Лаборатория атмосферной спектроскопии (ЛАС)
Основные направления исследований:
- Окись углерода и метан в атмосфере
- Межмолекулярные комплексы в атмосфере
Окись углерода и метан в атмосфере
Регулярные измерения содержания окиси углерода в лаборатории атмосферной спектроскопии начались в 1970 г. Для регистрации солнечных спектров в лаборатории используется два идентичных прибора среднего разрешения. Один из них расположен на Звенигородской научной станции (ЗНС), находящейся на расстоянии 50 км на запад от Москвы, второй — практически в центре города (в 1,5 км от Красной площади).
Один из приборов регистрирует фоновые значения содержания, а с помощью второго — можно оценить влияние города. По измерениям на ЗНС фоновое содержание СО возрастало с 1970 по 1983 гг. После этого и вплоть до 1996 г. содержание СО было относительно стабильно. Незначительные межгодовые вариации в этот период можно объяснить вулканическими извержениями, которые изменяли фотохимически активную часть ультрафиолетовой радиации, влияющую на процесс образования СО в атмосфере. После 1996 г. наблюдались сильные межгодовые вариации содержания окиси углерода в атмосфере, связанные с пожарами на европейской территории России и в Сибири.
Годы с низким содержанием (1997, 1999, 2000) перемежались годами с высоким (1996, 1998, 2002 и 2003 гг.). Данные наших измерений подтверждаются наблюдениями со спутника Terra, показавшими высокое загрязнение средних и высоких широт северного полушария в годы, когда было много пожаров.
Измерения общего содержания метана на ЗНС проводятся с 1974 г. на том же приборе. Средняя скорость роста содержания за весь период измерений составила 0.5% в год.
Сравнения результатов измерений на двух приборах позволяет выявить вклад городских источников в загрязнение Москвы угарным газом и сделать оценки их мощности.
Межмолекулярные комплексы в атмосфере
Важное место в исследованиях ЛАС на протяжении десятилетий занимает проблема континуального поглощения водяного пара в атмосфере. Лишь в 2004 году впервые удалось зафиксировать полосу поглощения димеров воды в реальной атмосфере. Считается, что поглощенная димерами воды солнечная радиация составляет от 1.5 до 5 Вт/м2 для условий тропической атмосферы. Для ряда селективных каналов зондирования земной поверхности и атмосферы континуальное поглощение водяного пара является определяющим.
С начала 80-х годов центр тяжести исследований ЛАС по спектроскопии молекулярных комплексов переместился в область теории.
Большое внимание уделяется изучению феномена столкновительно-индуцированного поглощения (форма и интенсивность запрещенных полос, их температурные вариации и пр.) с участием молекул воды, углекислого газа, азота и кислорода. Для теоретической интерпретации привлекаются спектры ван-дер-ваальсовских молекул, полученные методами ИК и рамановской спектроскопии (в том числе когерентной) в условиях многопроходных кювет, адиабатических струй и молекулярных пучков, матричной изоляции и пр.
Лаборатория атмосферной спектроскопии была создана в 1968 г. д. ф.-м. н., проф. В. И. Диановым-Клоковым
О лаборатории
Лаборатория атмосферной спектроскопии (ЛАС) была создана в ИФА АН СССР в 1968 году под руководством д. ф.-м. н. В. И. Дианова-Клокова. Основным направлением вновь созданной лаборатории было экспериментальное исследование спектров поглощения атмосферных газов в лабораторных и натурных условиях. В. И. Диановым-Клоковым, совместно с И. П. Малковым, Т. Г. Адикс, В. Н. Арефьевым и др., были выполнены обширные исследования разрешенных и запрещенных полос поглощения кислорода и континуума водяного пара в лабораторных условиях и в реальной атмосфере. В 70-е годы на волне интереса к исследованиям атмосферы Венеры были проведены уникальные для своего времени измерения лабораторных спектров углекислого газа при высоких давлениях. Большое внимание уделялось в ЛАС решению прикладных задач методами молекулярной спектроскопии, в частности, во время многочисленных самолётных и морских экспедиций. Исследования эффективных пробегов фотонов в облаках, начатые И. П. Малковым и Е. И. Гречко, и многолетние регулярные наблюдения общего содержания моноксида углерода, метана и водяного пара в толще атмосферы получили широкое признание. После распада СССР спектроскопический мониторинг примесных газов в атмосфере занял центральное место в экспериментальных работах лаборатории, которой более тридцати лет руководил Е. И. Гречко. Теоретические исследования, проводившиеся в ЛАС с 1984 года А. А. Вигасиным и др., хорошо известны специалистам в нашей стране и за рубежом. Под редакцией А. А. Вигасина в 1998 году (World Scientific, совместно с Z. Slanina) и в 2002 году (Kluwer, совместно с C. Camy-Peyret) были опубликованы коллективные монографии, посвященные спектроскопии слабо взаимодействующих молекул и ее атмосферным и астрофизическим приложениям. Результаты оригинального теоретического моделирования столкновительно-индуцированных спектров, полученные в ЛАС, включены в наиболее авторитетную международную базу спектральных данных HITRAN и с большим успехом применялись при проведении радиационных и климатических расчетов для условий атмосферы Титана и палеоатмосферы Марса. В последнее время результаты расчетов квантовых эффектов в молекулярных спектрах СО2 и СH4 нашли подтверждение при интерпретации атмосферных спектров Марса и Юпитера.
Направления деятельности
- Общая теория континуальных и диффузных спектров атмосферных молекул;
- Квантово-химические расчеты поверхностей электронной энергии и дипольного момента молекул и молекулярных пар;
- Траекторное полуклассическое моделирование столкновительно-индуцированных спектров;
- Теория квантовых эффектов в молекулярных спектрах, вызванных слабыми внутри- и межмолекулярными возмущениями;
- Теоретическое исследование природы континуального поглощения водяного пара;
- Проведение спектроскопических измерений и анализ данных по общему содержанию в атмосфере окиси углерода, водяного пара и метана в стационарных пунктах: Москва (ИФА РАН, центр города, с 1970 г. по настоящее время), Звенигородская научная станция (ЗНС ИФА РАН, Московская область, с 1968 г. по настоящее время), Высокогорная научная станция (ВНС, г. Шаджатмас, Северный Кавказ, с 1986 г. по настоящее время), Зотино (Средне-Енисейский стационар Института леса СО РАН, Красноярский край, с 2008 по настоящее время) и Пекин (пункт ИФА КАН, с 1992 г. по 2019 г.);
- Сбор и анализ информации о составе атмосферы, получаемой с помощью систем дистанционного спектроскопического зондирования: орбитальные приборы AIRS, OMI, MODIS, TROPOMI, OCO и наземные пункты международных сетей атмосферного мониторинга NDACC, TCCON, AERONET;
- Разработка специального программного обеспечения для автоматического сбора и анализа орбитальной информации о составе атмосферы;
- Проведение валидации спутниковых данных, оценка качества орбитальных данных о составе атмосферы и модельных расчетов. Разработка методов повышения репрезентативности орбитальных наблюдений;
- Исследование разнопериодных вариаций и долговременных трендов состава атмосферы в урбанизированных и фоновых районах Евразии. Исследование влияния природных пожаров в разных регионах Северного полушария на состав атмосферы России, оценка мощности эмиссий
Достижения
- Предложена концепция формирования континуальных спектров в результате статистического усреднения по ансамблю возбужденных состояний молекулярных пар;
- Выполнена идентификация спектральных признаков связанных димеров углекислого газа в спектрах поглощения и комбинационного рассеяния при равновесных условиях, в свободно расширяющихся газовых струях и в матричном окружении;
- Впервые получены и интерпретированы достоверные спектры столкновительно-индуцированного поглощения СО2 в области диады и триады Ферми;
- Разработан неэмпирический метод классических траекторий для моделирования столкновительно-индуцированных спектров, использующий квантово-химические характеристики парного взаимодействия;
- Уточнены правила отбора для индуцированных спектров и разработана оригинальная квантовая теория для описания эффектов в молекулярных спектрах, вызванных слабыми возмущениями;
- Впервые построена квантовая теория магнитно-дипольных спектров поглощения линейных молекул;
- Показано, что в условиях палеоатмосферы Марса столкновительно-индуцированное поглощение могло быть ответственно за парниковый эффект, приводивший к возможности существования жидкой воды на поверхности планеты;
- Теоретические спектры молекулярных пар N2-N2 и CO2-Ar, полученные методом классических траекторий, включены в международную базу спектральных данных HITRAN;
- Предложены физически обоснованные модели континуального поглощения азота, диоксида углерода в смеси с аргоном и водяного пара в микроволновой области спектра;
- Собран и проанализирован уникальный по длительности ряд собственных спектроскопических данных о малых газовых составляющих атмосферы в пяти стационарных пунктах (Москва, ЗНС, ВНС, Зотино, Пекин);
- Исследованы разнопериодные вариации окиси углерода (включая долговременные тренды) в атмосфере Москвы и Пекина; установлены основные источники загрязнения, оценена их мощность;
- Создана внутренняя база данных наземной и орбитальной информации нескольких спутниковых систем (MOPITT, AIRS, OMI, MODIS, TROPOMI, OCO-2/3) и международных наземных сетей мониторинга NDACC, TCCON, AERONET — с момента начала наблюдений каждого орбитального прибора и каждого наземного пункта по 2023–2024 г.;
- Выполнены валидационные исследования и оценка качества измерений нескольких орбитальных систем (MOPITT, AIRS, MODIS. IASI, OMI, TROPOMI); разработаны методики фильтрации некачественных орбитальных данных;
- На основе анализа наземной и орбитальной информации, а также модельных расчетов исследованы тренды состава атмосферы в различных регионах Евразии. Получены оценки отклика трендов окиси углерода на климатические изменения и рост концентрации метана. Предложена гипотеза, объясняющая начало возрастания содержания окиси углерода в последнее десятилетие;
- Разработан универсальный многофункциональный программный комплекс ИФА РАН «TROPOMI tools», позволяющий автоматический сбор, фильтрацию, обработку, коррекцию, интерпретацию спутниковой информации, а также проведение валидации данных, полученных орбитальными аппаратами.
| Andrey Vigasin | Head of Laboratory, Chief Scientist | Manager |
| Andrei Belov | research intern | |
| Artem Finenko | Researcher | |
| Daniil Chistikov | Researcher | |
| Evgeniy Grechko | Leading Researcher | |
| Evgeniya Fedorova | Junior Researcher | |
| Galina Chlenova | Lead Engineer | |
| Konstantin Kazakov | Leading Researcher | |
| Sergey Filatov | Lead Electronics Engineer | |
| Vadim Rakitin | Senior Researcher | |
| Vera Terashkevich | Junior Researcher |