«ОТЧЕТ О НАУЧНОЙ И НАУЧНО-ОРГАНИЗАЦИОННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ за 2010 год Утверждаю Директор института, д.ф.-м.н. _В.А.Крутиков Томск-2010 СОДЕРЖАНИЕ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА I 3 Научно-организационная деятельность ИМКЭС ...»

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

ИНСТИТУТ МОНИТОРИНГА КЛИМАТИЧЕСКИХ

И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РАН

ОТЧЕТ

О НАУЧНОЙ И НАУЧНО-ОРГАНИЗАЦИОННОЙ

ДЕЯТЕЛЬНОСТИ за 2010 год

Утверждаю

Директор института, д.ф.-м.н.

_В.А.Крутиков Томск-2010

СОДЕРЖАНИЕ

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

I 3 Научно-организационная деятельность ИМКЭС 1.1 Результаты научно-исследовательских работ 1.2 1.2.1 Краткие аннотации научно-исследовательских работ, выпол- ненных по базовым проектам СО РАН 1.2.2 Краткая аннотация по проекту № 16.10 по программе РАН 1.2.3 Краткие аннотации по интеграционным проектам СО РАН 1.2.4 Краткие аннотации по грантам РФФИ 1.2.5 Отчет СЦ КЛИО 1.2.6. Информация по отчетам по экспедициям и стационарам

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 ха- чл.-корр. РАН рактеристик климато-образующих атмосферных и М.В.Кабанов, гидросферных процессов. д.ф.-м.н.

№ гос. рег. 01201052575 И.И.Ипполитов Проект VII.63.1.2. Развитие информационно- д.ф.-м.н. В.А. Крутиизмерительных технологий и разработка алгоритмов ков.

многомерного анализа для мониторинга и моделирования природно-климатических изменений.

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

рактеристик геосистем в условиях глобальных клима- А.В.Поздняков, тических изменений. к.г.н. О.Г.Невидимова № гос. рег. Проект VII.63.1.4. Экосистемные изменения на ланд- д.г.н. А.Г.Дюкарев, шафтных и климатических границах в условиях гло- д.б.н. Е.Е.Тимошок бального потепления № гос. рег. Проект VII.63.3.1. Вулканоген- ные возмущения ат- чл.-корр. РАН мосферы и изменения климата Сибири и субарктики: В.В. Зуев.

современное состояние и палеореконструкция.

№ гос. рег. Проект VII.66.1.2. Развитие физических методов и д.т.н. А.А. Тихомитехнических средств для мониторинга окружающей ров среды и обеспечения безопасности населения.

№ гос. рег. Проект VI.44.2.6. Структура биологического разно- д.г.н. А. Г. Дюкарев, образия в экосистемах бореальных лесов: динамиче- к.б.н. С. Н. Горошские и эволюционные аспекты. кевич № гос. рег. Проект IV.31.2.7. Веб-система для вычисления клима- д.ф.-м.н. Е.П.Гордов тических 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 Кабанов М.В., климатических и экосистемных изменений в Сибири» Крутиков В.А.

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

тические 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 осно- Гордов Е.П.

ве 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 по- Тартаковский В.А.

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

ских 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 Смирнов С.В., мониторинга природно-климатических процессов Си- Корольков В.А.

бири». Координатор:

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

обработки и доступа к данным дистанционного зондирования Земли для мониторинга социальноэкономических 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- чл.-корр. РАН лазеров в среднем и дальнем ИК-диапазонах с помо- В.В.Зуев щью новых нелинейных кристаллов.

Проект № 08-05-00426/а. "Роль торфоболотных эко- Головацкая Е.А.

систем в смягчении последствий изменений климата" Проект № 08-05-00558/а. " Исследования эффектов Зуев В.В.

кратковременного и долговременного влияния УФ-В радиации и озона на фотосинтез взрослых древесных растений в естественных условиях " Проект № 09-04-01214/а. "Гидроморфная трансфор- Дюкарев А.Г.

мация кальциево-гумусовых почв при заболачивании лесных ландшафтов Западной Сибири" Проект № 09-05-99014/р_офи. "Разработка научных Тихомиров А.А.

основ технологии и создание измерительновычислительной системы для регионального прогноза опасных метеорологических явлений" Проект № 09-05-01077/а. "Особенности болотообра- Прейс Ю.И.

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

генция и адаптивная конвергенция в эволюции сосновых (на примере прямостоячих лесных и стелющихся субальпийских видов)" Проект № 10-04-10020/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 филогеогра- Петрова Е.А.

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

ния 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 № 10-05-09244/моб_з. Участие в Генераль- Головацкая Е.А.

ной Ассамблее Европейского геофизического Союза EGU- Проект № 10-02-08377/з. Участие в 16-ой междуна- Верозубова Г.А.

родной конференции по росту кристаллов, проводимой совместно с 14-ой международной конференцией по росту из пара и эпитаксии ICCG-16/ICVGE- Проект № 10-05-09474/моб_з. Участие во Второй Шульгина Т.М.

международной конференции по анализу и моделированию данных в науках о Земле (2nd International Conference on Data Analysis and Modelling in Earth Sciences - DAMES 2010) Проект № 10-05-08386/з. Участие в международной Гордов Е.П.

конференции AGU Fall Meeting, Проект № 10-04-16116/моб_з_рос. Участие во все- Курьина И.В.

российской научно-практической конференции «Современные проблемы биомониторинга и биоиндикации»

1.2. РЕЗУЛЬТАТЫ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ

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

По результатам анализа данных JRA25 установлено, что за период 1979-2008гг. на Азиатской территории России (АТР) среднегодовой радиационный баланс на верхней границе атмосферы снизился с -58 Вт/м до -63 Вт/м2 (рис. 1.1). При этом темпы изменения осредненного по территории радиационного баланса ускорились в 90-х годах ХХ века в 3 раза в соответствии с одновременным увеличением полной облачности (на 6,7% при межгодовых колебаниях 4,8%, рис. 1.2). Установленная закономерность указывает на ускоряющееся в 90-х годах охлаждение климатической системы АТР и на возможное замедление в ближайшие годы режима потепления.

Рис. 1.1. Изменчивость радиационного баланса B Рис. 1.2. Изменчивость полной облачности TC на АТР На основе совместного анализа метеорологических и атмосферноэлектрических величин приземного слоя, и излучений обнаружены всплески, синхронно проявляющиеся в различные сезоны года в рядах данных о потоках и излучений, длительностью от нескольких часов до полусуток, и не связанные с глубокими минимумами давления центров циклонических образований. Предложена гипотеза о том, что всплески и фона обусловлены резким усилением турбулентного обмена, косвенным подтверждением чего является появление вертикальной компоненты скорости ветра, направленного к земной поверхности. Пример синхронно проявляющихся всплесков приведен на рис. 1.3а, на котором сверху – вниз представлены нормированные по соотношению A ti A ti Amin Amax Amin временные ряды объемной активности (ОА) радона, измеренные в атмосфере по гамма-излучению на высоте 25 м (панель 1 – газоразрядный счетчик; панель 2 – сцинтилляционный детектор; панель 3 – линейка газоразрядных счетчиков), по суммарному вкладу в ОА и излучений на высотах 10 м (панель 4) и 5 м (панель 5). Здесь Amin и Amax - минимальное и максимальное значения соответствующей величины на исследуемом интервале; ti - время.

Временной ход метеорологических величин за этот интервал измерений (с октября по 4 ноября 2009 г.) иллюстрируются рис. 1.3б, на котором представлены: панель 6 – давление, мбар; панель 7 – горизонтальная скорость ветра, м/с; панель 8 – вертикальная скорость ветра, м/с; панель 9 – температура воздуха, С; панель 10 – плотность атмосферы, кг/м3.

Рис. 1.3. Вариации радиационного фона и метеорологических параметров: а) синхронный всплеск в, фоне, зафиксированный на серии высот 2 ноября 2009 г. с 6 до 12 часов; б) временной ход метеорологических параметров за тот же временной интервал.

В результате проведенных исследований получено, что на эмиссию СО2 с поверхности торфяной залежи оказывает влияния температура воздуха, поверхности и торфяной залежи, причем это влияние проявляется на часовом, суточном и месячном масштабах. Атмосферное давление, как относительно медленно меняющийся фактор, слабо влияет на эмиссию СО2. Изменения УБВ в течение исследуемого периода также не позволяют сделать однозначный вывод о влиянии уровня болотных вод на эмиссию.

Поток CO2, мгCO2 м-2 ч- временных масштабах. r – коэффициент корреляции, a – коэффициент линейной регрессии, n –число измерений. A – часовой, Б – суточный, и В – месячный масштаб.

В результате проведенных исследований была выявлена суточная и сезонная динамика выделения СО2 с поверхности торфяной почвы в течение вегетационных периодов 2005-2007. Линейный корреляционный анализ связей эмиссии СО2 с температурой воздуха, температурой торфяной залежи на разных глубинах, атмосферным давлением, влажностью воздуха, уровнем болотных вод, содержанием СО2 в приземном слое воздуха проведенный для различных временных масштабов (часовом, суточном и месячном) позволил установить параметры окружающей среды воздействующие на эмиссию. Для оценки влияния экологических факторов на часовом масштабе рассчитывалась взаимная корреляция для величин фактически измеренных в сроки наблюдений (каждые 3 часа в течение ежемесячных недельных экспедиций).

Таким образом исследовался наиболее быстрый отклик величины эмиссии СО2 на изменение характеристик окружающей среды. Значительные корреляционные связи были найдены с характеристиками, имеющими явный суточный ход – температура и влажность воздуха, температура поверхности торфа и температура на различных глубинах, содержание СО2 в приземном слое воздуха. В «суточном» масштабе исследовались зависимости между среднесуточными характеристиками. На «суточном» масштабе появляются значимые связи эмиссии СО2 с параметрами окружающей среды не имеющими суточного хода, такими как атмосферное давление и уровень болотных вод. Для анализа сезонного хода параметров были рассчитаны «среднемесячные» значения параметров, которые рассчитывались как средние арифметические значения среднесуточных параметров за каждый экспедиционный период. Корреляционный анализ среднемесячных значений параметров в течение трех исследуемых лет позволяет исследовать влияние сезонного хода управляющих параметров на динамику эмиссии СО2.

Согласно полученным нами данным влияние температуры проявляется на всех временных масштабах - часовом, суточном и месячном (рис.1.4). На часовом временном масштабе максимальный коэффициент корреляции получен для температуры верхнего горизонта торфа - 2-5 см. Коэффициенты корреляции между эмиссией СО2 и температурами воздуха и поверхности торфа имеют близкие значения (0,71 и 0,70 соответственно), также близкие значения имеют коэффициенты линейной регрессии (а=5,85 и 5,80), тогда как изменение температуры в слое 2-5 см сильнее влияет на интенсивность эмиссии о чем свидетельствует коэффициент регрессии равный 9,93. При переходе к суточному временному масштабу коэффициент линейной регрессии для температуры воздуха и поверхности торфа увеличивается, причем зависимость эмиссии СО2 с температурой поверхности торфа становится более сильной (r=0,84). Та же закономерность сохраняется и на месячном временном масштабе.

Исследование влияния атмосферного давления на эмиссию СО2 показало, что на часовом и месячном масштабе имеется очень слабая, зависимость эмиссии СО2 от атмосферного давления (r = -0.25, и -0.28). На суточном масштабе в 2005 г. и 2007 г. наблюдаются высокие коэффициенты корреляции между давлением и эмиссией СО2 -0.72 и -0.61, соответственно. Возможно, полученные зависимости связаны с увеличением температуры воздуха и отсутствием осадков при повышенном фоне давления (при прохождении антициклонов).

В течение 2005 и 2006 гг., которые характеризуются как умеренно влажные, или даже сухие, наблюдается отрицательная связь между УБВ и эмиссией СО2, т.е. при высоких значениях УБВ интенсивность эмиссии снижается.

Тогда как в очень влажный 2007 год с высокими УБВ зависимость становится положительной. В результате этих разнонаправленных связей в целом за весь период влияние уровня болотных вод на эмиссию СО2 слабо выраженное (коэффициент корреляции -0,26). Необходимы дополнительные исследования динамики уровней болотных вод, количества выпадающих осадков для достоверной оценки влияния этого параметра на интенсивность эмиссии.

В результате проведенного исследования выполнена оценка углеродного баланса на примере олиготрофного болота южно-таежной подзоны Западной Сибири на основании натурных измерений основных потоков углерода (чистой первичной продукции и эмиссии СО2) между болотной почвой, растительностью и атмосферой и карты растительного покрова, составленной по данным спутникового зондирования. Исследуемые болотные экосистемы «Бакчарского» болота ежегодно поглощают 1.01* т углерода из атмосферы. Согласно полученным нами оценкам поглощение углерода в 3-4 раза выше по сравнению с глобальными оценками депонирования углерода болотами.

Рис. 1.5. Карта баланса углерода «Бакчарского» болота На основании анализа космических снимков LANDSAT и полевых исследований проведено картирование растительности района Бакчарского болотного массива. Космические снимки сделанные в летнее время использовались для анализа структуры растительного покрова. Зимние снимки были использованы для выявления проективного покрытия и высоты древесного яруса. На исследуемой территории выделено 24 типа растительности. Три типа лесов, 8 типов болотных залесенных и 8 типов открытых болотных микроландшафтов, а также сельскохозяйственные угодья и водные объекты.

Общая площадь исследования составила 586 тыс. га, 139 тыс.га, из которых занимает Бакчарский болотный массив. Основную часть (40.4%) территории ключевого участка занимают болотные массивы, в структуре которых, в зависимости от их расположения, меняется соотношение болотных микроландшафтов как открытого, так и облесенного типов.

Натурные исследования биологической продуктивности и эмиссии СО с поверхности торфяной залежи на олиготрофном болоте проводились в 1999-2009 гг. в пределах водосборной площади р. Ключ (Бакчарское болото), в сосново-кустарничково-сфагновых фитоценозах (высоком (ВР) и низком ряме (НР)), открытой осоково-сфагновой топи (ОТ), грядово-мочажинном комплексе (ГМК).

Чистая первичная продукция (NPP) является показателем накопления углерода в виде растительного вещества. Результаты исследования показали, что, в среднем олиготрофные болотные экосистемы имеют близкие величины NPP травяно-кустарничково-мохового яруса на высоком, низком ряме, открытой топи и грядово-мочажинном комплексе - 268, 283, 274, 372 г/С/м2 в год соответственно.

Поток СО2 с поверхности торфяной залежи весьма динамичная величина и существенно изменяется от года к году в зависимости от погодных условий и гидротермических условий торфяной залежи. На олиготрофном болоте максимальными значениями потока СО2 характеризуется высокий рям ( гC/м2/год), затем следуют открытая топь и низкий рям (130 и 125 гC/м2/год).

Сравнение NPP и эмиссии СО2 с поверхности торфяной залежи показало что во всех исследуемых биогеоценозах накопление углерода в виде растительного вещества превышает эмиссию СО2 с поверхности торфяной залежи, что свидетельствует о положительном балансе исследуемых торфоболотных экосистем и депонировании углерода в виде растительности и торфа при современных климатических условиях.

Оценка углеродного баланса для разных болотных экосистем в сочетании с классификацией растительности позволяет рассчитать региональный углеродный баланс для болотных экосистем на изучаемой территории.

Исследуемые болотные экосистемы Бакчарского болота ежегодно поглощают 1.01*105 т углерода из атмосферы. По оценкам разных авторов ежегодное депонирование углерода из атмосферы болотами мира (за исключением тропических болот) составляет в среднем 9.57*107 тС в год, что составляет около 2,5% от поглощения углерода всей сушей. Площадь ключевого участка составляет 0,05% от площади болот мира и всего 0,001 от площади суши Земли. Поглощение углерода исследуемыми болотами составляет 0,18% от поглощения углерода болотами мира и 0,004% от поглощения углерода сушей Земли.

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

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

Проведена разработка, изготовление, тестирование и подготовка к сертификации датчиков профиля температуры и влажности воздуха, уровня воды, уровня и массы снега, измерителя для ряда спектральных диапазонов фотосинтетически активной солнечной радиации. Разработана методика индивидуальной калибровки датчиков температуры, которая позволила достичь гарантированной точности измерения температуры в 0,1 0С. При этом, по данным проведенных натурных испытаний, эти полупроводниковые сенсоры температуры в составе разработанных тепло-влагомерных зондов сохраняют свои технические характеристики на протяжении более 5 лет.

В 2010 году в Институте изготовлено и установлено на различных ключевых участках исследования параметров состояния окружающей среды 17 программно-управляемых измерителей. Разработана и испытана оригинальная конструкция измерителя влажности грунта, проведено исследование эффективности различных типов радиационных защит для датчиков температуры и влажности воздуха.

1 – наземная часть: многоуровневые измерители температуры и влажности воздуха;

3 – многоуровневые измерители профиля температуры и влажности почвы.

По результатам натурных испытаний разработан тепло-влагомерный зонд усовершенствованной конструкции. Разрабатывается комплексная методика и формируется инструментальная база для метрологического обеспечения работы станций автономного мониторинга. Использование системы жидкостных термостатов, эталонных термометров сопротивления и прецизионного преобразователя сигналов термометров сопротивления и термопар позволяют обеспечить точность калибровки до ±0.02 °С.

Разработано программное обеспечение (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. Начата разработка тестового и калибровочного ПО и интерфейс пользователя.

2. Комплексные исследования и радиоуглеродное датирование торфяных отложений с целью оценки функционального палеосостояния в голоцене и современного состояния южно-таежных болот. Исследование изменений свойств трахеид древесины при изменениях характеристик климата на региональном уровне.

Проведена оценка современного (за последние 40-46 лет) функционального состояния болот. Определены количественные показатели неттоэкосистемное продукции болот юга лесной зоны Западной Сибири и установлено значительное варьирование показателей скорости прироста (1,4- мм/год), аккумуляции торфа (72-267 г/м2 в год), органического вещества и С (27-119 г/м2 в год) (рис. 2.2).

Скорость аккумуляции, г/м 2 в

И И И И И И И И

Рис. 2.2. Современные средние скорости вертикального прироста торфа, аккумуляции торфа, органического вещества и углерода в рямах олиготрофных болот юга лесной зоны Западной Сибири Выявлено влияние на эти показатели даже незначительных внутривековых изменений климата, что обосновывает возможность получения реконструкций высокого разрешения по палеоинформации, содержащейся в торфяных отложениях. Установлено, что отклик рямов на изменения климата асинхронен и имеет как положительный, так и отрицательный тренд. Для средних и низких рямов установлено 5 групп, различающихся силой и трендом отклика на климатические изменения и установлены причины этих различий и главная причина - различие исходных водных режимов. Определены диагностические признаки этих групп.

силы и тренда отклика (рис. 2.3).

Установлены причины асинхронности и разнонаправленности отклика.

Тренд отклика зависит от состояния лимитирующего фактора – исходного водного режима: знака и степени отклонения от биоценотического оптимума.

Сила отклика зависит от времени, необходимого для достижения порога увлажнения, при котором начинается перестройка структуры и видового состава биоценоза. Поэтому при одновременном начале воздействия изменений климата отклик биоценозов в разных точках болотного массива асинхронен и изменения их функционального состояния на конкретный момент времени различны.

Степень разложения, % Индекс влажности Зольность, % Рис. 2.3. Средние показатели индекса влажности, степени разложения и зольности слоя торфа, отложившегося с 1963 г. в разрезах изученных рямов Определены количественные показатели современной скорости накопления минерального вещества и выявлено значительное их варьирование ( - 166 мг/дм2 в год) даже для сходных по растительному покрову биогеоценозов (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Современные средние скорости аккумуляции торфа и минерального вещества в типичных олиготрофных биогеоценозах болот юга лесной зоны Западной Сибири Выявлена региональная особенность - значительное влияние на VакМВ климатических изменений внутривекового масштаба, что связано с чутким откликом болотных биогеоценозов, слабая устойчивость которых обусловлена значительной дифференциацией микрорельефа, как минерального дна, так и поверхности болот.

Установлено, что варьирование зависит от литологии окружающей территории, местоположений на болотном массиве, определенном элементе мезо- и микрорельефа, определяющих характер и соотношение источников минерального питания, а также от плотности моховой дернины, зависящей от водного режима, видового состава и структуры фитоценоза.

Определены количественные показатели современной и долговременной скорости накопления торфа, его органического и минерального вещества и выявлено значительное их варьирование в зависимости от стадии развития болота и отклика на климатические изменения.

торфа и органического вещества. Ca, Fe, Sc, Th – содержание элементов в золе торфа.

Датирование образцов по: 40* – 137Cs, 100** – 210Pb, 570±80 – 14С.

Красной линией отмечены прекращения аккумуляции торфа в торфяном разрезе.

C позволили провести оценку потоков вещества из атмосферы за последние 4500 лет и выявить прекращения торфонакопления и потери палеоаэрозолей в периоды сухих похолоданий голоцена около 4100, 3000 и 560 лет назад.

Установлено влияние антропогенное загрязнения атмосферы на протяжении десяти последних столетий. Впервые для территории Западной Сибири получены детальные данные об изменении запыленности атмосферы в ХХ веке. Средняя интенсивность осаждения атмосферной пыли в XX в. составляла 49,8 мг/см2 в год. При этом поступление ее было крайне неравномерно.

По сравнению с доантропогенной олиготрофной стадией она возросла в начале ХХ в. в 6, в 30-50-е годы в 9, в 50-70-е гг. в 23-24, а в 80-90-е гг. в раз. На фоне достаточно выдержанной во времени Vak торфа в XX в. слои 38см и 28-38 см выделяются самыми высокими Vнак минерального вещества – 104,2 и 99,5 мг/дм2 в год.

На основе разрабатываемых методов математического моделирвания годичных слоев деревьев на микро- и макроуровне проведено исследование изменений свойств трахеид древесины в связи с изменениями характеристик климата на региональном уровне. Проведена оценка сезонных изменений радиального роста сосны обыкновенной, использованы микрофотографии рядов трахеид трех климатипов сосны: Пинежского, Плесецкого, Чемальского;

произрастающих в географических культурах Приангарья. Выбрано по 5 деревьев от каждого климатипа, у которых отобрано по два керна. В каждом керне исследовались два ряда клеток в годичных слоях, соответствующих 1994, 2000 и 2003 гг. Общий объем выборки составил 128 рядов. Результаты оценки статистической устойчивости рядов трахеид (функций роста клеток) представлены на рис. 2.6. Оценки изменений сезонного роста, восстановленные в соответствии с разработанным ранее алгоритмом как средние за одинаковые вегетационные периоды, представленные на этом рисунке, отражают сходную закономерность и наличие малой (не более 20 % от среднего значения) величины среднего квадратического отклонения.

Рис. 2.6. Оценки сезонных изменений прироста клеток Р за вегетационный период t для трех климатипов сосны обыкновенной.

Величина прироста годичных колец деревьев является индикатором внешнего вынуждающего воздействия, которое отчетливо проявляется в древесно-кольцевых рядах даже в оптимальных для роста деревьев условиях.

Для выявления составляющих полезного сигнала проводится отбор по признакам согласованного поведения.

Рис. 2.7. Усредненные хронологии Орловка (О), Тимирязево (Т), Калтай (К) (a), их общие части (b).

Концепция согласованного поведения конструктивна и алгоритм совместной фильтрации позволяет выявлять реализации полезного сигнала в древесно-кольцевых рядах с высоким уровнем шума.

3. Разработка формализма матричного описания природноклиматических 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.

Рис.2.8. Синхронность термического поля в июле a) и в августе b).

На основе исследования рядов среднемесячных температур по 134-м метеостанциям на Азиатской части РФ за период с 1955 по 1998 год впервые выявлены области летнего повышения синхронности термического поля в Сибири. В июле повышение синхронности происходит в междуречье Иртыша и Оби на юге, на левобережье Оби и в водораздельном пространстве Оби и Енисея на севере (рис.2.8-a.). В августе область повышенной синхронности перемещается и располагается между Енисеем и Леной вдоль 110°в.д.

(рис.2.8-b.).

Исследование проводились на основе формализации утверждения, что внешнее вынуждающее воздействие, общее для какой-либо физикогеографической единицы, проявляется в сходстве (синхронности) существенных признаков всех процессов в ее пределах. Синхронность определялась количественным критерием, связанным с концепцией вынуждающего воздействия, которое инициирует природно-климатические процессы и проявляется в сходстве их существенных признаков. Критерий позволяет отделять согласованные процессы от флуктуирующего фона. Доля энергии переменной части термического поля, формирующей аномалии синхронности, составляла 85%, среднеквадратическое отклонение 1,3°С и 1,1°С, соответственно в июле и августе.

Характерно, что ось максимальной синхронности термического поля проходит через Томск именно в июле месяце, тогда как в Зауралье и в Средней Сибири это случается, соответственно, в мае и в августе.

Выявленное природное явление существенно уменьшает тепловые ресурсы в областях с неустойчивым земледелием, к которым в Западной Сибири, прежде всего, относится Томская область.

На рис. 2.9 приводится карта критерия согласованности термического поля. Наблюдается повышенная степень согласованности вдоль обозначенной линии с перепадом в 12% по нормали к ней. Горизонтальный градиент по нормали к оси ложбины составляет от -2,5°С до -3°С на 500 км, в пределах полосы шириной 1000 километров в центральной части Западной Сибири. Перепад температуры с севера на юг вдоль оси до Томска составляет около 10°С. На рис. 2.10 показана термобарическая карта, из которой следует, что в пределах 1000-километровой полосы наблюдается отрицательная адвекция по направлению к оси ложбины с выраженной северной составляющей вплоть до Томска.

Существование областей повышенной синхронности можно объяснить устойчивым взаимодействием адвекций температуры обусловленных двумя основными причинами: циклоническими процессами, а так же поглощением тепла водными массами Великих сибирских рек, находящимися в исследуемые периоды в состоянии разлива.

Определены количественные характеристики периодических колебаний во временном ходе различных параметров болот юго-востока Западной Сибири, развивающихся в условиях континентального климата, с использованием подхода, при котором временной ряд аппроксимируется гармоническими функциями с периодом, независящим от длины ряда, определяющимся в процессе исследования. Проявление гармоники порядка 1800-2200 лет в рядах различных параметров всех рассмотренных объектов свидетельствует о ее значительной роли в динамике водных объектов. На основании выявленной в рядах параметров цикличности решается задача реконструкции и прогноза характеристик динамики водных объектов и климата.

Рис. 2.11. Реконструкция и прогноз индекса влажности (IW) и временной ход ведущих гармоник на торфяном разрезе «Гряда».

Тенденция увеличения температуры теплого периода года в Барнауле в значительной мере обусловлена помимо прочих факторов крупномасштабной цикличностью солнечной активности. Путем аппроксимации рядов сумм температур теплого периода года (ТТП) (с мая по сентябрь включительно) в Барнауле гармоническими функциями с периодом, независящим от длины ряда, а определяющимся в процессе исследования, получены количественные характеристики цикличности. Наибольший вклад в изменение ТТП вносит полувековая гармоника. Наряду с ней формирование колебаний во временном ходе характеристики определяется гармониками порядка 11, 28 лет.

Получена реконструкция количества осадков за теплый период года в Барнауле до 1820 года по дендрохронологическим сигналам. Восстановленный режим осадков отразил периоды пониженного увлажнения в Барнауле в теплый период года в начале и середине XIX века, около 10-го и 30-го годов ХХ века. Модельная кривая отобразила основные засушливые периоды, полученные и по инструментальным данным: 1952-1955, 1964-1967, 1975-1980.

Периоды повышенного увлажнения зафиксированы в конце XIX века, в начале 20-х, с конца 30-х по конец 40-х, в конце 50-х годов ХХ века.

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.

На основе использования разработанных ранее физических основ и технических средств технологии пассивного ОНЧ-мониторинга приповерхностных слоев земной коры была проведена практическая работа по анализу состояния и организации пункта мониторинга геодинамических процессов грунтов в районе 607 км магистрального газопровода «МоздокКозимагемед». Напряженно-деформированное состояние (НДС) горных пород оценивалась на основе радиоволновых методов по параметрам естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ) и магнитотеллурических токов (МТЗ).

Для выбора места установки пункта постоянного мониторинга напряженно-деформированного состояния грунтов, были проведены маршрутные вдоль газопровода от 607 км до 607,52 км включая провал оползня. Маршрут был пройден дважды, результаты статистической обработки позволил получить диаграмму, соответствующую распределению напряженнодеформированного состояния грунтов по площади (рис. 2.12.) Рис. 2.12. Диаграмма распределения Рис. 2.13. Результаты векторного НДС грунта по трассе газопровода анализа 1. Полученные пространственные вариации интенсивности естественного импульсного электромагнитного поля Земли позволили выделить аномальные геодинамические зоны по трассе магистрального газопровода «Моздок-Козимагомед» на участке 607-607,5 км, обосновать местоположение пункта постоянного мониторинга напряженно-деформированного состояния грунтов радиоволновым методом.

2. Смонтирован пункт постоянного мониторинга НДС грунтов и запущен в опытную эксплуатацию. Система работает удовлетворительно.

Исследование электромагнитных признаков изменения ритмов движения земной коры и связанных с ними нарушений сейсмического режима контролируемых территорий. Эксцентричное вращение ядра и оболочки Земли, возникновение деформационных волн, их практическое использование.

Отсутствие лунных компонент в спектральных характеристиках ЕИЭМПЗ создавало впечатление, что ядро Земли не реагирует на гравитационное притяжение Луны. Для объяснения такого парадокса в 2010 г. проведен тщательный анализ спектров ЕИЭМПЗ в окрестностях лунных компонент. Установлено, что «лунные компоненты» не просто отсутствуют, но и чем-то подавлены (рис. 2.14).

Рис. 2.14. Спектральные характеристики ЕИЭМПЗ в окрестностях двух лунных компонент приливных волн.

Такое возможно при наличии двух идентичных процессов, происходящих одновременно, но действующих в противофазе друг другу. Следовательно, ядро земли постоянно «отслеживает» местоположение луны за счет взаимосогласованного перемещения. Притяжение к луне компенсируется притяжением к ядру в результате его смещения относительно геометрического центра планеты. Таким образом, ядро в течение года не только перемещается по указанной выше трассе, но и двигается вдоль этого направления по некоторой спирали, в соответствии с текущим положением Луны. Анализ положения ядра, выполненный по измерениям ЕИЭМПЗ, подтверждает наличие спирали, причем твердое ядро Земли и Луна вращаются в течение лунного месяца в противофазе в разных направлениях. Луна в течение лунного месяца вращается против часовой стрелки, а ядро Земли за этот же интервал времени вращается по часовой стрелке. На рис. 2.15. приведены два примера витков такой спирали, вычисленные для измерений в зимние и летние месяцы.

Рис. 2.15. Трассы перемещения ядра Земли, вычисленные на основании измерений ЕИЭМПЗ в различных точках территории России Обозначение фаз Луны: ПЛ- полнолуние, НЛ- новолуние, 1 четверть, 3четверть.

По окружности на рис. 2.15 указано местное солнечное время, час. Линия 12 - 0 соответствует направлению солнечных лучей.

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

БЛОК № 1. Исследование энергетического баланса высокогорных геосистем Юго-Восточного Алтая (на примере горно-ледникового бассейна р.

Актру). Ответственный руководитель: Невидимова О.Г.

Разработаны методика анализа энергетического баланса геоморфосистемы и алгоритм оценки ее энергетического потенциала. Результатом исследования и апробирования предложенной методики явилась количественная оценка и пространственная дифференциация территории горноледникового бассейна реки Актру по величине удельного энергетического потенциала рельефа. Проведенный анализ показал, что удельный энергетический потенциал можно считать определяющим количественным показателем развития и интенсивности современных экзогенных процессов.

Были выявлены взаимосвязи между конкретными криогенными и рельефообразующими процессами и удельным энергетическим потенциалом. На основе топографических карт, космических снимков и материалов инженерно-геоморфологических исследований с помощью программного ГИС обеспечения Microdem Terrabase II (V. 10.12) расчетного модуля Calculate с использованием SRTM матриц (Shutle Radar Topography Mission) впервые для данной территории составлена карта-схема распределения удельного энергетического потенциала.

Установлено, что максимальное значение удельного энергетического потенциала соответствует участкам рельефа с интенсивным снегонакоплением, с частыми сходами лавин; высокое и умеренно высокое значение потенциала имеют участки с камнепадами, обвалами горных пород и снежно-ледовых масс; умеренно низким энергетическим потенциалом обладают районы с развитием солифлюкции и оползневых процессов; очень низкий потенциал у выровненных поверхностей поймы, у участков морен с незначительным развитием осыпей. Минимальные значения удельного энергетического потенциала наблюдаются на участках с современным оледенением. Проведенные расчеты позволили установить, что 51% площадей исследуемой территории обладают высоким и очень высоким уровнем энергетического потенциал, который и обеспечивает активность современных экзогенных процессов данном районе.

БЛОК № 2. Энергетическая характеристика эколого-ресурсного потенциала территории Томской области. Ответственный руководитель: Волкова Е.С.

1) Предложена и апробирована универсальная методика приведения к единым энергетическим величинам различных природных и природноантропогенных потоков, формирующих энергопотенциал территории.

На основе предлагаемой методики разработан и проведен алгоритм расчёта энергетического потенциала по отдельным компонентам природной среды на территории Томской области.

Исследование проводилось на основе статистического и картографического материалов, позволяющих провести энергетический анализ территории по таким компонентам природной среды как солнечная радиация, ветровой роль в распределении солнечной энергии играет фактор широтной зональности.

Суммарный энергопотенциал гумуса для всех типов почв Томской области – 1,611023 Дж. Вариабельность энергопотенциала гумуса различных типов почв Томской области находится в пределах от 1,21012 до 10, Дж/га. Такая географическая неоднородность обусловлена особенностями локальной аккумуляции энергии гумуса в почвенном покрове, зависящих как от процессов почвообразования в разных типах почв, так и от климатических условий местности 2) Разработана перспективная модель функционирования агроэкосистемы с позиции энергетического анализа. Модель апробирована на примере сельскохозяйственных предприятий, размещающихся в разных природно-климатических условиях: в Томской области (СПК «Нелюбино», производство продукции растениеводства и животноводства) и в Казахстане («СОМЕР-2», производство продукции животноводства).

СИ СТ ЕМ А

КО АГРОСИСТЕМА

ОЦЕНОЗ

УПРАВЛЯЮЩАЯ ВВП

СИСТЕМА

На основании модели функционирования агроэкосистемы и оценки энергетической емкости, создаваемой солнечной энергией и ее производными: энергией атмосферных осадков и потенциальной энергией, запасенной в почвах, проведен сравнительный анализ природных потоков энергии, формирующих энергопотенциал территорий сельскохозяйственных предприятий “Сомер-2” (Казахстан) и «Нелюбино» (Томская область), а также их энергетическую эффективность. Установлено, что энергетическая емкость предприятия Казахстана на 19,3% больше, чем хозяйства Томской области. При этом энергетический потенциал почвенных ресурсов Северного Казахстана выше в 2 раза, солнечной энергии – на 22% выше, а выпадающих осадков – на 36% ниже, чем на территории Томской области. Из расчетов следует, что на 1 произведенную калорию продукции в агроэкосистеме “Сомер-2” природной энергии затрачивается в среднем 18482 калорий (доля солнечной энергии 99,96%, энергетического потенциала почвы 0,009%, энергии осадков 0,031%). Однако, в целом, предприятие Томского региона работает эффективнее, чем хозяйство Северного Казахстана в 3,83 раза. Это обусловлено как специализацией сельскохозяйственных предприятий, так и расходом техногенной энергии, вкладываемой в производство продукции – в агроэкосистеме “Сомер-2” эта величина в 2,4 раза выше, чем в Томской области.

Разработанная модель позволяет провести анализ рентабельности внедрения дополнительных источников энергии для повышения эффективности функционирования агроэкосистемы с учетом энергетической емкости территории.

Предприятия могут полностью себя обеспечить энергией при условии использования альтернативных источников энергии, в частости, энергии биогаза. Так, в Томской области хозяйство может покрыть 30% расходуемой энергии за счет производства биогаза и удобрений из отходов сельскохозяйственного производства, а в северном Казахстане при использовании биогаза можно покрыть расходы на отопление, нагрев воды и электроэнергию на 85%.

Таким образом, в производстве сельскохозяйственной продукции необходимо увеличивать долю энергетического вклада природы: повышать потенциальную продуктивность почв, получать энергию в замкнутом цикле производства, использовать отходы производства и пр.

БЛОК № 3. Исследование механизмов устойчивости геосистем криолитозоны к изменениям климатических параметров в характерных зонах Алтае-Саянской горной области. Ответственный руководитель: Бородавко П.С.

1. С помощью средств подповерхностного GPR зондирования получены количественные данные по структуре, динамике и мощности деятельного слоя криолитозоны высокогорий Юго-Восточного Алтая.

Сводный GPR профиль через долину Чаган-Узун максимум сезонного оттаивания Проведенные исследования с применением георадарного комплекса Pulse Ekko Pro показали свою высокую информативность и возможность оценки, как исходного состояния, так и мониторинга развития деформационных процессов протекающих в деятельном слое многолетнемерзлых толщ.

Исследования проведены двумя основными способами: профилированием и зондированием. При профилировании георадар перемещался по линии трансекта и при каждом измерении передающая и приемная антенны находились в одной точке линии. При зондировании выбиралась одна точка, и далее приводился ряд регистраций отраженных сигналов при разносе антенн передатчика и приемника в разные стороны на равные расстояния.

2. Геоэлектрическая съемка плотин морено-подпрудных озер (Аккольского и Машейского), позволила установить зоны локального подземного протаивания - участки потенциальной катастрофической разгрузки приледниковых водоемов.

Зона протаивания Зона протаивания Геоэлектрическое зондирование озерных дамб, сложенных многолетне-мерзлыми породами проведено с использованием геофизического комплекса ABEM Terrameter SAS 300C.

В общей сложности заложено около 4 км геоэлектрических профилей глубиной до 50 м.

3. Аналитическая обработка данных из 7 термоскважин за период с по 2009 год, показала устойчивое увеличение мощности деятельного слоя высокогорной криолитозоны.

Изменение температур грунтов (сентябрь), скв. №1 Кок-Узек за период Температура многолетнемерзлых толщ (ММТ) измерялась в существующих с 1968 года гидрогеологических скважинах, имеющих обсадку и закрытых сверху теплоизолирующим материалом. В виду того, что сезонные колебания температур зачастую не проникают на глубины свыше 20 м, эти скважины являются репрезентативными для исследования реакции криолитозоны на краткосрочные колебания климатических параметров.

Термометрические измерения осуществлялись с помощью автоматизированного комплекса HOBO U12 Outdoor, а также одноканальными логгерами HOBO Water Temp Pro. Основное внимание было уделено скважинам глубиной до 15 - 20 м, расположенным в ненарушенных условиях на абсолютных высотах от 1850 до 2000м. Датчики помещались на глубину до 15 м от поверхности с интервалом 0.5 м, и соединялись проводами с измерительно-запоминающим блоком, помещенным на поверхности.

Проведенные разовые измерения в термоскважинах продемонстрировали повышение температур ММТ на глубине 3.5 - 4 м на 0.8 – 0.9 °С за период 2002–2009 гг. и устойчивое увеличение мощности деятельного слоя.

Наибольшие показатели мощности деятельного слоя зафиксированы в году.

4. Проект VII.63.1.4. Экосистемные изменения на ландшафтных и климатических границах в условиях глобального потепления Основная цель проводимых исследований - выявление экосистемных индикаторов современных изменений климата и моделирование процессов функционирования ландшафтов при разных климатических сценариях.

В планы 2010 года было поставлено решение следующих основных задач:

1. Исследовать пространственно-временную динамику авангардных хвойных лесов в Центральном Алтае 2. Провести комплексный анализ компонентов лесоболотных экотонов на юге таёжной зоны их индикаторная роль в болотообразовательном Объектами исследования послужили лесоболотные экотоны таежной зоны Западной Сибири и постгляциальные экотоны Центрального Алтая.

Основные результаты 1 На основе многолетних исследований возрастной структуры древостоев кедра сибирского и лиственницы сибирской в динамике климаксовых авангардных лесов Центрального Алтая (на примере Северо-Чуйского хребта) за последние 600 лет выделено три сверхвековых 200-250-летних цикла (XV-XVI, XVII- начало XIX и с середины XIX вв.) (рис.1 А-В).

Тимошок и др., Растительные ресурсы. 2009., Т 45; Давыдов, Тимошок, Сибирский экологический журнал, 2010, № 3; Пац,. Вестник ТГУ. Биология.

2010. № 2; Тимошок и др. Лед и снег, 2010, №3.

Рис. 4.1. Динамика формирования поколений кедра (А, Б) и лиственницы (В), прироста лиственницы и реконструированной температуры раннелетних месяцев (Г) Центрального Алтая на фоне хронологического подразделения климата позднего голоцена (Lamb, 1977) (Д) Первый и третий циклы формирования новых генераций кедра (рис. 4.1 А) и лиственницы (рис. 4.1 В) совпадают с долговременным потеплением климата, а второй – с его длительным похолоданием (рис. 4.1 Д). Незначительное количество деревьев между соседними циклами связано с внутривековыми понижениями температур. Сверхвековые циклы включают в себя несколько (до 4) внутривековых циклов, которые выделены по древесно-кольцевым хронологиям лиственницы (рис. 4.1 Д) и не выявляются в возрастной структуре древостоев. За последние 60 лет (и особенно на современном этапе потепления климата) процесс возобновления кедра усиливается и носит циклический (11-летний) характер (рис. 4.1 Б).

2. На территории южной тайги исследована структура лесоболотных экотонов отражающая активность болотообразовательного процесса.

Выявлено, что индикаторами состояния процесса в экотонах локального уровня являются органогенные горизонты почв, флористическое и экологическое разнообразие фитоценоза, структура, жизненные формы и продуктивность древостоев.

Дюкарев, Пологова, Почвоведение, 2009; Копысов, Вестник ТГУ, 2009;

Копысов, Водное хозяйство России, 2010.

2. Лесоболотные экотоны в южной тайге выявлены по структуре его компонентов соответствующих градиентам влажности и трофности почв.

Взаимопроникающие на экотон лесные и болотные фитоценозы формируются на гидрогенно-трансформированных органо-аккумулятивных остаточнокарбонатных почвах: переходных вариантах к кислым торфянистым почвам периферии болота. Фаза акумуляции перегнойного горизонта, обусловленная высоким содержанием влаги и снижением температуры почв в зоне контакта (рисунок) характеризует переход от кратковременной стадии гидроморфного почвообразования к стадии мезотрофного заболачивания. В почвах лесной части экотона повышается содержание углерода по сравнению с минеральными фоновыми и торфянистыми. Индикатором последующей смены фазы заболачивания на болотообразование является накопление торфянистого горизонта свыше 30 см.

Установлено флористическое разнообразие переходных полос и изменение их ярусной структуры по градиенту увлажнения. Экотоны отличаются от граничащих фитоценозов повышенным количеством видов. Преобладание в структуре сообщества видов, относящихся к определенным экологическим группам, определяет индикационное значение данного фитоценоза. В лесоболотном экотоне закономерно изменяется фитоценотическая роль растений разных ярусов, зона контакта выделяется как по спектрам, так и по выраженности мохового и травяного ярусов, представленных наиболее широким диапазоном экологических групп. Пространственно-временные смены сообществ в элементах лесоболотного экотона прослеживаются по соотношению между лесными и болотными видами трав и мхов, в экспансии сосны с периферии болот в мелколиственные травяные, либо темнохвойные коренные насаждения. В болотной части локальных экотонов (при мощности торфа до 40 см) снижение трофности компенсируется повышеннием увлажнения, что обеспечивает устойчивость рослорямовых сообществ и сохранение достаточно высокой продуктивности древесного яруса. Пусковым моментом смены фазы мезотрофного заболачивания прогрессирующим олиготрофным являются пожары и повышение обводненности периферии болота.

ЗАПАСЫ ТЕПЛА И ВЛАГИ, УГЛЕРОДА

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ВИДОВ В ЛЕСОБОЛОТНЫХ ЭКОТОНАХ

В ЛЕСОБОЛОТНОМ ЭКОТОНЕ

Л ЛЭ БЭ Б

Л ЛЭ БЭ Б Л ЛЭ БЭ Б Л ЛЭ БЭ Б Л ЛЭ БЭ

циклы растительного покрова в центральном Алтае связанные с изменением климата В таежной зоне выявлены индикаторы оценки состояния болотообразовательного процесса на разных стадиях развития лесоболотных экотонов, определена критерии граничных состояний между зональным ландшафтом, заболоченным и болотным.

экосистемного мониторинга и прогноза, разработки превентивных мер по сохранению биологического разнообразия и снижению рисков природопользования.

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

Задача 1. Провести анализ вулканогенных возмущений среднеширотной стратосферы Северного полушария по данным многолетних лидарных наблюдений.

Анализ временного хода интегрального коэффициента обратного аэрозольного рассеяния стратосферы В над Томском по данным регулярного лидарного зондирования на длине волны 532 нм показал, что его минимальные значения были достигнуты только к 2003 г. Объявленное ранее наступление "нового фонового периода" аэрозольного содержания стратосферы оказалось преждевременным. Значения В(2003) оказались в 2 раза ниже В(1998). Это говорит о том, что в этот пятилетний период в стратосфере еще сохранялись остатки вулканогенного аэрозоля, главным образом после извержения вулкана Пинатубо в 1991 году. Дальнейший рост В связан с возмущениями стратосферы извержениями вулканов Рабаул (2006), Окмок, Касаточи (2008) и пик Сарычева (2009).

аэрозольного рассеяния стратосферы, ср- Интегральный коэффициент обратного Рис. 5.1. Временной ход интегрального коэффициента обратного аэрозольного рассеяния стратосферы над Томском по данным регулярного лидарного зондирования на длине волны 532 нм (темная кривая) и его параболический тренд (красная кривая) за период 1995-2009 гг.

Задача 2. Исследовать связи волновых возмущений в нижней тропосфере в Северном полушарии с извержениями вулканов плинианского типа.

Корреляционный анализ январских температур в Томске с индексами Северо-Атлантических колебаний (NAO) на временном интервале 15 лет со скользящим шагом 1 год в период с 1950 по 1995 гг. показал чувствительное увеличение коэффициентов корреляции в годы вулканогенных возмущений глобальной стратосферы.

Задача 3. Проанализировать вулканогенные возмущения субарктической озоносферы из дендрохронологических данных.

Анализ 200- летнего ряда ОСО, реконструированного по обобщенной плотности годичных колец хвойных в субарктическом поясе широт, показал, что аномальный спад ОСО в 90-х годах прошлого столетия обусловлен синергетическим эффектом. Он вызван нелинейным сложением отрицательных колебаний естественных циклов с аномально длительной вулканогенной депрессией озоносферы, достигшей апогея после извержения вулкана Пинатубо в 1991 году.

Рис. 5.2. Реконструкция ОСО по плотности годичных колец в субарктическом поясе широт (синяя линия) и сумма гармонических составляющих с периодами 22 года и 66 лет (красная линия). Столбики – хронология извержений с VEI 4: 1-Тамбора; 2-Кракатау; 3-Санта-Мария; 4-Катмай; 5Пинатубо. Увеличение частоты взрывных извержений: I – 1 извержение за пять лет; II – 1 извержение за 2,5 года; III – 1 извержение каждые 1,5 года.

Задача 4. Провести датировку и элементный анализ дендрохронологических сигналов с привязкой к периодам извержений вулканов плинианского типа.

Проведена корректная датировка кернов хвойных, использованных для микроэлементного анализа на установке РФА-СИ. Среди анализируемых микроэлементов, только содержание хлора отслеживает аэрозольное возмущение стратосферы, возникшее после извержения вулкана Пинатубо, относящегося к плинианскому типу. Компоненты хлорной кислоты всегда присутствуют в вулканогенном сернокислотном стратосферном аэрозоле, постепенно высыпающемся на поверхность Земли. Однако извержение плинианского типа вулкана Эль-Чичон в 1982 году на поведении хлора практически не отразилось. Вероятнее всего, это обусловлено увеличением в этот период содержания магния, который в растительных системах конкурирует с хлором.

Рис. 5.3. Удельное содержание микроэлементов в годичных кольцах хвойных по данным рентгеновского флуоресцентного анализа.

Задача 5. Провести модельную и экспериментальную оценку возможности преобразования частоты лазеров ближнего и среднего ИК-диапазона в коротковолновую (10-40 мкм) и длинноволновую (100-3000 мкм) части терагерцового диапазона с помощью нелинейных кристаллов.

Разработаны новая технология легирования GaSe и твердых растворов GaSe1-xSx серебром, обеспечивающей его более однородное распределение, и способ увеличения твердости модифицированных кристаллов GaSe до кг/мм2, позволяющий довести его полировку до оптического качества.

Получена эффективная генерация терагерцового излучения методом оптического выпрямления в кристаллах твердых растворов GaSe1-xSx.

Рис. 5.4. Эффективность оптического выпрямления от содержания серы в кристаллах твердых растворов GaSe1-xSx: точки – экспериментальные данные, штриховые линии - аппроксимации.

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

Проект состоит из 3- блоков:

Блок 1. Исследование аналитических возможностей методов комбинационного рассеяния и зеемановской спектроскопии и создание на их основе газоанализаторов для контроля концентраций загрязнений атмосферы. (Отв. исполнители: к.ф.-.м.н. снс Булдаков М.А., к.т.н. зав. лаб.

Татур В.В.).

Блок 2. Развитие ультразвуковых и оптических методов измерения метеорологических величин, создание многофункциональных автоматических метеорологических приборных комплексов и прототипа информационно-измерительной системы для прогноза опасных метеорологических и экологических явлений на территории региона.

(Отв. исполнитель к.т.н. снс Корольков В.А.).

Блок 3. Развитие элементной базы для перестраиваемых по частоте источников излучения высокой интенсивности ИК и терагерцового диапазонов, предназначаемых для систем мониторинга природных объектов и безопасности. (Отв. исполнители: д.ф.-м.н. внс Гейко П.П., к.ф.-.м.н. снс Грибенюков А.И.) 2. Выполненные в 2010 г. этапы:

По блоку 1. Провести отработку оптических схем, алгоритмов обработки сигналов и методик измерения для стендового СКР-газоанализатора и анализатора паров ртути ДОГ- По блоку 2. Исследовать особенности генерации и приема ультразвуковых импульсов в крайних точках температурного и ветрового диапазонов метеокоплекса АМК-03. Провести макетирование оптического измерителя структуры осадков.

По блоку 3. Отработать технологию выращивания монокристаллов ZnGeP2 до 50 мм направленной кристаллизацией из расплава предварительно синтезированного соединения. Разработать алгоритмы и программы по условиям реализации квазисинхронного взаимодействия волн в нелинейных кристаллах с регулярной доменной структурой.

3. Актуальность выполненных исследований.

Данный проект является в большей части продолжением работ, выполнявшихся в предыдущем проекте ИМКЭС СО РАН 7.13.1.2 "Развитие методов и технических средств на основе оптических, радиоволновых и акустических эффектов для изучения природных и техногенных систем" (2007-2009 гг.) и направлен на развитие физических методов, технологий измерений и технических средств для мониторинга природных и техногенных систем с целью обеспечения безопасности населения..

4. Основные научные результаты, полученные в ходе выполнения этапа:

По блоку 1.

В рамках выполнения проекта проводились работы по оптимизации оптической системы возбуждения спектров СКР и сбора рассеянного света стендового СКР-газоанализатора, предназначенного для анализа многокомпонентных газовых сред техногенного происхождения. В результате этих работ были приняты следующие решения:

1. Для возбуждения спектров СКР стендового СКР-газоанализатора реализована многопроходная двухфокусная оптическая система, увеличившая сигнал СКР в 13 раз. Принцип действия данной оптической системы и ее внешний вид показаны на рис. 6.1 и 6.2.

2. Для сбора рассеянного света использован светосильный зеркальный конденсор, обеспечивающий сбор рассеянного света в телесном угле ~ 4 ср.

Рис. 6.1. Схема оптической системы Рис. 6.2. Внешний вид макета СКРвозбуждения спектров СКР и сбора газоанализатора с оптической системой возрассеянного света стендового СКРбуждения спектров СКР и сбора рассеянногазоанализатора: 1 – щель монохромаго света тора, 2 – линза, 3, 4 – зеркала для многократного прохождения лазерного излучения, 5 – зеркальный конденсор для сбора рассеянного излучения Оценка чувствительности стендового СКР-газоанализатора с данной оптической системой возбуждения спектров СКР и сбора рассеянного света проводилась путем экспериментальной регистрации спектра СКР воздуха, являющегося хорошо известной многокомпонентной газовой средой естественного происхождения. Анализ зарегистрированного спектра СКР воздуха (рис. 6.3 и 6.4) показал, что что предельная чувствительность стендового газоанализатора составляет ~ 20 ppm CO2 или ~ 10 ppm H2O.

Рис. 6.3. Спектр СКР воздуха Рис. 6.4. Фрагмент спектра СКР воздуха В рамках работ по анализатору ртути проведен обзор современных методов определения концентрации ртути, состояние и перспективы развития аналитической аппаратуры в России и мире, а также анализ методик определения ртути и ее форм в образцах находящихся в твердом и жидком состоянии в объектах окружающей среды.

В атомно-абсорбционном анализаторе ртути с зеемановской коррекцией фона (РГА-11), ранее разработанного в ИМКЭМ СО РАН, в качестве излучателя использовались ртутные лампы, заполненные изотопом ртути 202Hg.

В настоящее время такие лампы серийно не производятся, в связи с чем возникла необходимость модернизации излучателя в газоанализаторе. Проводятся работы по определению возможности использования ртутных ламп с природной ртутью, а также по определению сравнительных характеристик при использовании как продольного, так и поперечного эффектов Зеемана для оптимизации оптической схемы. При оптимизации как оптической, так и электронной частей схемы анализатора, нижний предел измеряемых концентраций паров ртути в атмосферном воздухе может быть уменьшен с 20 нг/м (в ранее разработанных образцах до единиц нг/м3, то есть до фоновых значений).

Анализ содержания ртути в образцах находящихся в твердом и жидком состоянии в настоящее время в основном проводится с использованием метода холодного пара. Однако, этот метод позволяет анализировать только свободные формы ртути. Для распознавания и количественной оценки различных химических форм ртути наиболее оптимальным является метод термодесорбции. В настоящее время нами разрабатывается приставка к ртутному газоанализатору на основе метода термодесорбции для определения ртути и ее форм в образцах, находящихся в твердом и жидком состоянии.

1. Проведен сравнительный анализ основных методов и устройств для измерения количества и структуры атмосферных осадков: объемных и весовых осадкомеров, плювиографов, измерителей на основе мембранных (микрофонных) преобразователей, оптических диздрометров. Сформулированы основные требования к конструкции разрабатываемого оптического диздрометра для измерения количества, размера и скорости падения частиц осадков, проходящих через измерительный объем прибора. Проведено макетирование основных узлов оптической схемы прибора.

2. Проанализированы основные причины нарушения генерации и приема ультразвуковых импульсов в ультразвуковых автоматических метеостанциях (УАМС) АМК-03 в крайних точках температурного и ветрового диапазонов. Для увеличения рабочего диапазона по скорости ветра предложена оптимальная конструкция измерительного блока, существенно снижающая вероятность возникновения сбоев в приеме ультразвуковых импульсов при высоких значениях скорости ветра, возникающих вследствие нарушения ламинарного течения ветрового потока при взаимодействии его с элементами несущей арматуры электроакустических преобразователей термоанемометра. С этой целью разработана акустическая схема ультразвукового термоанемометра с резервным ультразвуковым каналом, не имеющая затенений измерительных каналов элементами крепежной арматуры при любом произвольном направлении скорости ветрового потока относительно конструкции термоанемометра. На техническое решение оформляется заявка на патент на изобретение. Для обеспечения функционирования УАМС АМК-03 в условиях крайне низких температур (в интервале от -50оС до -70оС) разработаны схемы и экспериментально определены основные параметры системы принудительного обогрева электроакустических преобразователей.

3. Завершена подготовка к началу опытной эксплуатации первой очереди информационно-измерительной системы (ИИС) из 3-х пространственно разнесенных постов УАМС АМК-03: выполнена установка и монтаж АМК-03 на метеорологических мачтах, установленных в запланированных районах измерений: аэропорт Богашево, стационар ИМКЭС СО РАН "Кедр" в пос. Курлек, метеорологическая площадка ИМКЭС СО РАН в Академгородке, г.

Томск (рис. 6.5). Создан макетный образец сервера, обеспечивающего прием и накопление информации от УАМС АМК-03 (рис. 6.6), а так же создано одно рабочее место пользователя ИИС, установлены и опробованы программы для ЭВМ"АМК-СЕРВЕР" и "АМК-netClient", обеспечивающие функционирование ИИС в вариантах беспроводной связи и связи по каналам Ethernet, выполнены пробные циклы синхронных измерений метеопараметров и передачи их пользователю в реальном масштабе времени.

Рис. 6.5. Схема размещения постов УАМС Рис. 6.6. Схема построения системы Приведенное на рис. 6.7 окно программного обеспечения сервера показывает его возможности работы с группой постов УАМС. В 1-м столбце показано количество пакетов информации, полученных от УАМС и ее состояние на данный момент времени: зеленым цветом выделяются УАМС, передающие информацию в момент соединения, желтым – УАМС, соединение с которыми осуществлено, но информация, по каким-либо причинам, не поступает, красным – УАМС, соединение с которыми на данный момент времени отсутствует. Это позволяет оператору быстро оценивать функциональное состояние ИИС в целом. Также указываются серийные (или порядковые) номера УАМС, подключенных к системе, места их расположения, телефонные номера и IMEI-коды. Кроме того, приводится установленная частота передачи данных для каждой УАМС.

Высокая частота измерений метеорологических величин, выполняемых УАМС АМК-03 (до 80 Гц), и сохранение их значений в базе данных компьютера позволяют получать временные ряды со значениями каждой из измеряемых величин k = (tk) в дискретные моменты времени tk, относящиеся к одной пространственной точке. Подобные ряды можно использовать для прогностических оценок их дальнейшей временной эволюции на основе применения известных алгоритмов с использованием фильтра Калмана. Один из вариантов такого фильтра (Калмана-Бьюси) был синтезирован на ЭВМ, и с его помощью выполнены сверхкраткосрочные прогнозы (до 6 часов) временной эволюции температуры воздуха T, атмосферного давления P, абсолютной влажности воздуха q, зональной U и меридиональной V составляющих скорости ветра. При этом использовалось временное усреднение значений k на интервале 20 минут с периодичностью регистрации усредненных значений, равной также 20 минутам.

В создаваемой ИИС, содержащей три поста УАМС АМК-03, описанный метод прогнозирования может быть расширен на 3-х мерный (пространственно-временной) случай. В нем метеовеличины рассматриваются как функции времени t и двух пространственных координат x и y. Соответственно, для вычисления величины используется ее разложение в ряд Тейлора по 3-м аргументам: (t, x, y), а для описания состояния динамической системы используется трехмерная матрица. Это позволит использовать информационно-измерительную систему не только для получения временных прогнозов, но и производить с ее помощью интерполяцию и экстраполяцию приземных значений метеорологических величин по контролируемой ею территории.

По блоку 3.

1.1. При отработке технологии выращивания монокристаллов ZnGeP2 до 50 мм направленной кристаллизацией из расплава предварительно синтезированного соединения получены следующие результаты (рис. 6.8). Из представленных рисунков видно, что в условиях свободной конвекции при отклонении состава расплава от стехиометрии в кристаллах ZnGeP2, выращиваемых по методу Бриджмена, образуются включения с плотностью, достигающей максимума в центральной части кристалла, а по мере удаления от центра плотность включений падает.

Применение вынужденной конвекции, создаваемой за счет радиального градиента температуры (0,2 С/см), разрушает условия формирования включений в центральной части кристалла и особенно на начальном этапе роста.

Оттеснение и накопление избыточных (относительно стехиометрии) компонент в расплаве в некоторый момент превышает уровень критической концентрации, и включения, проявляющиеся в виде сегмента в поперечном сечении кристалла, начинают формироваться, постепенно увеличивая размеры сегмента (рис. 6.9).

Рис 6.8. Распределение включений в кристалле ZnGeP2, выращенного при свободной конвекции методом Бриджмена на затравку: а – продольный срез по центру кристалла; б – продольный срез на расстоянии 3 мм от центра кристалла; в – продольный срез на расстоянии 5 мм от центра кристалла Рис. 6.9. Нижняя (а) и верхняя (б) части кристалла ZnGeP2 диаметром 48 мм. Видно, что состав, использованный в загрузке, позволил получить только около 30 % длины кристалла без включений, после чего периферийная область, насыщенная включениями, разрасталась до конца процесса кристаллизации. Плоскости среза – базовые (100) Показано, что вынужденная конвекция расплава ZnGeP2 позволяет подавить образование преципитатов в центральной части кристалла и способствует оттеснению сверхстехиометрических компонент в периферийные области, кристаллизующиеся в последнюю очередь, при этом большая часть полученного кристалла имеет высокое структурное совершенство и оптическое качество, позволяющее их использование для решения прикладных задач нелинейной оптики.

1.2. В области численного моделирования процессов выращивания кристаллов ZnGeP2 были выполнены (завершены) следующие этапы:

разработана физическая модель многозонной термической установки и ее математическое описание, включающее классические представления о тепловых процессах и максимально учитывающее особенности конструктивных элементов и изменения в рабочем объеме, связанные с перемещением ростового контейнера;

численными методами получены оценки формы фронта кристаллизации, а также временной эволюции скорости роста кристалла в зависимости от положения ростового контейнера в процессе выращивания, установлена связь изменений температурного поля с пространственным положением реального ростового контейнера;

предложена и программно реализована новая методика стабилизации осевой скорости роста кристалла, основанная на непрерывной коррекции температурного поля в рабочем объеме установки с использованием для оценок скорости роста кристалла пакета калибровочных математических моделей, учитывающих текущее положение ростового контейнера.

2. Проведены расчеты по реализации параметрической генерации света на основе квазисинхронного взаимодействия волн на периодически поляризованных структурах в ниобате лития. Совместно с сотрудниками ТУСУР экспериментально исследована генерация второй гармоники излучения с длиной волны 1064 нм в объемных периодически поляризованных структурах, синтезированных в образцах LiNbO3:MgO импульсным электрическим полем.

Показана возможность осуществления плавной перестройки частоты, выбором подходящего периода структуры и изменением температуры кристалла. Результаты таких расчетов приведены на рис. 6.10. В расчетах выбирался реалистичный температурный диапазон от -100 до 2000 С. При накачке же излучением Nd:YAG лазера при использовании квазисинхронизма первого порядка период должен изменяться от 15 до 21 мкм.

Длина волны, нм Исследованы возможности использования сверхширокополосных преобразователей частоты излучения фемтосекундных импульсов на основе двуосных нелинейных кристаллов с одновременным выполнением условий фазового и группового синхронизма для лидарного зондирования атмосферы.

Предложена методика решения системы укороченных уравнений, описывающих параметрическую генерацию в одночастотном резонаторе с накачкой импульсами наносекундного диапазона длительностей. Показано, что для каждого значения плотности накачки существует оптимальное значение длительности импульса накачки, обусловленное величиной порога возникновения параметрической генерации.

Исследованы возможности создания генераторов второй гармоники СО лазеров с высокой выходной средней мощностью. Решена система укороченных уравнений, совместно с двумерным уравнением теплопроводности, описывающих генерацию второй гармоники с учетом теплового самовоздействия при накачке импульсно-периодическим СО2 лазером.

Проведена аналогия между нелинейным кристаллом с периодической доменной структурой и макромалекулой тубулина. Установлено, что в подобной системе потенциальная энергия электрона, ответственного за «переключение» между конформациями молекулы, имеет двухямный характер.

Вычислены частота туннелирования и энергия основного состояния электрона 5. Научная новизна результатов и их значимость. Научная новизна результатов, полученных на первом этапе проекта, подтверждается публикациями в соответствующих журналах, полученными свидетельствами о регистрации программ для ЭВМ и направленными заявками (см. разделы 7 и 8).

6. Возможность практического применения. Все блоки проекта ориентированы на практическое применение.

7. Проект VI.44.2.6. Структура биологического разнообразия в экосистемах бореальных лесов: динамические и эволюционные аспекты.

Основная цель проекта - выявление закономерностей пространственновременной организации биологического разнообразия в изменяющихся условиях природной среды и под влиянием деятельности человека на примере бореальных лесных экосистем.

Достижения поставленной цели требует комплексного подхода к исследованиям с охватом разных уровней биологического разнообразия лесных экосистем: видового, популяционного и экосистемного (биогеоценотического). В планы 2010 года было поставлено:

1. Провести покомпонентную и комплексную оценку современного состояния биоразнообразия кедровых лесов юго-востока Западной Сибири (видовой, возрастной, пространственной, виталитетной структуры в их взаимосвязи).

2. Выявить структуру маргинальных популяций кедра сибирского в связи с их климатической обусловленностью 3. Определить уровень и структуру внутривидового разнообразия как функцию размера и формы экологического ареала (на примере кедровых сосен России Комплексный подход в проекте обеспечен привлечением к исследованиям специалистов из разных областей биологии. Результаты исследований опубликованы и доложены на конференциях разного уровня Основные результаты.

1. Проведена комплексная оценка структурного разнообразия биоценозов южно-таежных припоселковых кедровников – памятников природы Томской области – с учетом возраста, жизненного состояния древостоев и этапов лесообразовательного процесса. Установлена значительная биоценотическая дифференциация изученных лесных сообществ по структуре основных компонентов - древесного яруса, возобновления, ксилофильной микобиоты и энтомокомплексов.

Получены виталитетные спектры кедра сибирского, характеризующие разнообразие насаждений по жизненному состоянию не только в разных кедровниках, но и разных выделах одного кедрового урочища, различающихся возрастом (рис.7.1, 1,2,3). В разновозрастных древостоях виталитетная структура младших поколений демонстрирует тем худшее их состояние по сравнению со старшим, чем больше разница в возрасте поколений (рис. 7.1, 4,5). Показано, что при естественном возобновлении под пологом материнского древостоя в кедровниках дифференциация подроста по жизненному состоянию выражена сильнее, а виталитет кедра ниже, чем при демутационной сукцессии на вырубках и искусственном лесовосстановлении. Определены количественные характеристики поражения кедровых древостоев дереворазрушающими грибами. Наивысшая степень пораженности деревьев кедра гнилевыми инфекциями достигает 97,4 95.5 % (в Зоркальцевском и Протопоповском кедровнике соответственно), наименьшая – 17,4 % в Белоусовском кедровнике. Показано закономерное увеличение экстенсивности развития ксилофильной микобиоты с возрастом древостоев (рис. 7.2).

С использованием метода феромонного мониторинга в припоселковых кедровниках выявлено 95 видов стволовых насекомых – фитофагов и энтомофагов из 32 семейств. В разных кедровниках в состав стволовых энтомокомплексов входят представители от 10 до 28 семейств и от 19 до 71 видов.

Доминируют семейства Scolytidae (короеды), Elateridae (щелкуны), Cleridae (пестряки), Staphylinidae (стафилиниды), Pythidae (трухляки) и Cantharidae (мягкотелки). Показателем ухудшения состояния кедровников является повышенное видовое разнообразие и численное обилие короедов (рис. 7.3), что связано с наличием доступной кормовой базы в виде ослабленных деревьев.

Впервые в Западной Сибири обнаружен агрессивный инвазийный вредитель хвойных – уссурийский полиграф Polygraphus proximus, перспективный, в связи с высокой численностью и скоростью расширения ареала, в качестве биоиндикатора современных климатических изменений и их влияния на лесные экосистемы.

Рис. 7.1. Виталитетные спектры древостоев кедра сибирского: одновозрастные древостои (1 -124 года; 2 - 138 лет; 3 – 145 лет); разновозрастные древостои (4 -132/102 года; 5 -158/53 лет).

Возраст, лет Рис. 7.2. Пораженность деревь- Рис. 7.3. Структура ксилофильных энтомоев дереворазрушающими гри- комплексов в древостоях кедра разного бами в кедровых древостоях жизненного состояния: 1–5 -сильно ослабразного возраста (усредненные ленные с действующими очагами; 6 - здоданные по 10 кедровникам). ровые; 7 - ослабленные; 8 - полностью деградированные после затухания очагов.

Полученные параметры структурного разнообразия припоселковых кедровников могут явиться основой для организации локального лесоэкологического мониторинга, защиты от негативных факторов и восстановления нарушенных насаждений особо охраняемых природных территорий.

2. Проведены комплексные исследования структуры популяций кедра сибирского на высотном экологическом профиле (Северо-Восточный Алтай, Телецкое озеро, северный склон г. Колюшта). Установлена, выраженная фенотипическая и генотипическая дифференциации разновысотных популяций, обусловленная сопряженным влиянием теплообеспеченности экотопов, изменяющейся в соответствии с высотным градиентом (1), и положения популяций относительно зоны экологического оптимума (2).

Многомерный анализ распределения популяций по частотам аллелей в изоэнзимных локусах показывает, что фактором теплообеспеченности (1-я главная компонента) обусловлено 57% общей генетической изменчивости, а фактором маргинальности (2-я главная компонента) - 21%. Вегетативная продуктивность (формирование ствола и кроны, органогенез и рост побегов) и активность физиологических процессов (интенсивность фотосинтеза и дыхания) уменьшаются клинально, с увеличением абсолютной высоты местности и снижение теплообеспеченности. Максимальное качество репродукции (размер шишек, число фертильных чешуй и полных семян) и минимальная чувствительность к климатическим изменениям (коэффициент чувствительности кольцевых хронологий) отмечены в средней части высотного профиля (горно-таежный и нижняя часть субальпийского подпояса).

Рисунок 7.4. Распределение популяций кедра сибирского на высотном экологическом профиле по результатам анализа аллельных частот аллозимных локусов (слева) и изменение морфологических, физиологических и генетических признаков (внизу). Номерами обозначены пробные площади: 1 - кедровник крупнотравно-папоротниковый (8К2П, I бонитет, 470 м); 2 кедровник кустарниково-крупнотравнопапоротниковый (5П4К1Б, III бонитет, 685 м); 3 - кедровник кустарниково-папоротниково-крупнотравновейниково-зеленомошный (9К1П, II бонитет, 1280 м);

IV бонитет, 1830 м); 5 - ерниково-моховолишайниковое кедровое редколесье (10К+Л, внебонитетные древостои, 2060 м).

Генетическая изменчивость (средняя наблюдаемая и ожидаемая гетерозиготность по изоферментным локусам) закономерно увеличивается от черневого подпояса к верхней границе распространения кедра, что в известной мере характеризует увеличение в этом же направлении адаптивного и общего потенциала популяций. Полученные результаты позволяют предположить, что усиление теплообеспеченности вследствие возможных климатических изменений приведет к деградации низкогорных и прогрессивному развитию высокогорных популяций, что необходимо учитывать при разработке мероприятий по охране и использованию горных лесов.

3. Анализ распространения российских видов кедровых сосен показал, что жизненная форма стланца способствует освоению кедровым стлаником очень разнообразных (в том числе, контрастных) экологических и климатических ниш, непригодных для существования и воспроизводства прямостоячих лесных древесных видов, в том числе, кедра сибирского.

Экологический и климатический и ареалы в координатной системе из двух наиболее значимых осей (факторов) у кедра сибирского представляют собой относительно небольшие круги, а у кедрового стланика – кольца, внутренняя окружность которых примерно совпадает с границами кедровых кругов, наружная же имеет значительно больший радиус.

Генетическое разнообразие популяций кедра сибирского (S) и кедрового стланика (P) в разных частях Преобладание дифференцирующих или интегрирующих генофонд тенденций приводит к тому, что внутри- и межпопуляционная изменчивость морфологических и физиологических (в том числе, адаптивных) признаков, а также генетическое разнообразие на всех уровнях его организации (по результатам аллозимного анализа), у кедрового стланика в 2-2,5 раза выше, чем у кедра сибирского. Есть основания предположить, что формирование и поддержание оптимальной структуры аллозимного полиморфизма популяций является важным механизмом адаптивной микроэволюции.

Научная новизна. Результаты исследований позволяют выявить основные тенденции динамики и формирования биоразнообразия в бореальных и высокогорных лесах, выявить устойчивость и механизмы адаптации к изменениям природной среды и на этой основе дать прогноз их изменений при различных сценариях развития.

Практическая значимость. Выявленные закономерности обеспечивают разработку модели прогноза изменения лесных экосистем и на их основе технологии экономически выгодного в отдаленной перспективе и экологически безопасного природопользования. На региональном уровне результаты исследования внедрены при оценке состояния кедровых насаждений культурного типа, повышении их устойчивости и декоративности, введении в культуру новых эко- и морфотипов.

8. Проект IV.31.2.7. Веб-система для вычисления климатических характеристик и анализа глобальных и региональных климатических изменений.

Выработаны базовые требования, которым должна отвечать информационная система на основе веб-ГИС технологий для обработки и анализа архивов климатических данных, а также данных удаленного зондирования:

- унификация обработки и анализа геофизических данных, включая приведение их к единому формату (NetCDF или HDF5, за исключением данных дистанционного зондирования, поставляемых в формате HDF-EOS);

- использование специализированных форматов данных для описания результатов вычислений, рекомендованных соответствующими стандартами W3C, OGC и ISO, и обеспечивающих интероперабельность и возможность надстройки дополнительных веб-сервисов;

- применение веб-гис технологий на стороне веб-клиента, расширяющих функциональность разрабатываемой системы;

- реализация набора вычислительных модулей как части ядра системы, отвечающего за обработку и визуализацию;

- использование данных моделирования не только с низким, но и с высоким пространственным разрешением.

На базе выработанных требований к информационной веб-системе для вычисления климатических характеристик и анализа глобальных и региональных климатических изменений разработана ее концептуальная архитектура.

Система реализуется в виде совокупности трех основных компонент: локального архива наборов геофизических данных; вычислительного ядра, обеспечивающего обработку и визуализацию данных; и веб-портала, основанного на оригинальном программном обеспечении. В качестве наборов данных доступных для обработки используются архивы исторических наблюдений, результаты математического моделирования (реанализы, глобальные и региональные модели), а также данные спутникового зондирования (спектральные каналы, готовые продукты). Для создания специализированного программноаппаратного комплекса, обеспечивающего хранение и обработку архивов геофизических данных, была выработана его структура, определяющая состав и взаимодействие его компонентов На сегодняшний день в хранилище содержатся данные реанализов, даные метеорологических наблюдений и данные дистанционного зондирования общим объемом - 6 Тб из 14 Тб доступного пространства. Вычислительное ядро системы разрабатывается на языке ITTVIS Interactive Data Language (IDL) v. 7.0, который предоставляет богатые возможности, в сочетании с удобством и быстротой разработки современных научных приложений. Возможности системы по обработке данных позволят проводить математический и статистический анализ основных параметров, характеризующих состояния и изменения глобального и регионального климата, а также спутниковых снимков. Для разработки вебпортала и реализации веб-ГИС функциональности пользовательского интерфейся было проанализировано существующее программное обеспечение, реализующее картографические веб-сервисы и использующееся при разработке интерактивных веб-сервисов. Созданный в дальнейшем веб-портал, предоставляющий пользователю системы удобный и интутивно понятный интерфейс, будет отвечать современным требованиям, предъявляемым к информационным интернет-системам (функции аутентификации, CMS, работа с различными СУБД и т.д.) на основе свободно распространяемых JavaScriptбиблиотек. Веб-портал предоставит пользователю возможность не только выбирать наборы данных, задавать желаемые параметры их сравнения или обработки, определять параметры визуализации, но и обеспечит интерактивное взаимодействие с полученными графическими результатами. Для этого, при отображении результатов, будут использованы элементы технологии Веб-ГИС: свободно распространяемое ПО GeoServer, MapServer, OpenLayers и библиотеки ExtJS Framework. Использование ГИС-технологий позволит, например, в качестве одного из слоев или подложки, при отображении полей метеорологических данных использовать данные спутникового зондирования (при чем, как комбинации спектральных каналов, так и готовые продукты).

Основные результаты.

Проведена разработка общей архитектуры информационно-вычислительной системы на основе веб-ГИС технологий для обработки и анализа архивов климатических данных, а также данных удаленного зондирования. Система реализуется в виде совокупности трех основных компонент: локального архива наборов геофизических данных; вычислительного ядра, обеспечивающего обработку и визуализацию данных; и веб-портала, основанного на оригинальном программном обеспечении. Реализованы возможности выполнения статистического анализа основных параметров, характеризующих состояния и изменения глобального и регионального климата.

Рис. 8.1. Общая архитектура веб-системы для вычисления климатических характеристик и анализа глобальных и региональных климатических изменений Выработана структура аппаратного комплекса для хранения и обработки архивов геофизических данных и начата разработка элементов вычислительного ядра системы с использованием среды программирования ITTVIS IDL, а также веб-интерфейса системы на основе свободно распространяемых JavaScript-библиотек.

Рис. 8.2. Иллюстрация элементов веб-ГИС функциональности прототипа графического интерфейса пользователя. В качестве одного из слоев или подложки, при отображении полей метеорологических данных могут быть использованы данные спутникового зондирования (при чем, как комбинации спектральных каналов, так и готовые продукты).

1.2.2. РАБОТА, ВЫПОЛНЕННАЯ ПО ПРОГРАММЕ ПРЕЗИДИУМА РАН

Программа 4. «Оценка и пути снижения негативных последствий экстремальных природных явлений и техногенных катастроф, включая проблемы ускоренного развития атомной энергетики». Проект 10:

«Комплексный мониторинг современных климатических и экологических изменений в Сибири»

1.Анализ пространственно-временной динамики полей температуры, давления и осадков на азиатской территории России в период современного глобального потепления 1975-2005 гг. показал, что за этот период в среднем по территории среднегодовая температура повысилась на 1С, давление снизилось на 0,7 гПа, а тенденция к снижению осадков находилась в пределах среднеквадратичного отклонения. При этом среднемесячные величины этих климатических характеристик имели как положительный, так и отрицательный тренд в разных районах и в разные месяцы (для января показаны на рис.1).

Анализ изменений атмосферной циркуляции в рассматриваемый период показал тесную корреляцию временной изменчивости среднемесячной температуры с индексами SCAND и Арктического колебания, характеризующих процессы блокирования западного переноса, а индекс СевероАтлантического колебания значимо влиял на температуру только в холодный период года. Влияние режима циклонической циркуляции на среднемесячные температуры было выявлено в зависимости только от изменений интенсивности и продолжительности прохождения циклонов по территории, а не их количества (ИМКЭС СО РАН, ИВЭП СО РАН).

Рис.1. Карта линейных положительных (красный цвет) и отрицательных (синий цвет) трендов среднемесячных температур (а), давления (б) и общей облачности (в) в январе для азиатской территории России за период 2. На основе многолетних мониторинговых исследований определена информативность характеристик видового состава горно-таежных лесов и возрастной структуры кедра сибирского для оценки экосистемных изменений в зонах раннего отклика на потепление. Исследования на модельных молодых моренах ледников в разных ороклиматических условиях (СевероЧуйский, Катунский, Южно-Чуйский) показали, что в последние 150 лет кедр сибирский поселяется только на моренах долинных ледников, граничащих с лесным поясом в гемигумидных условиях Северо-Чуйского хребта (Малый Актру, Левый Карагемский, Корумду), и устойчиво сохраняется в составе первичной растительности только через 40 лет после освобождения территории ото льда.

На примере модельных молодых морен ледника Малый Актру установлено, что в современный период потепления климата роль кедра в составе первичной растительности возрастает с увеличением возраста морен (рис.2).

Наиболее значительна она на моренах, отложенных более 100 лет назад – на третьей стадии постгляциальной сукцессии, где возраст самых старых особей 65 лет (средний возраст 52 года). На моренах, отложенных позднее (90- лет назад) - на второй стадии сукцессии, его роль низка. Здесь, на моренах, отложенных в 1916-1936 гг. возраст самых старых деревьев кедра около лет (средний возраст 42 года). На моренах моложе 40 лет, на пионерной стадии сукцессии были отмечены только сеянцы кедра, которые погибали в первые годы жизни. (ИМКЭС СО РАН).

Средний возраст,

III II II II I

Рис.2. Средний возраст и численность кедра на разновозрастных моренах ледника Малый Актру. Условные обозначения: стадии сукцессии: I - пионерная (разнотравная); II - разнотравно-мохово-ивовая; III - разнотравномохово-ивово-березовая.

1.2.3. РАБОТА, ВЫПОЛНЕННАЯ ПО ИНТЕГРАЦИОННЫМ

ПРОЕКТАМ СО РАН

Проект № 53 «Генофонд хвойных Урала и Сибири: структура, принципы сохранения и использование в селекционных программах»

Цель проекта - на основе собственных междисциплинарных исследований участников проекта и других источников информации провести сравнительный анализ структуры генофонда у основных лесообразующих видов хвойных Урала и Сибири, разработать принципы его резервации и использования в селекционных программах, начать реализацию на практике нового этапа селекционного процесса с использованием современных биотехнологий.

Главный ожидаемый результат проекта – целостное представление о структуре и динамике генофонда основных лесообразующих хвойных, а также основанные на этом представлении принципы сохранения генетического потенциала видов в природных популяциях и рационального использования генетических ресурсов путем введения видов в культуру и выведения сортов с заданными наследственными свойствами.

Основные результаты.

1. Подразделенность географических экотипов кедра сибирского по результатам сопряженного анализа аллозимной изменчивости и изменчивости адаптивных признаков (ИМКЭС СО РАН, ИОГен РАН).