.

Типичный суточный ход может изменяться локальными геологическими процессами вблизи станции наблюдения, атмосферными грозами, техногенными помехами. В связи с этим для мониторинга НДС грунтов необходимо применять не менее двух регистраторов ЕИЭМПЗ. Один из них (контролирующий) устанавливается в месте опасных геологических процессов, другой (реперный - вариационный) устанавливается на расстоянии, в месте не подверженном оползневыми и другими процессами, связанными с изменениями структуры и морфологии грунтов. Для повышения достоверности прогноза количество контролирующих и реперных регистраторов может быть увеличено. В таком случае реперные регистраторы выносятся в различных азимутальных направлениях от тела оползня, а контролирующие регистраторы располагаются сетью. Шаг сетки выбирается исходя из предварительных пространственных вариаций исследуемого района. Оценка НДС грунтов производится путем сравнения данных регистраторов. В случае, когда на контролирующих регистраторах интенсивность ЕИЭМПЗ будет существенно отличаться от интенсивности, зарегистрированной на реперных в течение трех суток и более, следует ожидать подвижек грунта из-за изменения НДС и принимать управленческие решения, связанные с защитой инженерных сооружений вблизи данного участка и минимизации последствий, связанных с его подвижкой.

В конце 2007 года была начата работа и запущена в опытную эксплуатацию первая очередь автоматизированной системы контроля геодинамических процессов (АСК-ГП) оползневого склона на трассе магистрального газопровода Уренгой – Помары - Ужгород в районе перехода через реку Кама. К настоящему времени комплекс состоит из двенадцати многоканальных геофизических регистраторов «МГР-01», размещенных в антивандальных бункерах на территории склона и за его пределами. Места размещения бункеров выбраны на основании комплексных геофизических исследований в точках с явно выраженными аномалиями напряженнодеформированного состояния горных пород.

Кроме регистраторов «МГР-01», на склоне оборудованы 4 специализированных скважины, в которых установлены тросовые датчики, регистрирующие горизонтальное смещение грунта на разных глубинах. Одновременно измеряется уровень и химический состав грунтовых вод. Дополнительно на всех 9-ти трубах газопровода, в верхней и нижней части оползневого склона, установлены интеллектуальные вставки (ИВ), которые измеряют деформацию металла.

На основании повторных площадных измерений естественного импульсного электромагнитного поля Земли в августе 2011 года, было предложено дополнительно обустроить две точки наблюдений в системе АСК-ГП, в этом случае общее количество точек наблюдений НДС грунта на оползневом склоне достигло 12.

Предложено использовать в качестве антивандальных бункеров не металлические конструкции, а специально изготовленные емкости из полиэтилена. Во-первых, материал не подвержен коррозии, во-вторых, обеспечивается более качественная герметичность и исключается необходимость выносить приемную антенну регистратора «МГР-01» из бункера.

Разработана принципиальная электрическая схема платы сопряжения регистратора «МГР-01» с модемом, зарядного устройства и контроля напряжения питания аккумулятора, с автоматическим отключением при понижении напряжения ниже допустимого. Схема реализована на 32-разядном ARM-контроллере AT91SAM7X256 с высоким быстродействием, что позволит использовать коммуникационное программное обеспечение в режиме реального времени.

Схема автоматизированной сети контроля НДС грунтов (АСК-ГП) оползневого склона на 27октября 2011г.

Однако, качественные хорошо воспроизводимые результаты могут быть получены только с учетом ряда принципиально важных особенностей естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ). К таким особенностям, прежде всего, следует отнести существование глобальных и региональных процессов, способных изменять интенсивность регистрируемого сигнала ЕИЭМПЗ, а также наличие импульсов, пришедших из-за пределов контролируемой территории.

Предложена концепция оценки геодинамических оползневых процессов по параметрам естественного импульсного электромагнитного поля Земли Предложенное применение обработки сигналов ЕИЭМПЗ и использование системы разнесенных в пространстве станций обеспечило высокоточные, хорошо воспроизводимые результаты, отражающие активность геодинамических склоновых процессов, с высокой достоверностью.

Применение методов регистрации естественного импульсного электромагнитного поля Земли позволило выявлять в структуре склона зоны повышенной и пониженной активности оползневых процессов, зоны растяжения и относительного сжатия, пространственную ориентацию напряжений.

Важным результатом выполненных работ стали итоги экспериментальной проверки возможностей пространственно-временного мониторинга НДС склона в масштабе реального времени. Удалось показать, что различные участки берега являются динамически развивающимися структурами, причем ситуация на различных участках оползня может изменяться даже в течение одних суток.

Для удобства работы операторов, обслуживающих данный участок магистрального газопровода, была разработана специальная программа оценки устойчивости оползневого склона системой АСК-ГП на трассе магистрального газопровода «Уренгой –Помары-Ужгород» при переходе реки Кама в режиме «светофора», где цветовая гамма позволяет судить о геодинамике горного массива в реальном времени. Причем, возможно просмотреть изменения НДС грунтов за последние 3-е суток, как в статике, так и в динамике. Это позволяет оперативно принимать инженерно - технические решения, для без аварийной эксплуатации газотранспронтых сооружений. Безусловно, решения должны применяться по результатам комплексной оценки, включающих показания ИВ вставок и других геофизических параметров (давление газа, метеообстановки, уровня и минерализации грунтовых вод) Пример экрана монитора оператора, результатов оценки геодинамики оползневого склона в режиме «светофора».

Система векторного анализа естественного импульсного электромагнитного поля Земли В последующие годы широко обсуждаются и разрабатываются методы прогноза стихийных природных явлений, основанных на регистрации импульсов ЕИЭМПЗ, возникающих в горных породах при их разрушении. Чрезвычайно высокая проникающая способность электромагнитных полей делает перспективными эти методы для наблюдения за процессами разрушения в горных массивах.

Патентный поиск позволил сформулировать общие недостатки аппаратуры по регистрации ЕИЭМПЗ, которые тормозят фундаментальные исследования и широкое использование в прикладной области. В частности, нет аппаратуры для векторного анализа сигналов ЕИЭМПЗ, в основном регистрируется импульсный поток и в некоторых случаях амплитуда. Именно по этой причине было принято решение создать макет по исследованию вопроса пеленгации сигналов ЕИЭМПЗ.

За основу выбран многоканальный геофизический регистратор «МГР-01», зарегистрированный в Государственном реестре, как средство измерения и позволяющий регистрировать сигналы двумя перпендикулярно ориентированными ферритовыми антеннами по двум независимым каналам. В качестве решающего устройства в канале стоит пороговая система, построенная на базе аналогового компаратора. Чтобы определить направление прихода сигналов, необходимо регистрировать их одновременно по двум направлениям, что не позволяют независимые пороговые системы Н-каналов в «МГР-01». Для синхронизации работы каналов были проведены некоторые схемотехнические решения и внесены изменения в алгоритм программного обеспечения.

В программном обеспечении, поставляемым со станцией МГР-01, предусмотрена возможность запуска преобразования АЦП с компьютера. Принцип работы данного макета следующий: с компьютера по команде пользователя приходит запрос на одиночное преобразование на вход ЕХ0 (внешнее прерывание) одного из контроллеров. Программа в нем была сконфигурирована таким образом, что по приходу импульса на ЕХ0 через порт Т1 запускается одиночное преобразование и на втором контроллере. Таким образом, имеем два синхронизированных канала.

Антенный блок состоит из двух перпендикулярно ориентированных ферритовых антенн для регистрации Н-компоненты ЭМС. В настоящий момент каналы работают независимо друг от друга и связаны только с платой управления. Каждый из каналов выполнен на базе микроконтроллера фирмы Analog Devices типа ADuC841BS. Микроконтроллер ADuC841BS имеет встроенный 8-канальный 12разрядный аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), два цифро-аналоговых преобразователя (ЦАП), встроенные счетчики импульсов, последовательный порт, датчик температуры кристалла, встроенное электрически перепрограммируемое ПЗУ емкостью 64 Кб, ОЗУ емкостью 2304 байт и энергонезависимую память данных емкостью 4096 байт. АЦП может работать с частотой оцифровки до 400 кГц. С помощью АЦП оцифровывается аналоговый сигнал измеряемого параметра ЕИЭМПЗ. В ПЗУ хранится программа, которую выполняет микроконтроллер.

Полевые испытания созданного макета проводились на метеостанции в Академгородке и на стационаре ИМКЭС СО РАН «Киреевск».

Созданный комплекс позволит более глубоко понять природу сигналов ЕИЭМПЗ и даст толчок к расширению практического использования методов в сейсмологии, геофизике и других областях народного хозяйства.

3. Проект VII.63.1.3. Трансформация энергетических характеристик геосистем в условиях глобальных климатических изменений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Предложены и апробированы методики определения количества энергии различных природных потоков, формирующих экологическую ёмкость территории на примере типичных ландшафтных провинций Западной Сибири и Горного Алтая. (Невидимова О.Г., Кузнецов А.С., Волкова Е.С.) В том числе, разработан алгоритм и комплекс программ для расчета составляющих радиационного баланса на поверхности склонов различной крутизны и экспозиции.

Дана количественная оценка территории горноледникового бассейна реки Актру по величине радиационного баланса.

На основе топографических карт, космических снимков и материалов инженерногеоморфологических исследований с помощью программного ГИС обеспечения Microdem Terrabase II (V. 10.12) для данной территории составлена карта-схема распределения значений радиационного баланса. Установлено в частности, что максимальные величины радиационного баланса соответствуют участкам рельефа южной, юго-западной, юго-восточной экспозиции с углами наклона от 20° до 35°;

минимумы приурочены к крутым склонам (более 25°) северной, северо-восточной экспозиции – с увеличением угла наклона значение радиационного баланса резко сокращается. Наиболее равномерно значения радиационного баланса распределяются в июле по пологим склонам независимо от экспозиции.

Рис. 3.1. Районирование территории Рис. 3.2. Оценка ресурсного потенцигорноледникового бассейна реки Ак- ала лесных экосистем Томской облатру (Горный Алтай) по величине ра- сти по удельной теплотворной сподиационного баланса, МДж/год собности по основным породам (береза, кедр, осина, пихта, сосна, лиственично-хвойный лес), МДж/га Также на основе методики дифференцированной оценки валового потенциала энергии древесных пород через удельную теплотворную способность рабочей биомассы, дана количественная характеристика ресурсного потенциала лесных экосистем по основным породам Томской области: береза, кедр, осина, пихта, сосна и лиственично-хвойный лес. Расчеты, проведенные в среде пакета Mapinfo, показали, что наибольший валовый потенциал энергии древесных пород на территории Томской области (более 22 000 МДж/га) сосредоточен в пихтовых лесах Верхнекетского и Васюганского лесничеств, а наименьший (менее 16 000 МДж/га) в осиновых лесах. Причем энергетические характеристики древесных пород не всегда коррелируют с запасами и площадью.

2. Геоэлектрическое профилирование плотин моренно-подпрудных озер (Аккольского и Маашейского, Горный Алтай) позволило выявить зоны формирования термокарстовых поноров (участков потенциальной катастрофической разгрузки водоемов) при современных климатических изменениях. (Бородавко П.С.) Оценка устойчивости плотины Маашейского озера проведена с применением методов подповерхносного геоэлектрозондирования и компаративного анализа материалов полихронной аэрокосмосъемки. Геоэлектрическое зондирование мореноозерных дамб, сложенных многолетнемерзлыми породами проведено с использованием геофизического комплекса ABEM Terrameter SAS 300C.

В результате исследований получены данные по фильтрационной устойчивости мерзлых пород слагающих плотину, выявлены опасные участки формирования подземных термокарстовых каналов стока, образующихся при вытаивании массивов погребенного льда.

Изменение климатических параметров вызвало преобразование энергетического баланса и трансформацию морфодинамических характеристик мореных комплексов, что привело к образованию термокарстовых поноров. Дальнейшее развитее данных процессов, несомненно, приведет к прорыву мореных плотин и катастрофическим последствиям в их нижних бьефах.

Рис. 3.3. Зоны формирования термокарстовых поноров (слева) и электротомограммы по линиям A-B и C-D плотины Маашейского озера (справа). Льдистые горные породы с отрицательными температурами на томограммах показаны оттенками синего цвета, оттаявшие влагонасыщенные грунты отмечены оттенками красного.

ДРУГИЕ ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Проведен анализ условий формирования пойменно-руслового комплекса «Верховье реки Актуру» и особенностей морфологии русла в верхнем течении р. Актру. Выявлены количественные характеристики обратной связи в механизме саморегуляции «русло-поток» р. Актру. Основным видом обратной связи в русловой системе является изменение уклона на стыке участков с различными его значениями. Сущность этой связи может быть выражена следующим образом.

Если на каком-либо участке скорость руслового потока не достаточна для перемещения всего поступающего обломочного материала, то это является причиной его аккумуляции. Аккумуляция выполняет роль обратной отрицательной связи, вызывающей уменьшение расхода твердого вещества в верхнем створе участка. С другой стороны, ниже по течению, аккумуляция играет роль обратной положительной связи, вызывающей увеличение уклона дна и соответственно расхода вещества.

Наиболее яркое выражение эта связь получает на тех участках реки, где движение руслового потока происходит в собственных отложениях. Таким участком на реке Актру является ранее выделенная аккумулятивная подсистема, называемая долинным зандром. Анализ уклонов реки Актру от места слияния до выхода с зандровой поверхности позволил выявить особенности регулирования русловым потоком своих уклонов.

Следует отметить, что подобный механизм саморегуляции отмечается как на границе транзитной и аккумулятивной подсистем, так и в их пределах.

2. На основе разработанной оригинальной легенды к картам геоморфодинамики (Поздняков А.В., 2005) с дополнениями, необходимыми для оценки энергетического бюджета геоморфосистем, составлена карта динамики современного рельефообразования с определением количественных характеристик ведущих геоморфологических процессов горноледникового бассейна р. Актру.

При составлении карты учитывались сведения о количественной величине расхода вещества в литопотоках, скорость и направления процессов рельефообразования, отражается динамически равновесная граница. Представлен фрагмент карты морфодинамики горноледникового бассейна р. Актру.

3. Предложена универсальная методика расчета энергетической эффективности функционирования лесохозяйственной системы. На примере посадки семян сосны в Тимирязевском лесхозе рассчитана энергетическая эффективность функционирования лесохозяйственной системы.

Оценка эффективности функционирования лесохозяйственной системы была дана на основе методики Г.Одума с учётом климатических характеристик южной зоны тайги на примере расчета энергетической стоимости сосны обыкновенной. Проведенный расчет показал, что за 100 лет на рост и питание группы сосны на 1 га было затрачено: солнечного излучения 105000 ГДж; осадков 63,8495 ГДж; минеральных и органических веществ из почвы 72,85 ГДж. Суммируя эти величины, и, отнеся их к количеству лет плодоношения, получаем, что для прироста сосны за один год в среднем расходуется 150,1952 ГДж природной энергии.

На долю техногенных вкладов приходится всего 1/10 часть всех затрат энергии.

В ходе исследования был проведен сравнительный анализ по лесовосстановлению сосны обыкновенной посевом семян и посадкой 2-летних сеянцев сосны.

Этот анализ показал, что коэффициент энергетической эффективности лесовосстановления посевом семян Кее равен 2,7 с энергозатратами 22158 МДж/га, а энергозатраты на лесовосстановление посадкой 2-летних сеянцев сосны составляют 9409, МДж/га с коэффициентом энергетической эффективности лесовосстановления Кее = 2,4. Уменьшив долю ручного труда, механизировав посадку, найдя на основе данного анализа ещё пути для экономии энергозатрат, можно значительно увеличить эффективность лесовосстановительных работ.

Проведены комплексная оценка и районирование опасных природноклиматических явлений и рисков для аграрного землепользования на территории Томской области.

Для развития сельского хозяйства Томской области сложные природноклиматические условия во многом являются определяющими и варьируются по территории. Были выделены и проанализированы показатели, отражающие природно-климатические опасности, характерные для Томской области: резкие колебания суточного хода температур на поверхности почвы в апреле; число дней в году с градом более 20 мм; чисто дней в году с ливнями (апрель-октябрь) более мм/сутки; число дней с влажностью воздуха 30 % и менее (апрель-октябрь); кол-во дней с морозом на поверхности почвы (июнь, август); максимальное кол-во дней со скоростью ветра 15 м/с и более. Пространственно-временная оценка климатических условий, по совокупности индикаторных для Томской области климатических факторов, позволяет охарактеризовать область как территорию с большим природным рискоформирующим потенциалом для аграрного землепользования. Следующим «слоем» комплексного риск-анализа является территориальная оценка степени развития сельского хозяйства по определенным эколого-экономическим показателям. Заключительным этапом исследований стал расчет интегрального показателя риска аграрного землепользования.

Максимальные риски в аграрном землепользовании имеют Томский, Кожевниковский районы, где производится основная часть сельскохозяйственной продукции, и где на экономическую составляющую накладываются определенные неблагоприятные природно-климатические условия, такие как обильные и продолжительные атмосферные осадки, град, низкие (заморозки) и высокие температуры воздуха, резкость колебания температур в апреле, засухи, ветер, метели, грозы и пыльные бури. На севере области, где сельскохозяйственная деятельность сводится к минимуму, риски аграрного землепользования низкие, хотя природно-климатические условия крайне суровые и в отдельные годы могут приводить к полному уничтожению урожаев.

5. В рамках изучения чувствительности и уязвимости высокогорных геосистем и их реакции на климатогенный стресс исследован конечно-моренный комплекс (КМК) «малой ледниковой эпохи» ледника Софийского. По данным лихенометрической съёмки выделены этапы отступания ледника Софийский в «малую ледниковую эпоху».

Морена МЛЭ располагается примерно в 2 км от конца современного ледника и представляет собой сложную систему моренных гряд, тесно прижатых друг к другу, и в совокупности сформировавших конечную морену протяжённостью около 1,5 км. Моренный комплекс является подпрудой для Аккольского озера. Выше озера, до самого языка ледника располагается предледниковое зандровое поле с многочисленными следами блуждания основного русла, вытекающего из-под ледника.

Всего на КМК четко выделяется 13 моренных гряд, которые, после полученных данных по лихенометрии, были объедины в 7 разновозрастных групп, отражающих основные этапы его формирования. Лихенометрическая съемка КМК позволила выявить основные фазы активности ледника: Начало 17 века Середина 17 века Конец 17 – начало 18 веков Середина 18 века Конец 18 – начало 19 веков Середина 19 века 80-е годы 19 века. Таким образом, ледник сформировал конечную морену за семь временных этапов, начиная с начала 17 века по конец 19 века. Ледник был наиболее динамичен в конце17-начале 18 веков; середине 18 века; середине 19 века.

4. Проект VII.63.1.4. Экосистемные изменения на ландшафтных и климатических границах в условиях глобального потепления

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основе концепции границ и динамики ареалов установлено разнообразие мозаики конечных состояний ландшафта (лес, болото) и переходов между ними. Изменение конфигурации и фрагментация лесного покрова с течением времени определяется процессами торфонакопления в первичных очагах и экотонах локального уровня, сукцессией растительности, водным режимом и динамичностью внешних условий. (Пологова Н.Н.) Рис. 4.1. Развитие болотного процесса на Васюганской равнине.

Заболачивание, направленно изменяя ландшафты, приводит к фрагментации фонового биотического компонента, проявляется на локальном и ландшафтном уровнях различным сочетанием «конечных» состояний (лес и болото) и переходов между ними (лесоболотные экотоны). Экотоны ландшафтного уровня состоят из мозаики пятен леса и изолированных болот. На границе болота постоянно воспроизводится экотон локального уровня, а динамика его границ определяется сукцессией фитоценоза и тесно увязана с погодно-климатическими условиями. Динамика границ является ключевым моментом изменения ландшафтов. С развитием болотного массива происходит присоединение и поглощение изолированных болот, соответственно увеличивается протяженность границ. Заторфовывание первичных водотоков и депрессий рельефа приводит к выравниванию поверхности, уменьшению уклонов и, в конечном счете, снижает величину стока с территории. Интенсивность и скорость процесса отражается в площадном соотношении фаций, находящихся на разной стадии болотообразования, структурно-функциональной организации лесоболотных экотонов и стратиграфии торфяных отложений.

2. Путём транс-континентальной пространственно-временной корреляции палеопалинологических данных юга Томской области с лёссо-почвенными сериями Восточной Европы, колебаниями водности Каспийского моря и сменами комплексов фораминифер у берегов Гренландии выявлено отдалённое влияние вековой ритмики северо-атлантической циркуляции морских вод на климат в центре Евразийского континента. При этом, отмечено некоторое отставание во времени начала периодов увлажнения в направлении с запада на восток, что может быть обусловлено как постепенным развитием влияния атлантических циклонов вглубь материка, так и отставанием реакции растительного покрова на климатические изменения.(Бляхарчук Т.А.) Рис.4.2. Транс-континентальная пространственно-временная корреляция пыльцевых данных и ботанического состава торфа болота Ново-Успенка с колебаниями увлажнённости в пустынно-степных ландшафтах (Иванов, 1989), водности Каспийского моря (Варущенко и др., 1980) и с изменениями северо-атлантической циркуляции (Kuijpers et al., 2009).

Условные обозначения: 1 – вахтовый торф; 2 – древесный торф; 3 – хвощевопапоротниковый торф; 4 – гипновый торф; РП – Римское потепление; ТВ – «тёмные века»; СРП – средневековое потепление; МЛП – «Малый ледниковый период».

Проведен анализ обширной палеопалинологической информации юга Томской области и сравнение палеоэкологическими данными других регионов. Выявлены синхронные изменения региональной и локальной растительности, вызванных отдалённым влиянием ритмики северо-атлантической циркуляции морских вод и, связанной с ней, североатлантической климатической осцилляции.

Для корреляции, использовались 6 полученных на юге Томской области споровопыльцевых диаграмм (озеро Кирек, торфяники Ново-Успенка, Тегульдет, Жуковское и Овражное), позволивших выявить явную синхронность основных фаз изменения растительного покрова за последние 12 тыс. лет. Так, во всех диаграммах наблюдалась синхронность фазы возрастания роли пихтовых лесов 4-3 тыс. л.н. Но максимально пихтовые леса представлены в пыльцевых диаграммах приуроченных к северным отрогам Кузнецкого Алатау. Напротив, в степях Западной Сибири и Хакасии, с 4 до 3-х тыс. л.н. ярко проявился сухой период, предшествовавший увлажнению климата.

Пыльцевые спектры пойменного болота Ново-Успенка отразили высокую чувствительность к вековым колебаниям увлажнённости климата. Так во время двух исторических потеплений (Римского и Средневекового) на этом болоте распространялись веретьево-топяные комплексные сообщества из моховых гряд с берёзой и переувлажнённой вахтовой топи, что, вероятно, было обусловлено повышенным количеством осадков, приносимым в Сибирь атлантическими циклонами.

Более многоводными при этом становились разливы р. Оби. С ослаблением циклонов климат становился более континентальным, водность р. Оби уменьшалась и болото зарастало сосновым лесом. Эти вековые циклы глобальной природы нашли отражение, как в ботаническом составе торфа, так и в пыльцевой диаграмме болота Ново-Успенка, в палеопочвенных сериях Волго-Уральских Рын-Песков, колебаниях уровня Каспийского моря. Кроме того, отмечено, что с запада на восток наблюдается некоторое отставание во времени начала периодов увлажнения, что может быть обусловлено как постепенным развитием влияния атлантических циклонов вглубь материка, так и отставанием реакции растительного покрова на климатические изменения. Смена комплексов холодноводных и тепловодных фораминифер у берегов Гренландии при изменении направления тёплого течения Гольфстрим происходило гораздо быстрее, чем смена растительных сообществ на болоте в центре Евразийского континента. Еще медленнее изменялась растительность на суходолах отражающая в большей степени ход тысячелетних циклов увлажнённости, чем вековых колебаний климата.

Проведённый анализ показал, что пыльцевые диаграммы юга Томской области в зависимости от их географического, геоморфологического и литологического расположения, отражают в большей или меньшей степени смены растительного покрова различной периодичности – от вековых до тысячелетних и более крупных ритмов. При этом все эти ритмы, включая самые краткие – вековые, вероятно имеют глобальную природу, обусловленную ритмикой северо-атлантической циркуляции морских вод

ДРУГИЕ ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основе экспертной оценки информативности характеристик видового состава, изучения структуры растительности на высотном экологическом профиле от лесостепного до горно-тундрового пояса Северо-Чуйского хребта и фитоценотической структуры лесотундрового экотона в репрезентативном для мониторинговых исследований горно-ледниковом бассейне Актру (зона раннего отклика, высокогорья Центрального Алтая) выделен индикаторный вид – кедр сибирский. В условиях лесотундрового экотона (2250-2450 м над ур.м.) выявлена реакция на климатические изменения. Установлено, что в период потепления климата (на Алтае датируется началом 80-х гг. XX в.) на верхней границе произрастания в более засушливых условиях кедр успешно поселялся до конца 80-х гг. XX в., в более влажных – до 2003-2004 гг. (Тимошок Е.Е., Тимошок Е.Н., 2011) Анализ экологических условий на основе стандартных экологических шкал Раменского-Цаценкина показал, что в условиях лесотундрового экотона диапазон экологической толерантности кедра по фактору увлажнения 8 ступеней, по фактору активного богатства почв – около 3 ступеней. Для более сухого и крутого восточного склона характерно более низкое увлажнение и большее активное богатство почв, чем для западного и северного склонов.

Сравнение полученных данных по увлажнению и активному богатству почв и расчетных диапазонов оптимумов по этим факторам (Цаценкин, 1978) позволило установить, что современные условия лесотундрового экотона для кедра оптимальны. Поселение кедра здесь определяется климатическими факторами: в средней и нижней части экотона (субоптимальные условия) – в первую очередь осадками, в верхней его части (пессимальные условия) – совместным влиянием температур и осадков.

2. Многолетние исследования кедрово-лиственничных лесов, неоднократно пройденных пожарами (горно-ледниковый бассейн Актру, Северо-Чуйский хребет, Центральный Алтай, 2150-2100 м над ур.м.) показали, что динамика радиального прироста двух поколений кедра и лиственницы во второй половине XX века существенно различается. Четкий климатический отклик на современное потепление выявлен только у молодых деревьев кедра в разреженном лиственничнике (Бочаров А.Ю.).

Анализ возрастной структуры кедрово-лиственничных лесов показал, что их древостои – ступенчато-разновозрастные и условно-одновозрастные с возрастом старшего поколения лиственницы и кедра 230-280 лет, молодого – 90-110 лет. Отмечено, что в конце XX века, радиальный прирост деревьев в разреженном лиственничнике увеличивается. У лиственницы старшего поколения – незначительно, у кедра молодого поколения – в два раза по сравнению с 1950-1980 гг. (рис. 4.3., А).

В сомкнутых лесах прирост деревьев лиственницы и кедра обоих поколений либо не изменяется, либо снижается (рис. 4.3. Б,В).

Анализ остаточных древесно-кольцевых хронологий показал, что положительные и достоверные связи прироста и климатических переменных во второй половине XX в. выявляются только у лиственницы (+0,43-0,57 с температурой июня).

При 5-летнем сглаживании эти связи проявляются ярче (особенно с температурами летних месяцев, +0,49-0,78); выявлены значимые связи с суммой осадков августа (+0,44-0,52). У кедра при таком же сглаживании выявляются положительные связи с осадками мая-августа (от 0,38 до 0,64) только в разреженном сообществе.

3. Исследованы гумусовые профили почв Васюганской равнины. Отмечено их сложное, полигенетичное строение, которое обусловлено формированием в изменяющихся условиях природной среды. При стабильной литоматрице переменными фактором гумусообразования являются климатические условия. С изменением условий меняется структура гумусовых веществ, соотношение основных (Сгк/Сфк) групп. Проведенные измерения температуры и оценка условий увлажнения показали, что существующая в пределах природной зоны дифференциация биогидротермических условий хорошо согласуется с основным правилом гумификации. Между глубиной гумификации органического вещества почв и периодом биологической активности установлена прямая зависимость (r = 0.91). Также высокие значения корреляции получены для сумм температур и степени гумификации. Выявлены связи межу климатическими условиями и составом гумуса современных горизонтов в разных типах почв. К первой более «холодной» относятся почвы зонально-климатического ряда – дерново-подзолистые и дерновые оподзоленные (ДП) занимающие достаточно дренированные поверхности (ПБА дней, Т>10° 800-900оС). К более «теплой» группе отнесены органоаккумулятивные темно-гумусовые и перегнойно-темно-гумусовые почвы (ОА) (ПБА -80-90 дней, Т>10° 1100-1200оС). (Дюкарев А.Г., Пологова Н.Н.) Реликтовые горизонты, залегающие на глубине 30-50 см отличаются более широким отношением Сгк/Сфк. Если применить полученные нами зависимости, то можно оценить климатические условия во время формирования реликтового гумусового профиля. Согласно расчетам, ПБА составила для почв формирующихся на месте современной дерново-подзолистой почвы 107 дней, для органоаккумулятивных – 140-160 дней соответственно. Учитывая выявленные закономерности, можно предположить, что в атлантический оптимум голоцена условия почвообразования на территории Васюганской равнины приближались к луговым степям, а климат соответствовал условиям современной лесостепи.

4. Проведён экологический анализ, на основе которого сделан прогноз изменения природоохранного статуса редких и нуждающихся в охране видов растений АлтаеСаянского экорегиона. Установлено, что при сохранении современных тенденций потепления климата под угрозой полного исчезновения окажется 10 из 196 редких и нуждающиеся в сохранении растительных сообществ, и 288 редких и нуждающихся в охране видов растений изменят свой природоохранный статус в сторону повышения Экологический анализ видов растений, занесённых в региональные Красные книги, показал, что наибольшая угроза вымирания при потеплении нависает над видами с узкой экологической амплитудой, приуроченной к высокогорным поясам: поскольку эти ландшафты наиболее сократятся по площади, а в ряде областей полностью исчезнут. Если виды по своей экологии могут произрастать как в высокогорных областях, так и в верхней части лесного пояса, то при потеплении климата, они, потеряв высокогорный экотоп, сохранятся в горно-лесном поясе. Также больше шансов для выживания остаётся у редких видов, произрастающих на каменистых россыпях, поскольку "каменные реки" не зарастают лесом. В то же время некоторые редкие в Алтае-Саянском регионе виды степных растений с основным ареалом, расположенным южнее, при потеплении климата имеют шанс расширить свой ареал, если антропогенный прессинг не будет препятствовать этому.

Оценка растений высокогорной флоры, внесённых в Красные книги регионов показала, что прогнозируемое потепление приведёт к вымиранию 8 видов в Республике Хакасия и 2-х видов в Республике Алтай.

Научная новизна 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 болотообразовательного процесса.

Практическая значимость Выявленные индикаторы являются основой экосистемного мониторинга и прогноза, разработки превентивных мер по сохранению биологического разнообразия и снижению рисков природопользования.

5. Проект VII.63.3.1. Вулканогенные возмущения атмосферы и изменения климата Сибири и субарктики: современное состояние и палеореконструкция.

ОСНОВНОЙ РЕЗУЛЬТАТ.

На основе многолетних наблюдений приземных концентраций озона (ПКО) в Томске установлено, что в формировании ранневесенних (март-апрель) максимумов годового хода ПКО основную роль играют вулканогенные аэрозольные возмущения тропической стратосферы в период с сентября по февраль, стимулирующие усиление стратосферно-тропосферного обмена из-за увеличения температурных контрастов в стратосфере между низкими и высокими широтами. (чл.-к. РАН Зуев В.В., к.ф.-м.н. Зуева Н.Е.).

Рис. Временной ряд среднесуточных значений приземных концентраций озона (ПКО), зарегистрированных в Томске с октября 2004 г. по сентябрь 2005 г. (тонкая линия), результат сглаживания FFT-фильтром с окном 10 суток (жирная красная линия), многолетняя норма (жирная синяя линия). Вертикальные стрелки показывают моменты извержений тропического вулкана Манам (о. Папуа-Новая Гвинея, 24.11.2004 и 27.01.2005), продукты которых зарегистрированы в стратосфере. Фигурные стрелки указывают соответствующие области аномалий ПКО.

Анализ длинного ряда измерений приземных концентраций озона (ПКО) в Томске с 1992 г. по настоящее время показал, что каждому аэрозольному возмущению тропической стратосферы после мощного извержения вулкана в период с сентября по февраль соответствует всплеск ПКО относительно многолетней нормы, возникающий примерно через полтора месяца после извержения. В частности, в конце ноября 2004 г. и в конце января 2005 г. было зарегистрировано 2 извержения вулкана Манам (о. Папуа-Новая Гвинея), продукты которых достигали стратосферных высот 18 и 24 км, соответственно (рис.). На рисунке видно, что примерно через полтора месяца после каждого извержения в годовом ходе формируются области (а) и (б) повышенных значений ПКО относительно многолетней нормы, которые проявляются даже при сглаживании FFT-фильтром с окном 10 суток. Аналогичная ситуация возникала в 1995, 2003, 2006, 2007 и 2011 гг. вследствие извержений вулканов Рабаул (1994) Улаун и Руанг (2002), Манам (2006), Рабаул (2006) и Мерапи (2010). Появление вулканогенных аномалий ПКО связано с усилением стратосферно-тропосферного обмена (СТО), вызванного увеличением температурных контрастов в стратосфере между низкими и высокими широтами из-за радиационного перегрева внутри вулканогенных стратосферных аэрозольных слоев. При усилении СТО, особенно при прорыве тропопаузы, происходит вторжение в нижнюю тропосферу стратосферных масс воздуха, обогащенных озоном.

ДРУГИЕ ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Для исследования температурных изменения в Сибири под влиянием активности атлантических центров действия атмосферы, возмущаемых взрывными извержениями вулканов, первоначально анализировалось аэрозольное состояние стратосферы над Сибирью по результатам 25-летнего лидарного мониторинга стратосферы в Томске. На рис. 1 показана динамика изменений декадных (а), среднегодовых и полугодовых (б) значений интегрального коэффициента обратного аэрозольного рассеяния B на длине волны 532 нм в высотном диапазоне 15-30 км над Томском.

Полугодовые периоды привязаны к холодному (октябрь-март) и теплому (апрельсентябрь) полугодиям. Поведение B отражает изменение аэрозольного наполнения стратосферы, особенно его всплески после вулканогенных возмущений. Столбиками на рис. 1б обозначены индексы вулканических взрывов (VEI), произошедших в тропическом поясе и Северном полушарии за период 1986-2010 гг. Список вулканических взрывных извержений, продукты которых зарегистрированы в стратосфере, по данным сайта http://www.volcano.si.edu, приведен в таблице 1.

В, ср (15-30 км) 1E- Рис. 5.1. Динамика изменений декадных (а), годовых и полугодовых (б) значений интегрального коэффициента обратного аэрозольного рассеяния на длине волны нм в высотном диапазоне 15-30 км над Томском за период с 1986 по 2010 гг. Индексы вулканических взрывов (VEI).

На рис. 5.1 видно, что значительное увеличение аэрозольного содержания в стратосфере наблюдалось после извержения вулкана Пинатубо, произошедшее на Филиппинах в июне 1991 г. В дальнейшем наблюдалась длительная релаксация аэрозольного возмущения стратосферы вплоть до 2003-2004 гг. С 2005 г. наблюдается рост B.

Из результатов рис. 5.1б следует, что рост среднегодовых значений B в основном связан с активностью тропических вулканов (черные столбики) с VEI4 (извержения вулканов в периоды 1990-1994 и 2004-2006 гг.). Лишь извержения тропических вулканов Улаун (2000 г.) и Ревентадор (2002 г.) не оставили значимых следов в ряду B над Томском. Как следует из табл. 1, высота выброса продуктов извержений этих вулканов в эти годы не превышала 17 км, т.е. фактически значимого возмущения стратосферы не произошло.

На рис. 5.1б так же видно, что извержения вулканов Исландии, Камчатки, Аляски, Курильских и Алеутских островов (серые столбики) в основном приводят только к кратковременному росту B в холодный период, не оказывая существенного влияние на среднегодовые значения. Даже в период серии извержений четырех вулканов в 2009 г., Редубт, Пик Сарычева, Безымянный и Шивелуч, при незначительном росте B в холодное полугодие наблюдалось снижение его среднегодовых значений.

Таблица 1 – Выбросы в стратосферу продуктов извержения вулканов тропического пояса и Северного полушария за период 1986-2010 гг.

(мес.) (местность) км (мес.) (местность) км (мес.) (местность) км – Hmax – максимальная высота вулканического облака Поведение В над Томском практически в деталях повторяет поведение этого параметра над обсерваторией в Гармиш-Партенкирхене на Юге Германии в перекрестный период (рис. 5.2), что говорит об общности аэрозольного состояния стратосферы в широтных поясах глобального масштаба. Стрелками на рис. 5.2 обозначены моменты вулканических взрывов, забросивших продукты извержения в стратосферу. В дополнении к списку в таблице 1 отметим, что наиболее значимыми извержениями в период с 1977 по 1986 гг. являлись извержения вулканов СентХеленс в 1980 г. и Эль-Чичон в 1982 г.

Рис. 5. 2. Временной ход интегрального коэффициента обратного аэрозольного рассеяния стратосферы по результатам долговременных лидарных наблюдений в Гармиш-Партенкирхене на длине волны 694,3 нм. Рамками выделены 10-летние периоды вулканогенных возмущений стратосферы после извержений вулканов СентХеленс, Эль - Чичон и Пинатубо, и период ее невозмущенного аэрозольного фонового состояния.

Для выделенных на рис. 5.2 периодов был проведен корреляционный анализ поведения приземной температуры, усредненной по региону Западной Сибири в квадрате 50-65°с.ш./70-95°в.д., с поведением общего содержания озона (ОСО) и индекса SCAND, характеризующего активность центров действия атмосферы (ЦДА) в Северо-Атлантическом регионе. Анализировался месяц январь с наиболее контрастными изменениями температуры и максимальной активностью ЦДА.

На рис. 5.3 показаны временные хода индексов январской температуры (Т) и ОСО (О3). В выделенных периодах приведены абсолютные значения коэффициента корреляции R.

Рис. 5.3. Временные изменения январских индексов приземной температуры (Т) и общего содержания озона (О3) в Западной Сибири.

На рис. 5.3 видно, что значимая корреляция Т и О3 формируется как раз в периоды вулканогенных возмущений стратосферы, а в фоновый период она разрушается.

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, из результата рис. 5.3 следует важный вывод, что вулканогенные возмущения стратосферы приводят к возмущению общей циркуляции атмосферы (ОЦА), формируя значимую связь индексов циркуляции в стратосфере и нижней тропосфере.

Основной причиной возмущений ОЦА, вероятнее всего, является появление новых значительных температурных контрастов в стратосфере за счет радиационного нагрева в области локализации вулканогенных аэрозольных слоев в стратосфере.

Инструментально наблюдаемый разогрев стратосферы внутри аэрозольных слоев, в частности, до 5 К в тропической стратосфере после извержения вулкана Пинатубо, указывает на то, что сернокислотный вулканогенный аэрозоль в стратосфере не является прозрачным, как это закладывается во все модели, а, скорее всего, имеет минеральные включения, поглощающие как абсолютно черное тело.

Вулканогенные возмущения ОЦА, в частности волновой активности атмосферы, отражаются в значительном снижении корреляции январских индексов приземной температуры и SCAND в периоды аэрозольных возмущений стратосферы (рис.

5.4).

Рис. 5. 4. Временные изменения январских индексов приземной температуры (Т) в Индексы SCAND характеризуют процессы блокирования в районе скандинавского полуострова, определяющие заносы холодных арктических масс воздуха в Западную Сибирь. На рис. 4 наглядно видно, что в период отсутствия вулканогенных возмущений в стратосфере (фоновый период) изменения Т и SCAND сильно связаны. Однако в периоды вулканогенных возмущений значения коэффициента корреляции снижается практически до незначимого уровня.

2. Для поиска биоиндикаторов аэрозольных вулканогенных возмущений стратосферы, были проведены исследования взаимосвязи резких и значительных повышений концентраций тропосферного озона и аэрозольных возмущений стратосферы. Биоиндикационная обусловленность этих исследований связана с тем, что тропосферный озон является сильно токсичным газом, легко проникающим через устьица растений, вызывая в них окислительный стресс.

Для анализа мы использовали многолетний ряд приземных концентраций озона, полученный в лесном массиве Томского Академгородка на базе TOR-станции Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН. Было установлено, что для периода наблюдений (10.10.1992-30.06.2011) климатический максимум ПКО регистрируется в мае, и обусловлен существенным ростом концентрации озона в приземном слое в период интенсивного развертывания листвы. Основными факторами, способствующими повышению ПКО, являются: продолжительный период с оптимальными для биологической ассимиляции суточными температурами, рост концентрации углеводородов естественного происхождения (терпенов), рост приземной УФ-В радиации, в том числе вследствие спада общего содержания озона (ОСО).

Однако наиболее выраженные внутригодовые максимумы ПКО наблюдаются при поступлении озона из стратосферы в результате прорыва тропопаузы, преимущественно весной (март-апрель) в периоды сезонной перестройки атмосферы. Для событий стратосферно - тропосферного обмена (СТО) наиболее благоприятны циркуляционные процессы в атмосфере, в том числе, в складках тропопаузы на периферии циркумполярного вихря, при разрушении гравитационных волн. Существенное влияние на формирование внутригодовых максимумов ПКО оказывают вулканогенные возмущения стратосферы.

На рис.5.5 представлен временной ряд среднемесячных значений ПКО. Темными кружками выделены значения ПКО в мае. Столбиками показаны извержения вулканов тропического пояса и внетропической зоны Северного полушария, высота выброса продуктов извержений которых превышала высоту тропопаузы. Список извержений приведен в таблице 1. Максимальные за период наблюдений концентрации приземного озона регистрировались в мае 1992 г после мощного извержения вулкана Пинатубо в июне 1991 г. Отсутствие выраженной вулканической активности в течение 1994-2000 гг. способствовало существенному спаду ПКО.

После 2000 г. рост ПКО происходил на фоне возобновившейся вулканической активности, значительно усилившейся после 2004 г. Если в формировании годовых максимумов ПКО периода 2000-2004 гг. приоритетную роль играли фотохимические процессы, то уже с 2005 года первостепенным фактором становится динамика атмосферных процессов. Например, за период 2006-начала 2007 г. было зарегистрировано 5 извержений вулканов (два из них расположены в тропическом поясе), следы которых явственно проявились во временном ряде среднесуточных значений приземных концентраций озона, зарегистрированных в 2007 г. (рис. 5.6). Жирной черной линией на рис. 5.6 показан результат FFT сглаживания окном 30 дней, жирной серой линией – многолетнее среднее.

Рис. 5.5. Временной ряд среднемесяч- Рис. 5.6. Временной ряд средных значений ПКО. несуточных значений ПКО, зарегистрированных в 2007 г.

3. Для разработки методики и проведения стендовой апробации неразрушающего контроля сернокислотных ("вулканогенных") включений в ледяных структурах в терагерцовом диапазоне выращены необходимые для создания источников и детекторов терагерцового (ТГц) излучения нелинейные кристаллы GaSe легированные серой (S), индием (In), телуром (Te) и алюминием (Al) с содержанием в закладке легирующей добавки в концентрации от 0,01 до 10,2 масс.%.

Установлено, что с легированием заметно изменяется форма спектра фононного поглощения в районе коротковолновой границы спектра пропускания, что характерно для всех кристаллов, но граница не сдвигается в коротковолновую сторону в отличие от границ спектра пропускания в средней ИК-области спектра. Для решения проблемы определения оптимального уровня легирования предложены методы измерения вне диапазона максимальной прозрачности по параметрам пиков фононного и экситонного поглощения. Кристаллы оптимального состава использованы при создании источников и детекторов дипольного типа терагерцового диапазона.

Источник терагерцового диапазона создан методом даун-конверсии излучения спектральных компонентов фс Ti:Sapphire лазера накачки. Детектор излучения создан методом дипольных антенн. В качестве детектора терагерцового излучения апробирован также электрооптический детектор на основе легированных кристаллов GaSe и ячейка Голлея с обнаружительной способностью свыше 10-10 Вт/Гц1/ при комнатной температуре. Оптическая блок-схема ТГц-спектрофотометра с временным разрешением (THz-TDS) показана на рис. 5.7.

Рис. 5.7. Оптическая блок-схема терагерцового спектрофотометра с временным разрешением: ФД 1 и ФД 2 кремнивые фотодиоды; Uсмещ. – напряжение смещения на дипольном антенном излучателе ТГц-диапазона, ZnTe электроптический детектор ТГц-излучения; /4 четвертьволновая пластинка; GaSe исследуемый образец чистого или легированного НК GaSe.

Использование кристаллов с оптимальным уровнем легирования около 2 масс.% позволило увеличить эффективность генерации ТГц-излучения (рис.5.8 а) до 80% по отношению к чистым кристаллам GaSe. Легирование серой позволило поднять на 60-80% и лучевую стойкость, т.е. в целом эффективность генерации ТГц излучения в 2,4 раза. Легирование алюминием в предельно низких концентрациях позволило улучшить электрофизические характеристики кристаллов GaSe настолько (например, удельное сопротивление на 5-7 порядков), что позволило получить в раз большую чувствительность и в 35 раз больший интегральный отклик, характеризующийся площадью под кривой спектральной чувствительности (рис.5.8 б).

Рис. 5.8. Зависимость эффективности генерации терагерцового излучения в кристаллах GaSe, как функции содержания S, спектр зарегистрированного импульса ТГцизлучения дипольной антенной на основе кристалла GaSe, GaSe:S (10 масс. %) и GaSe:Al (0,05 масс. %).

В качестве носителя серной кислоты использованы субмиллиметровые слои хлопковой ткани и фетра, пропитанные серной кислотой, так как эти материалы не имеют селективного поглощения в терагерцовом диапазоне. Для исключения возмущающего влияния селективного поглощения атмосферных паров воды измерения проведены в вакуумированном боксе, заполненном избыточным давлением обезвоженного азота. Оказалось, что приемлимым диапазоном для проведения измерений вулканогенных включений является 0,85 ТГц.

В качестве основного источника излучения использован фемтосекундный Ti:Sapphire лазер (длина волны излучения 800 нм, длительность импульса 35 фс, частота повторения импульсов 1 кГц, энергия одиночного импульса 400 мкДж, спектральная ширина полосы излучения 30 нм). Процедура измерений спектров пропускания ТГц-диапазона методом TDS-спектроскопии заключалась в следующем. С помощью детектора измерялась амплитуда импульса терагерцового излучения до (E0) и после (Et) образца с проходом всех шагов задержки опорного оптического излучения (рис. 5.9).

Сущность разработанной методики неразрушающего контроля сернокислотных ("вулканогенных") включений в ледяных структурах в терагерцовом диапазоне заключается в следующем. С помощью терагерцовой спектроскопии с временным разрешением (THz-TDS) определяется групповой показатель преломления тонкого слоя (пластинки) льда, содержащего и не содержащего сернокислотный слой во вмороженных в ледяную пластинку тканях в концентрациях, типичных для вулкагенных включений (содержание ионов SO4 в пределах 100-500 мкг/л). Также измеряется коэффициент отражения и пропускания. Далее проводится дифференциальный анализ полученных результатов с целью выявления признаков и количественного определения содержания вулканогенных включений сернокислотного и иных типов. Проведенный дифференциальный анализ показал возможность идентификации вулканогенного слоя в концентрации 500 мкг/л (рис. 5.10).

6. Проект VII.66.1.2. Развитие физических методов и технических средств для мониторинга окружающей среды и обеспечения безопасности населения.

ОСНОВНОЙ РЕЗУЛЬТАТ.

Создан лабораторный макет газоанализатора на основе явления спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) света, в котором для повышения чувствительности используется сжатие исследуемой многокомпонентной газовой смеси до давлений 10100 атм. На рисунке приведен спектр СКР природного газа при давлении 30 атмосфер, зарегистрированный на данном макете. Предельная чувствительность макета составляет 10100 ppm и зависит от давления исследуемой газовой смеси. (Булдаков, И.И. Матросов, Д.В. Петров, А.А. Тихомиров).

Функциональная схема макета Спектр СКР природного газа при лавлении Пояснения к рисунку.

Макет СКР-газоанализатора состоит из лазера, кюветы, оптической системы для сбора рассеянного света, монохроматора, многоканального фотоприемника (ПЗСматрицы), блока управления и компьютера. Стенд позволяет одновременно регистрировать любые молекулярные компоненты газовой среды с помощью одного лазера (с фиксированной длиной волны), при этом сигнал СКР любого молекулярного компонента газовой среды строго индивидуален, пропорционален его концентрации и не зависит от состава газовой среды. Стенд использовался для анализа многокомпонентных газовых сред природного и техногенного происхождения. Регистрация спектров СКР осуществлялась при мощности лазера 500 мВт и длительности экспозиции 1000 секунд.

На представленном рисунке центральную часть спектра (~1300–1900 см1) занимает колебательная полоса молекулы метана CH4, имеющая сложную структуру. Молекуле метана также принадлежит и колебательная полоса с частотой 2568 см 1. В области малых комбинационных частот расположены колебательные полосы более тяжелых углеводородных компонентов природного газа: этана (C2H6), пропана (C3H8), н-бутана (n-C4H10) и изо-бутана (iso-C4H10) с частотами, соответственно, см1, 870 см1, 827 см1 и 794 см1. В спектре СКР природного газа видны также колебательные полосы углекислого газа (1285 см1 и 1388 см1) и азота (2331 см1).

Несмотря на сложный вид спектра СКР природного газа, полосы его отдельных компонентов вполне выделяемы и пригодны для газоанализа. Исходя из содержания тяжелых углеводородов в данном природном газе (этан – 3,49 %, пропан – 1, %, н-бутан – 0,37 % и изо-бутан – 0,32 %), полученного с помощью газового хроматографа, и наблюдаемого спектра СКР, можно утверждать, что данный СКРстенд позволяет легко контролировать все молекулярные компоненты природного газа, содержание которых превышает 0,01–0,1 %.