Основные направления исследований

Проведение фундаментальных и прикладных научных исследований по важнейшим проблемам в области физики атмосферы, экологии, изменения климата, взаимодействия внутренних и внешних геосфер, геодинамики, сейсмологии.

Задачи исследования

• Мониторинг оптических и микрофизических характеристик тропосферного аэрозоля с использованием многоканального лидарного комплекса и солнечного фотометра CIMEL СЕ-318 (AERONET), установленных на полевой экспериментальной базе (ПЭБ).
• Исследование процессов переноса атмосферного аэрозоля на основе использования данных моделирования, наземного и спутникового дистанционного зондирования.
• Исследования динамических процессов, протекающих в различных слоях атмосферы и ионосферы, с целью выявления закономерности проявления атмосферных эффектов, предшествующих сильным землетрясениям.

Для выполнения этих задач осуществляется

• Проведение регулярных зондирований атмосферы наземными многоволновыми дистанционными методами: лидарным и фотометрическим;
• Внедрение новых технических средств, методов измерений и наблюдений в области дистанционного зондирования окружающей среды и прямых измерений характеристик атмосферного аэрозоля;
• Применение технологии спутникового мониторинга для получения информации о состоянии атмосферы и ионосферы;
• Развитие методов обработки данных наземного и спутникового дистанционного зондирования и разработка необходимого программного обеспечения;
• Анализ данных мониторинга, направленный на изучение закономерностей проявления аномальных изменений геофизических полей.
• Международное научное сотрудничество.

Оборудование

Комплекс оборудования, применяемый в исследованиях, включает как средства дистанционного определения оптических характеристик атмосферного аэрозоля, так и приборы, обеспечивающие прямые измерения характеристик взвешенных в воздухе частиц:

• Уникальный модернизированным лидарный комплекс, который позволяет выполнять зондирование атмосферы в многоволновом режиме с одновременной регистрацией интенсивности сигналов упругого обратного рассеяния на трех длинах волн лазера (355, 532 и 1064 нм) и комбинационного обратного рассеяния атмосферным азотом (387 нм), а также измерение двух перпендикулярных поляризационных составляющих обратно рассеянного сигнала на длине волны 532 нм. Позволяет восстанавливать распределение оптических характеристик аэрозоля и температуры в интервале высот от 0.8 до 50 км.
• Солнечный фотометр CIMEL СЕ-318N-EBM9 (CIMEL ELECTRONIQUE) входит в Глобальную автоматизированную сеть наземного мониторинга атмосферы AERONET (AErosol RObotic NETwork), предоставляя наиболее точные значения оптической толщи атмосферы (AOD). Спектральные измерения производятся с использованием 8 интерференционных фильтров: 340, 380, 440, 500, 670, 870, 940 и 1020 нм. Измерения в солнечном альмукантарате каналами: 440, 670, 870 и 1020 нм.
• Солнечный фотометр (340, 380, 500, 675 и 870 нм) и озонометр (305, 312, 320, 936 и 1020 нм) MICROTOPS II (SOLAR Light Co. Inc.).
• Гравиметрические пробоотборники TEOM 1400A/FDMS-8500 (Thermo Scientific), обеспечивающие с высокой точностью в непрерывном автоматическом режиме контроль массовой концентрации взвешенных в воздухе частиц PM2.5 с одночасовым усреднением.
• Измерительные системы URG-3000ABC (URG Corporation) для прямого отбора 24-часовых интегрированных проб взвешенных в воздухе частиц тонкодисперсной (PM2.5) и крупной фракции (PM10) с использованием сменных фильтров.
• Автоматическая метеостанция MeteoClima компании точного приборостроения K. Fisher производит измерение атмосферного давления; температуры и относительной влажности воздуха; скорости и направления ветра; суммарной солнечной радиации.
• Геодезический GNSS приемник для регистрации сигналов спутниковых навигационных систем – ГЛОНАСС, NAVSTAR GPS, Galileo, BeiDou. Предоставляет возможность определения параметров ионосферы, в частности, ее полного электронного содержания.

Основные результаты

Основные результаты научной и экспериментальной деятельности ВГО ФАП КРСУ представлены более чем в 50 научных трудах и 20-ти докладах на Российских и международных конференциях, а также в Отчетах по международным научно-техническим проектам (МНТЦ):

1. Дистанционное измерение параметров атмосферного аэрозоля многоволновым/Раманановским/поляризационным лидаром и солнечным фотометром обеспечило получение регулярных вертикально разрешенных и спектрально разрешенных данных, которые позволили определить высотное положение аэрозольных слоев и, с привлечением модельных данных (NAAPS, HYSPLIT, STEM), идентифицировать тип аэрозольных частиц, их источники эмиссии и оценить степень радиационного воздействия на состояние атмосферы в регионе.

Высотно-временные изменения коэффициента обратного аэрозольного рассеяния
(a) и показателя Ангстрема (b) по данным лидарного зондирования

2. Как показали исследования, полученные данные отражают изменения эмиссии пыли, продуктов сгорания биомассы и антропогенного аэрозоля из источников Ближневосточного направления, в Европе, России, бассейне Аральского моря, пустынях северо-западного Китая в зависимости от периода времени.
3. Подавляющая часть атмосферного аэрозоля в регионе поставляется природными источниками, что обусловлено географическим расположением относительно т.н. «пояса пыли», который простирается от западного побережья Северной Африки, охватывая Сахару, пустыни Аравийского полуострова, Ирана и северного Пакистана, бассейн Аральского моря, и до пустынь Такла-Макан и Гоби.
4. События, идентифицированные как выносы Азиатской пыли из пустынь в северо-западном Китае, превалируют над всеми другими регионами эмиссии и в пограничном слое, и в свободной тропосфере. Перенос пыли и антропогенного аэрозоля из источников Ближневосточного направления осуществляется преимущественно в средней и верхней тропосфере и не оказывает непосредственного влияния на уровни приземной массовой концентрации взвешенных в воздухе частиц (PM).

Сезонные вариации основных компонентов PM2.5 в Центральной Азии

5. Результаты анализа проб РМ во время аномальных событий показали, что в исследуемом регионе углеродсодержащие компоненты (ОС и EC) вносят значительный вклад в массовую концентрацию частиц с аэродинамическим диаметром менее 2.5 mm (PM2.5). Установлены источники органического углерода (ОС), элементарного углерода (ЕС) и водорастворимого органического углерода (WSOC) в условиях регионального и трансконтинентального переноса частиц атмосферного аэрозоля.

Смоделированный состав PM2.5 на площадке ПЭБ (LST) по видам (a) (mg m^-3) и по
регионам источникам (b) мелкодисперсной пыли (mg m^-3)

6.    Получены эмпирические отношения между аэрозольной оптической толщей AOD и массовой концентрацией PM2.5, которые позволяют производить оценку приземных значений PM2.5, основанных на данных оптических измерений.
7.    Предложен новый подход к анализу пространственно-временных вариаций температуры в верхней тропосфере / нижней стратосфере (UTLS). Применение разработанного алгоритма позволило установить, что аномалии сейсмогенного происхождения, характеризующиеся высокими значениями параметра аномальности dT_C (≥2,0), , проявлялись в виде хорошо выраженных мезомасштабных (300 - 800 км), относительно долгоживущих (от 18 до 36 часов) возмущенных областей, локализованных вблизи эпицентров. Максимумы dT_C  наблюдались в пределах нескольких сотен километров от эпицентров и за 1 - 5 суток до сильных землетрясений.

Динамика изменения параметров dT и dT_C (а, б, д, е) и последовательности магнитуд и числа землетрясений (N) (в, г, ж, з) в сейсмоактивные периоды в Китае (2008 г.), Иране, Пакистане (2013 г.) и Непале (2015 г.)

Пространственное распределение возмущений температуры, выраженных значениями интегрального параметра аномальных вариаций DCORR, в периоды подготовки землетрясений с магнитудами M³ 5.0 , произошедших на территории и вблизи границ КР

Международные проекты

Выполнены следующие международные проекты по линии МНТЦ (The International Science and Technology Center):

• #KR-310 «Лидарный мониторинг аэрозоля и температуры в средней атмосфере Центральной Азии» выполнялся совместно с Институтом экспериментальной метеорологии НПО Тайфун (Россия).
• #B-1063 «Мониторинг атмосферного аэрозоля и озона в регионах СНГ посредством лидарных станций». Реализовывался в сотрудничестве с коллективами Белоруссии (Институт Физики НАН) и России (Институт Оптики Атмосферы, Институт Прикладной Геофизики РАН).
• #3715 «Трансконтинентальный перенос воздушных загрязнений из Центральной Азии». В качестве партнера и организации, финансирующей проект, выступало Агентство по охране окружающей среды США (US EPA), а исполнителями являлись ученые из США, России и Кыргызстана.
• #KR-1522 «Лидарные исследования атмосферного коричневого облака в Центральной Азии» выполнялся совместно с Институтом динамики геосфер РАН.
• #KR-2105 «Климатические эффекты микромасштабных аэрозолей Центральной Азии».

Публикации в системах цитирования Web of Science и Scopus (2020-2022)

1. Брагин В.Д., Свердлик Л.Г. Оценки взаимосвязи динамики геофизических параметров с напряженно-деформированным состоянием исследуемых объектов геосреды // Геодинамика и тектонофизика. 2020. Т. 11. № 2. С. 352–364. DOI:10.5800/GT-2020-11-2-0479
2. Kashkin V., Sverdlik L., Odintsov R., Rubleva Т., Simonov K., Romanov A., Imashev S. Features of atmospheric disturbances in temperate latitudes before strong earthquakes (M> 7) according to satellite measurements // E3S Web of Conferences. 2020. 149. 03011. RPERS 2019. https://doi.org/10.1051/e3sconf /202014903011
3. Sverdlik L. Variations of atmospheric aerosol parameters in periods of seismic activity in Tien-Shan // E3S Web of Conferences. 2020. 149. 03007. RPERS 2019. https://doi.org/10.1051/e3sconf /202014903007
4. Sverdlik L., Imashev S. Spatial-temporal distribution of atmospheric temperature anomalies connected with seismic activity in Tien-Shan // MAUSAM. 2020. 71. 3. P. 481-490. https://metnet.imd.gov.in/mausamdocs/171310_F.pdf.
5. Свердлик Л.Г., Имашев С.А. Пространственно-временное распределение возмущений в атмосфере перед сильными землетрясениями в Тянь-Шане // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2020. Т. 17. № 5. С. 114–122. DOI: 10.21046/2070-7401-2020-17-5-114-122.
6. Sverdlik L., Imashev S. Atmospheric temperature coherent variations effects, preceding strong earthquakes // E3S Web of Conferences. 2020. 223. 03015. RPERS 2020.  https://doi.org/10.1051/e3sconf/202022303015.
7. Sverdlik L., Lazareva E. Analysis of Long-Term Gravitational and Seismic Measurements in the Pamir - Tien-Shan Region // E3S Web of Conferences. 2020. 223. 03014. RPERS 2020. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202022303014
8. Свердлик Л.Г. Идентификация предсейсмических возмущений в атмосфере с использованием модифицированного критерия STA/LTA // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2021. Т. 18. № 3. С. 141–149. DOI: 10.21046/2070-7401-2021-18-3-141-149.
9. Sverdlik L. Anomalous temperature changes in the UTLS region prior to the 2008 Nura Earthquake // E3S Web of Conferences 333, 02013 (2021). RPERS 2021. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202133302013
10. Sverdlik L., Imashev S. Study of coherence of temperature variations in the tropopause associated with earthquakes // E3S Web of Conferences 333, 02014 (2021). RPERS 2021. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202133302014
11. Свердлик Л.Г. Атмосферные эффекты крупнейших землетрясений Альпийско-Гималайского сейсмического пояса // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 2. С. 81–90. DOI: 10.21046/2070-7401-2022-19-2-81-90
12. Имашев С.А., Свердлик Л.Г. Атмосферные и ионосферные аномалии, предшествующие сильному экваториальному землетрясению на Суматре // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 4. С. 318-327. DOI: 10.21046/2070-7401-2022-19-4-318-327