Мониторинг озона и озоно-разрушающих газов
Руководитель: проф., дфмн, Юрий Михайлович Тимофеев
Основные задачи:
- Регулярные наземные измерения спектров солнечного излучения и собственного теплового излучения атмосферы.
- Регулярные наземные, дистанционные и локальные измерения содержания озона и озоноразрушающих газов.
- Сравнения и валидация наземных и спутниковых измерений газового состава атмосферы.
- Исследования пространственно-временных вариаций содержания озона и озоноразрушающих газов, в том числе их долговременных трендов.
- Разработка и совершенствование наземных и спутниковых дистанционных методов мониторинга озоносферы.
- Создание специализированного матобеспечения для дистанционного мониторинга озоносферы.
- Сравнение результатов мониторинга и численного моделирования газового состава атмосферы.
- Создание баз данных содержания озона и озоноразрушающих газов
Магнитосфера и влияние энергичных частиц на атмосферу
Руководитель: снс, кфмн, Ирина Александровна Миронова
Работа секции направлена на изучение влияния на озоновый слой космической погоды и процессов в магнитосфере Земли, связанных с высыпанием энергичных частиц солнечного, космического и магнитосферного происхождения.
Существенное влияние на поведение озонового слоя оказывают потоки энергичных частиц, в частности электронов магнитосферного происхождения. Эти частицы в нижней полярной термосфере производят окислы азота, которые способны проникать в стратосферу воздействуя на озоновый слой, термический режим и климат. Однако, в проведенных до сих пор исследованиях влияние энергичных частиц на озоновый слой и климат использовались эмпирические модели высыпания электронов, которые не учитывают всех механизмов, вовлеченных в этот процесс. Поэтому одной из основных задач секции является задача связанная с разработкой новой модели атмосфера-ионосфера-магнитосфера, на основе слияния моделей Gamera и EAGLE.
Для моделирования краткосрочных изменений озона связанных с космической̆ погодой необходимо корректное описание скоростей ионизации атмосферы во время магнитосферных бурь и солнечных взрывных событий разной мощности. Для расчетов скоростей ионизации атмосферы требуется информация о потоках высыпающихся энергичных частиц, которые не в полной мере покрываются наземными наблюдениями и измерениями на спутниках. Для корректного описания высыпаний электронов магнитосферного происхождения в рамках работы секции планируется разработка эмпирической параметризации высыпаний энергичных электронов на разных временных масштабах.
Разработанные модели и параметризации планируется использовать для изучения отклика озонового слоя, озоноразрушающих газов в средней и верхней атмосфере на высыпания энергичных частиц во время суббурь и геомагнитных бурь, солнечных эруптивных событий и других явлений космической погоды. Верификация полученных результатов будет проводиться с использованием спутниковых и наземных наблюдений.
Кратко, основные задачи секции:
- Разработка новой модели атмосфера-ионосфера-магнитосфера;
- Развитие эмпирической параметризации высыпаний энергичных электронов на разных временных масштабах;
- Изучение воздействия высыпаний энергичных частиц солнечного, магнитосферного и космического происхождения на озон и озоноразрушающие компоненты верхней и средней атмосферы.
Волновая динамика средней и верхней атмосферы
Руководитель: проф., дфмн, Николай Михайлович Гаврилов
Группа занимается изучением процессов генерации волн в нижних слоях атмосферы, их распространением до больших высот и различными воздействиями, которые волны оказывают на циркуляцию, тепловой режим и состав средней и верхней атмосферы.Схема различных волновых механизмов, через которые динамические процессы в нижней атмосфере могут влиять на озоносферу, ионосферу и термосферу
Основные изучаемые типы атмосферных волн – мелкомасштабные акустические волны (АВ), мезомасштабные внутренние гравитационные волны (ВГВ), а также волны глобальных масштабов - атмосферные приливы и планетарные волны (ПВ).
В тропосфере мезомасштабные волны генерируются при взаимодействиях ветров с горами (орографические волны), атмосферными струйными течениями и фронтами, грозами и конвективными облаками, атмосферной конвекцией и сдвиговыми течениями, волнами на поверхности моря, тайфунами, взрывами на земной поверхности, извержениями вулканов, землетрясениями, цунами, объектами, движущимися в атмосфере, лесными пожарами и др.
На распространение и диссипацию атмосферных волн влияют горизонтальные и вертикальные профили среднего ветра и температуры, турбулентная и молекулярная вязкость и теплопроводность, гидродинамическая устойчивость атмосферы, нелинейные взаимодействия между различными волновыми модами. Диссипирующие волны оказывают многообразные воздействия в средней и верхней атмосфере: создают волновые ускорения средней циркуляции, волновые притоки тепла, разрушаются и создают турбулизованные области, влияют на скорость фотохимических реакций и на состав атмосферы, создают перемещающиеся неоднородности концентрации ионов, интенсивности ночных свечений и других атмосферных характеристик.
Используемые методы исследования волновых движений включают:
- Анализ систематических наблюдений на сетях некогерентных, метеорных и среднечастотных радаров, сетях наблюдений дрейфа ионосферных неоднородностей и ионозондов, сетях оптических наблюдений ночных эмиссий верхней атмосферы, а также анализ данных ракетных и спутниковых наблюдений, включая спутники, принимающие сигналы глобальной навигационной сети.
- Численное моделирование распространения акустико-гравитационных волн с использованием уникальной трехмерной модели нелинейных акустико-гравитационных волн AtmoSym, а также моделирование глобальных приливных и планетарных волн с использованием численной Модели Средней и Верхней Атмосферы (МСВА). Пример - Моделирование процесса установления плоских ВГВ после включения наземного источника
- Разработкa упрощенных экономичных алгоритмов и программ для параметризации динамических и тепловых воздействий орографических волн и ВГВ в численных моделях общей циркуляции, теплового режима и состава средней и верхней атмосферы.
Моделирование озонового слоя и климата
Руководитель: проф., дфмн, Сергей Павлович Смышляев
Целью группы является исследование влияния природных и антропогенных, физических и химических факторов на наблюдаемую и будущую изменчивость содержания озона на разных высотах и в разных широтных зонах, выделение преобладающей роли отдельных факторов в отдельные временные периоды, оценка взаимосвязи процессов в разных высотных интервалах, влияющих на изменение интегрального содержания озона, изучение роли обратных связей между физическими и химическими процессами в атмосфере в наблюдаемой изменчивости содержания атмосферного озона и оценка уровня приземной УФ радиации, связанной с изменениями озонового слоя и состояния атмосферы.
На основании данных наземных и спутниковых измерений, реанализа и численного моделирования исследуются особенности изменчивости содержания стратосферного озона в течение 1980-2020 годов. Наземные измерения включают данные Всемирного центра озона и ультрафиолетовой радиации (World Ozone and Ultraviolet Radiation Data Centre), спутниковые данные включают результаты измерений приборами TOMS, OMI и SBUV, а данные ре-анализа представляют MERRA-2 и ERA-5.
Численное моделирование изменчивости содержания озона и влияющих на него газов осуществляется с использованием химико-климатических моделей SOCOL и ИВМ РАН - РГГМУ. Для исследования влияния природных и антропогенных факторов на наблюдаемую изменчивость содержания озона задавалась изменчивость спектральных потоков солнечной активности (данные CMIP-6), температуры поверхности океана и площади его покрытия льдом (данные MetOffice), выбросов с поверхности озоно-разрушающих (WMO 2018) и парниковых газов (IPCC) и содержания стратосферного аэрозоля (результаты спутниковых измерений). Для расчета будущей изменчивости озонового слоя используются сценарии изменения выбросов озоно-разрушающих и парниковых газов, проекции будущего изменения температуры поверхности океана и площади его покрытия льдом, а также потоков солнечной радиации и содержания стратосферного аэрозоля.
Анализ межгодовой изменчивости содержания озона и влияющих на него факторов осуществляется как в целом для Земного шара и внеполярных широт, так и по отдельности для тропиков, средних широт Северного и Южного полушарий, Антарктики и Арктики. Анализируются рассчитанные линейные тренды и их значимость как для всего периода 1980-2020 гг., так и по отдельности для конца ХХ века (1980-2000), начала ХХI века (2001-2020) для нижней и верхней стратосферы. Будущая изменчивость содержания атмосферного озона оценивается для периодов с 2021 по 2050 и с 2050 по 2100 годы.
Верхняя атмосфера
Руководитель: снс, кфмн, Максим Владимирович Клименко
Основным направлением деятельности секции верхней атмосферы (СВА) является исследование крупномасштабных процессов в верхней атмосфере, включая ионосферу, методами математического моделирования. В своих исследованиях сотрудники СВА используют Глобальную Самосогласованную Модель Термосферы, Ионосферы, Протоносферы (ГСМ ТИП). Основной целью такого моделирования является интерпретация наблюдаемых вариаций и возмущений ионосферных параметров, как в спокойных условиях, так и во время различных явлений космической погоды (геомагнитные бури, солнечные вспышки, солнечные затмения).
Еще одним рабочим инструментом ученых СВА является модель всей атмосферы EAGLE, созданная нашими сотрудниками путем объединения ГСМ ТИП и модели HAMMONIA (Hamburg Model of the Neutral and Ionized Atmosphere). Использование модели EAGLE значительно расширяет круг рассматриваемых задач, позволяя исследовать отклик ионосферы на внезапные стратосферные потепления, солнечные протонные события, и т.д. Важным направлением работы сотрудников СВА совместно с сотрудниками секции “Магнитосфера и влияние энергичных частиц на атмосферу” является объединение моделей ГСМ ТИП (EAGLE) и модели магнитосферы GAMERA для исследования магнитосферно-ионосферных связей.
Наряду с использованием крупномасштабных процессов, сотрудники СВА имеют возможность проводить численные эксперименты с моделью высокого разрешения AtmoSym, которая воспроизводит особенности распространения инфразвуковых и внутренних гравитационных волн от поверхности Земли до высот термосферы. К тому же на основе вариационного метода имеется возможность рассчитывать океанические волны цунами. Анализ модельных экспериментов позволит построить и обосновать новые параметризации вклада мелкомасштабных волн в крупномасштабных моделях атмосферы.
Дополнительной деятельностью сотрудников секции является сбор, обработка и анализ (в том числе статистический) данных наблюдений параметров верхней и средней атмосферы, а также индексов солнечной и геомагнитной активности.