Физико-химические процессы в земной атмосфере и методы их диагностики

В последнее десятилетие в ИПФ РАН активно развиваются теоретические исследования и моделирование разномасштабной пространственно-временной изменчивости малых газовых состав-ляющих атмосферы. Эта изменчивость определяется, прежде всего, протекающими в атмосфере фотохимическими реакциями, существенно зависит от различных процессов переноса и служит одним из важных источников информации о текущем состоянии и эволюции атмосферы. Основой ведущихся под руководством А. М. Фейгина исследований физико-химических процессов в земной атмосфере является анализ этих процессов с позиций нелинейной динамики и построение специальных базовых динамических моделей атмосферных фотохимических систем (ФХС). Наборы таких процессов и их характеристики существенно различны в разных областях атмосферы, поэтому принято выделять ФХС приземного слоя, свободной тропосферы, полярной нижней стратосферы, мезосферы и др.

Сотрудниками института создана базовая фотохимическая модель нижнестратосферной полярной ФХС, демонстрирующая хорошее количественное соответствие с наблюдаемым поведением концентрации озона. Установлен факт нестабильности антарктической ФХС: впервые в атмосферной ФХС был обнаружен автоколебательный процесс. В период формирования озонной дыры соответствующая ФХС претерпевает ряд бифуркаций, и будущие изменения бифуркационных характеристик вследствие трендов управляющих параметров (прежде всего, концентраций неорганического хлора и парниковых газов, а также температуры) существенно влияют на процесс ожидаемого «зарастания» озонной дыры (А. М. Фейгин, И. Б. Коновалов).

Создана базовая фотохимическая модель мезосферной ФХС; исследованы химические и нелинейно-динамические механизмы возникновения нелинейного отклика данной системы на суточные вариации освещенности (высоты 80–90 км); теоретически предсказана возможность возбуждения нового типа реакционно-диффузионных волн, представляющих собой фронты или импульсы фазы нелинейных фотохимических осцилляций концентраций малых газовых составляющих, распространяющихся в атмосфере Земли вдоль широтного круга; показано, что субгармонический нелинейный отклик мезосферной ФХС на суточные вариации освещенности может быть причиной многократного усиления квазидвухсуточных атмосферных волн, наблюдаемых в мезосфере и нижней термосфере (А. М. Фейгин, И. Б. Коновалов, М. Ю. Куликов).

На основе концепции базовых динамических моделей разработан новый метод определения характеристик атмосферы по результатам наблюдений за малыми газовыми составляющими. Метод применен для обработки данных спутниковых измерений вертикальных распределений температуры, концентраций озона О₃ и гидроксила ОН в мезосфере и нижней термосфере Земли (высоты 50–90 км). Обнаружено многократное усиление неоднородности вертикального распределения воды в верхней мезосфере – области, где формируются серебристые облака – самые высокие в земной атмосфере (А. М. Фейгин, М. Ю. Куликов).

Разработаны методы комбинированного использования химическо-транспортной модели нижней атмосферы совместно с данными наземных и спутниковых измерений состава атмосферы. Эти методы применены для улучшения как пространственного распределения, так и временной изменчивости интенсивности источников химически активных примесей атмосферы. Впервые продемонстрировано, что имеющиеся данные спутниковых измерений тропосферного содержания диоксида азота могут использоваться для улучшения знания об источниках оксидов азота на сравнительно мелких масштабах, разрешимых типичной региональной химическо-транспортной моделью. Выявлены серьезные неточности в имеющихся базах данных традиционных инвентаризаций эмиссий для ряда стран южной и восточной Европы (И. Б. Коновалов).

В результате применения разработанного метода расчета эмиссий химических веществ и аэрозолей впервые (совместно с Гидрометцентром России) продемонстрирована возможность достижения удовлетворительного количественного согласия между измеренными межсуточными вариациями концентраций ряда основных загрязнителей атмосферы (монооксида углерода, взвешенного вещества и озона) и расчетами загрязнения атмосферы в условиях интенсивных природных пожаров.

В ходе исследований активно используется современная трехмерная химическо-транспортная модель, адаптированная для количественного описания эволюции состава атмосферы над Европейской частью России. Показана эффективность использования такой модели при решении широкого круга научно-практических задач, связанных с контролем и прогнозом качества окружающего воздуха, а также степени антропогенной нагрузки на атмосферу.