ФГБУН ФИЦ «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»
Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера
Сибирского отделения Российской академии наук
ИКФИА СО РАН

Основные научные результаты за 2019 г.

  1. По данным фотометрических наблюдений на станции Маймага (63º N, 130ºE,) в 1997−2008 гг. показана статистически значимая связь интенсивности эмиссии ночного неба 557.7 нм с солнечной активностью в 23-м цикле. Впервые выявлено отсутствие зависимости коэффициента вариации интенсивности эмиссии 557.7 нм в течение ночи от солнечной активности.

Рисунок 1 показывает рост интенсивности зеленой линии в максимуме и уменьшение на фазе спада активности Солнца. Коэффициенты корреляции с высокими доверительными вероятностями указывают на статистически значимую зависимость интенсивности эмиссии 557.7 нм от солнечной активности. Увеличение интенсивности эмиссии 557.7 нм при низкой солнечной активности в 2008 г. может быть связано с усилением влияния на ее возбуждение динамических процессов и средней и верхней атмосфере.

Рисунок 1. Изменение коэффициента вариации Cvинтенсивности эмиссии 557.7 нм на станции Маймага за февраль (а) и март (б) и индекс солнечной активности F10.7 за выбранные месяцы (в) в 23-м цикле солнечной активности (1997-2008 гг.).

На панелях (а) и (б) указаны стандартные ошибки среднего (±σ) и приведены коэффициенты корреляции R с доверительной вероятностью P.

  1. Выполнен анализ одновременных наблюдений полярных сияний и SAR-дуг на станциях Жиганск и Маймага. Показана связь возникновения (уярчения) SAR-дуг с динамикой области инжекции суббури по наблюдениям сияний (Рисунок 2).

Во время расширения суббури авроральная выпуклость расширяется от вечернего до полуночного сектора MLT к востоку. В это же время SAR-дуга уярчается (формируется) вблизи экваториальной границы диффузного сияния также в восточном направлении после полуночи MLT. Мы полагаем, что в этом событии SAR-дуга отображает динамику перекрытия потока энергичных ионов с плазмопаузой в результате расширения области инжекции суббури на восток.

Рисунок 2. Одновременные наблюдения сияния и SAR-дуги во время расширения суббури 15 февраля 2018. Обработанные изображения камер всего неба на станциях Жиганск (ZGN) панхроматическое и Маймага (MMG) в эмиссии 630.0 нм в геомагнитных координатах через ≈12 минут после начала расширения суббури. На южном горизонте изображения на ст. Жиганск усиление свечения обусловлено подсветкой от поселка.
  1. Разработан и реализован метод комбинированного подхода для дешифрации гарей лесных пожаров по мультиспектральным спутниковым снимкам, включающий на этапе валидации результатов экспертную оценку. С помощью предложенного подхода созданы карты лесных гарей на территории Восточной Сибири за 1984-2016 гг. по данным спутников NOAA (проект LTDR). Результаты хорошо согласуются с данными MODIS (продукт «гари» MCD64A1 C6, 2001-2016 гг.) и данными проекта GFED-4 (1995-2016 гг.), с коэффициентами корреляции ≈ 0,95, ≈ 0,87 и средними относительными ошибками 16,5% и 40,6%, соответственно. Произведён расчёт выбросов CO2 и аэрозольных частиц от лесных пожаров, который показал, что в наиболее пожароопасные сезоны (1985-1986, 2002, 2012, 2014, 2016 гг.) в среднем в атмосферу выбрасывалось ≈ 200 Тг CO2 и ≈ 1,5 Тг аэрозольных частиц PM10 (Рисунок 3). Последние наряду с PM2,5, в силу своей размерности, относятся к одним из наиболее опасных для человеческого здоровья взвешенных в воздухе частиц.
Рисунок 3. Межгодовые вариации выбросов аэрозольных частиц PM10
и углекислого газа от лесных пожаров в Восточной Сибири.
  1. По данным спутников NOAA (проект LTDR v.4, 1982-2017 гг.) построены ежегодные карты фенологических сроков начала (SOS) и окончания (EOS) сезона вегетации на территории Восточной Сибири. Фенологические сроки рассчитывались пороговым методом «NDVI 0,3» с предварительным построением сезонного хода вегетационного индекса NDVI с фильтрацией и сглаживанием по алгоритму BISE. Для участка на севере Якутии, где наблюдаются наиболее высокие темпы роста NDVI, приведены среднедекадные (1982-1991, 2008-2017) сезонные графики NDVI (Рисунок 4). Нетрудно заметить «климатические» сдвиги начала (на 15 дней раньше) и окончания (на 7 дней) сезона вегетации, а также изменения максимальных значений NDVI.
Рисунок 4. Сезонный ход NDVIBISE растительного покрова лесотундры на севере Якутии, усредненный за периоды: 1) 1982-1991 гг., 2) 2008-2017 гг.
  1. Проведен анализ среднечасовых измерений метана на ст. Барроу (1986-2018 гг.). Отмечены вариации концентрации СН4 с резкими значительными (на 4-5%) превышениями фоновых значений и длительностью от нескольких/десятков часов до нескольких суток. Чаще всего такие вариации регистрируются в летне-осенний период (июнь-ноябрь). Подобное поведение концентрации метана хорошо объясняется ветровой динамикой в июне-ноябре на ст. Барроу, расположенной на побережье Северного ледовитого океана. В случае ветра дующего с материка на станции регистрируется повышенная концентрация метана (баланс процессов истока-стока СН4 на суше смещен в сторону повышенного содержания метана), тогда как ветер с акватории северных морей (Чукотского и Бофорта) приносит воздушные массы с пониженным содержанием метана, обусловленным более интенсивными процессами стока метана в реакциях окисления на свободных радикалах. Зависимость концентрации CH4 от параметров ветра представлена на Рисунке 5. Красными маркерами показаны усредненные среднечасовые значения концентрации метана в течение вариаций (скачков), отобранных за период наблюдений, синими – соответствующие параметры ветра. Направлению ветра, дующего с материка (суши), соответствует сектор 90-270 град., остальные направления относятся к ветрам, дующим с акватории северных морей. Несложно заметить, что в секторе азимута «суша» концентрация метана значительно выше, чем в секторе «море».
Рисунок 5. Зависимость концентрации (n) СН4 от направления (j) и скорости ветра (V) на станции Барроу.

Сопоставлены наблюдательные данные температуры мезопаузы (≈ 87 км) со станции Маймага с результатами спутниковых измерений температуры атмосферы Aura (MLS) (Рисунок 6). По данным наземных наблюдений замечено, что в зимний период сезона наблюдений 2014-2015 гг. характеристика активности внутренних гравитационных волн (ВГВ) σgw имеет более низкие, а средненочная температура области мезопаузы более высокие значения, чем в другие сезоны наблюдений за период 2013-2018 гг. В этот же сезон наблюдений (2014-2015 гг.) согласно спутниковым данным, обнаружено отсутствие внезапных зимних стратосферных потеплений в районе стратосферы в зимний период (Рисунок 7).

Рисунок 6.Наблюдательные данные температуры мезопаузы на ст. Маймага в течение 2013-2018 гг.: а) сезонные вариации стандартных отклонений температуры, обусловленных ВГВ, б) средненочные вращательные температуры гидроксила OH (3,1)

Рисунок 7. Температурный профиль атмосферы над ст. Маймага в течение 2013-2018 гг., полученный с помощью Aura (MLS)

Установлено, что ежегодно дни со значениями АОТ (аэрозольная оптическая толщина), относящимися к III классу прозрачности атмосферы («грязная» атмосфера) за период 2004-2017 гг. находились в пределах 25-30% общего числа дней измерения АОТ. Выявлена зависимость максимальных значений АОТ (III класс) от очагов горения лесного массива (дымового аэрозоля) в пределах 40% (Рисунок 8). Предположительно, данная зависимость может быть выше 40%, что связано с наличием дымового аэрозоля от очагов горения лесного массива в соседних регионах при отсутствии лесопожарной активности в Якутии (Рисунок 9).

Рисунок 8. Межгодовой ход максимальных значений АОТ (III класс) и очагов горения лесного массива (данные спектрорадиометра MODIS с уровнем достоверности 80-100%) в Якутии за период 2004-2017 гг.
Рисунок 9. Карта лесных пожаров (MODIS/Terra, Aqua — точки красного цвета) за период 16-19 апреля 2009 г. Точками черного цвета с трехчасовым интервалом по времени отмечены траектории распространения воздушных масс смога (дымы от очага горения за 17 апреля) на высоте 0, 500 и 1000 м по данным модели HYSPLIT. Цветовая градация траекторий воздушных масс по высоте представлена во вкладке в правом нижнем углу рисунка.

По данным солнечного фотометра CIMEL CE-318 (аэрозольная оптическая толщина (АОТ) и параметра Ангстрема (А) – станции Якутск, АЭРОНЕТ) за период 2004-2017 гг. выявлены некоторые аномалии в спектральном распределении среднемесячных значений АОТ (Рисунок 10). Можно говорить о некой закономерности в начале – май, середине – июль-август и конце – сентябрь-октябрь пожароопасного сезона в Якутии, а также в начале (ноябрь) зимы. Предположительно, аномалии связаны с так называемым явлением «Арктической дымки», дымами от лесных пожаров и промышленными районами Красноярского и Забайкальского краев, Иркутской области и Китая.

Рисунок 10. Аномальное спектральное распределение АОТ в ноябре 2006 г. над центральной частью Якутии, когда АОТ (λ=340) < АОТ (λ=380).
  1. Исследовано проявление волновой активности по одновременным измерениям на двух оптических приборах за ночь 13.01.07 г.: камеры всего неба (станция Маймага) и стратосферного лидара (станция ШАЛ). В результате комплексного вейвлет анализа данных лидарных измерений вариаций температурного профиля, было обнаружено прохождение ВГВ с длиной волны ≈7,5 км с вертикальной скоростью ≈7-10 км/ч, сначала на высоте ≈22 км (18:11 LT) и через 2 часа на высоте 38км (20:00 LT) (Рисунок 11). По данным же камеры всего неба через излучающий слой гидроксила (ОН) было зарегистрировано прохождение ВГВ с длиной волны ≈25 км, горизонтальной скоростью ≈50 м/с, периодом ≈8 мин и азимутальным направлением ≈300 градусов, на высоте ≈78 км (23:58 – 00:10 LT), при этом толщина слоя ОН по данным спутника TIMED составила ≈7 км, что соответствует вертикальной скорости волны на уровне мезопаузы 30 км/ч.
Рисунок 11. Модуль комплексного вейвлет преобразования вариаций температурного профиля в 18:11 и 20:00 LT.

В 2019 году были продолжены инструментальные наблюдения для накопления данных на оптической станции Маймага: субаврорального свечения и сияний монохроматичными камерами всего неба, сканирующих, зенитных фотометрах; температурного режима высокоширотной мезопаузы на меридиональной цепочке инфракрасных спектрографов, расположенных в Тикси, Маймаге и Нерюнгри; температурного режима нижней термосферы на интерферометре Фабри-Перо; температурного режима и аэрозольной стратификации на стратосферном лидаре СЛ-1, и микрофизических и оптических характеристик атмосферного аэрозоля при помощи солнечных фотометров AERONET и SP-9 в разнесенных пунктах (город-фон). Также производилось прием спутниковых данных со спутников серии NOAA для мониторинга облачного покрова, лесных пожаров и паводковой обстановки.