| |
|
|
|
| |
| №5, 2025: Раздел 1. Экология |
<< Содержание номера
<< Архив
[RUS] / [ENG]Раздел 1. Экология
Е.В.Старостин, П.Г. Мордовской, Р.Е. Петров, М.Р. Григорьев, А.А. Неустроев, Т.Х. Максимов. Влияние черного углерода на таяние снежного покрова в Центральной Якутии
Стр.14-19
DOI:10.24412/1728-323X-2025-5-14-19
Открытый доступ к полному тексту статьи https://www.doi.org/10.24412/1728-323X-2025-5-14-19
УДК 504.054:551.513.22:556.124.3
Влияние черного углерода на таяние снежного покрова в Центральной Якутии
Е.В.Старостин, младший научный сотрудник, lokofill91@gmail.com
Федеральный исследовательский центр "Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук", Якутск, Россия
Институт биологических проблем криолитозоны Сибирского отделения Российской академии наук, Якутск, Россия
П.Г. Мордовской, ведущий научный сотрудник, доктор технических наук, mordovskoipg@yandex.ru
Федеральный исследовательский центр "Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук", Якутск, Россия
Р.Е. Петров, старший научный сотрудник, кандидат биологических наук, pre2003@mail.ru
Федеральный исследовательский центр "Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук", Якутск, Россия
Институт биологических проблем криолитозоны Сибирского отделения Российской академии наук, Якутск, Россия
М.Р. Григорьев, младший научный сотрудник, eidosmarat@mail.ru
Федеральный исследовательский центр "Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук", Якутск, Россия
Институт биологических проблем криолитозоны Сибирского отделения Российской академии наук, Якутск, Россия
А.А. Неустроев, инженер-исследователь, arian.neustroev@mail.ru
Федеральный исследовательский центр "Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук", Якутск, Россия
Институт биологических проблем криолитозоны Сибирского отделения Российской академии наук, Якутск, Россия
Т.Х. Максимов, главный научный сотрудник, доктор биологических наук, tcmax@mail.ru
Федеральный исследовательский центр "Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук", Якутск, Россия
Институт биологических проблем криолитозоны Сибирского отделения Российской академии наук, Якутск, Россия
Аннотация
В статье впервые представлены результаты исследования влияния черного углерода (ЧУ) на таяние снежного покрова в Центральной Якутии за период 2018-2024 гг. ЧУ, образующийся при неполном сгорании биомассы и ископаемого топлива, осаждаясь на снег, снижает его альбедо и усиливает поглощение солнечной радиации, что ускоряет таяние и сублимацию. Научные наблюдения проводились на лесной научной станции «Спасская Падь» (62°14′ с.ш., 129°37′ в.д.) с использованием данных мониторинга концентрации ЧУ в приземном слое воздуха (COSMOS BCM-3130), измерений глубины снежного покрова (ультразвуковой датчик SR-50A), а также реанализа MERRA-2. Установлено, что среднезимняя концентрация ЧУ в атмосфере (0,04–0,18 мкг/м³) достоверно коррелирует со снижением альбедо снежного покрова (R² = 0,796): рост концентрации на 0,1 мкг/м³ приводит к уменьшению альбедо на 3,2%. Показано, что накопление ЧУ в снежном покрове (2500–3500 мкг/м²) оказывает значительное влияние на динамику таяния: увеличение загрязнения на 100 мкг/м² ускоряет таяние на 0,09 мм/ч и сокращает продолжительность снежного сезона на 4,75 суток. При росте загрязнения на 1000 мкг/м² интенсивность таяния возрастает почти на 1 мм/ч, а сезон сокращается примерно на 15 дней. Полученные данные согласуются с мировыми исследованиями и подтверждают, что ЧУ является важным фактором ускоренного снеготаяния в бореальных регионах, включая вклад как локальных источников, так и трансграничного переноса.
Abstract
This paper presents the first results on the impact of black carbon (BC) on snowmelt in Central Yakutia during 2018–2024. The BC produced by incomplete combustion of biomass and fossil fuels lays onto snow, reduces its albedo, and enhances solar radiation absorption, thereby accelerating melting and sublimation. Observations were conducted at the Spasskaya Pad’ Forest Research Station (62°14′ N, 129°37′ E) using the BC concentration monitoring in the near-surface air (COSMOS BCM-3130), snow depth measurements (ultrasonic sensor SR-50A), and MERRA-2 reanalysis data. The average winter atmospheric BC concentrations (0.04-0.18 µg/m³) showed a strong correlation with reduced snow albedo (R² = 0.796): a 0.1 µg/m³ increase in the BC concentration led to a 3.2% decrease in albedo. The BC accumulation in the snowpack (2500–3500 µg/m²) significantly affected melt dynamics: a 100 µg/m² increase in BC loading accelerated melt by 0.09 mm/h and shortened the snow season by 4.75 days. A 1000 µg/m² increase in deposition raised melt rates by nearly 1 mm/h and reduced snow cover duration by approximately 15 days. These findings align with global studies and confirm that the BC is a key contributor to accelerated snowmelt in the boreal regions, with inputs from both local emissions and long-range atmospheric transport.
Ключевые слова: черный углерод, мониторинг, снег, снежный покров, альбедо
Keywords: black carbon (BC), monitoring, snow, snowpack, albedo
Работа выполнена в рамках госзадания Минобрнауки России № FWRS-2024-0083.
Impact of Black Carbon on Snowmelt in Central Yakutia
E.V. Starostin¹, ², Junior Researcher, lokofill91@gmail.com
P.G. Mordovskoi¹, Ph.D. (Engineering), Senior Researcher, mordovskoipg@yandex.ru
R.E. Petrov¹, ², Ph.D. (Biology), Senior Researcher, pre2003@mail.ru
M.R. Grigoryev¹, ², Junior Researcher, eidosmarat@mail.ru
A.A. Neustroyev¹, Research Engineer, arian.neustroev@mail.ru
T.C. Maksimov¹, ², Ph.D. (Biology), Dr. Habil., Leading Researcher, tcmax@mail.ru
¹ Federal Research Center “Yakut Scientific Centre, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences”, Yakutsk, Russia
² Institute for Biological Problems of the Cryolithozone, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, Yakutsk, Russia
Библиографический список
1. Bond T.C., Doherty S.J., Fahey D.W., Forster P.M., Berntsen T., DeAngelo B.J., Flanner M.G., Ghan S., Kärcher B., Koch D., Kinne S., Kondo Y., Quinn P.K., Sarofim M.C., Schultz M.G., Schulz M., Venkataraman C., Zhang H., Zhang S., Bellouin N., Guttikunda S.K., Hopke P.K., Jacobson M.Z., Kaiser J.W., Klimont Z., Lohmann U., Schwarz J.P., Shindell D., Storelvmo T., Warren S.G., Zender C.S. Bounding the role of black carbon in the climate system: A scientific assessment. J. Geophys. Res. Atmos., 2013. Vol. 118, No. 11. P. 5380–5552.
2. Flanner M.G., Zender C.S., Randerson J.T., Rasch P.J. Present-day climate forcing and response from black carbon in snow. J. Geophys. Res., 2007. Vol. 112. P. D11202.
3. Winiger P., Andersson A., Eckhardt S., Stohl A., Semiletov I.P., Dudarev O.V., Charkin A., Shakhova N., Klimont Z., Heyes C., Gustafsson Ö. Siberian Arctic black carbon sources constrained by model and observation. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2017. Vol. 114, No. 7. P. E1054–E1061.
4. Popovicheva O., Diapouli E., Makshtas A., Shonija N., Manousakas M., Saraga D. et al. East Siberian Arctic background and black carbon polluted aerosols at HMO Tiksi. Sci. Total Environ., 2019. Vol. 655. P. 924–938.
5. Winiger P., Andersson A., Eckhardt S., Stohl A., Semiletov I.P., Dudarev O.V. et al. Siberian arctic black carbon sources constrained by model and observation. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2017. Vol. 114, No. 7. P. E1054–E1061.
6. Журавлёва Т.Б., Артюшина А.В., Виноградова А.А., Воронина Ю.В. Черный углерод в приземной атмосфере вдали от источников эмиссий: сравнение результатов измерений и реанализа MERRA-2 // Оптика атмосферы и океана. 2020. Т. 33, № 4. С. 250–260.
7. Мордовской П.Г., Неустроев А.А., Старостин Е.В., Максимов Т.Х. Массовые концентрации черного углерода в воздухе на лесной научной станции «Спасская падь» (г. Якутск) в 2018–2023 гг. Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2025620088.
8. Warren S.G., Wiscombe W.J. A model for the spectral albedo of snow. II. Snow containing atmospheric aerosols. J. Atmos. Sci., 1980. Vol. 37, No. 12. P. 2734–2745.
9. Grenfell T.C., Light B., Sturm M. Spatial distribution and radiative effects of soot in the snow and sea ice during the SHEBA experiment. J. Geophys. Res. Atmos., 2002. Vol. 107, No. D8. P. 8032.
10. Hansen J., Nazarenko L. Soot climate forcing via snow and ice albedos. Proc. Natl. Acad. Sci., 2004. Vol. 101, No. 2. P. 423–428.
11. Shi T., Pu W., Zhou Y., Cui J., Zhang D., Wang X. Albedo of black carbon-contaminated snow across northwestern China and the validation with model simulation. J. Geophys. Res. Atmos., 2020. Vol. 125, No. 9. P. e2019JD032065.
12. Zhang Y., Kang S., Cong Z., Schmale J., Sprenger M., Li C. et al. Black carbon and mineral dust in snow cover on the Tibetan Plateau: Radiative forcing and climatic implications. Atmos. Chem. Phys., 2022. Vol. 22, No. 4. P. 2755–2771.
13. Zhuang B., Doherty S.J., Hegg D.A., Fu Q., Huang J., Simpson W.R. et al. Seasonal and spatial variations of black carbon and its impact on snow albedo across the Arctic. The Cryosphere, 2023. Vol. 17, No. 3. P. 1143–1162.
14. Eckhardt S., Quennehen B., Olivie D.J.L., Berntsen T.K., Cherian R., Christensen J.H. et al. Extreme air pollution from boreal fires increases radiative forcing over the Arctic. Nat. Commun., 2023. Vol. 14. P. 1865.
15. Painter T.H., Kubel M., Kräuchi A. Accelerated snow melt in the European Alps driven by black carbon deposition. The Cryosphere, 2021. Vol. 15, No. 5. P. 2397–2410.
16. Schill G.P., Froyd K.D., Bian H. Widespread biomass burning smoke throughout the remote troposphere. Nat. Geosci., 2020. Vol. 13. P. 422–427.
17. Miyakawa T., Mordovskoi P., Kanaya Y. Evaluation of Black Carbon Mass Concentrations Using a Miniaturized Aethalometer: Intercomparison with a Continuous Soot Monitoring System (COSMOS) and a Single-Particle Soot Photometer (SP2). Aerosol Sci. Technol., 2020. Vol. 54. P. 1–24.
18. Global Modeling and Assimilation Office. MERRA-2 tavg1_2d_adg_Nx: 2d, 1-Hourly, Time-averaged, Single-Level, Assimilation, Aerosol Diagnostics. V5.12.4. 2015.
19. Global Modeling and Assimilation Office. MERRA-2 tavg1_2d_rad_Nx: 2d, 1-Hourly, Time-Averaged, Single-Level, Assimilation, Radiation Diagnostics. V5.12.4. 2015.
References
1. Bond T.C., Doherty S.J., Fahey D.W., Forster P.M., Berntsen T., DeAngelo B.J., Flanner M.G., Ghan S., Kärcher B., Koch D., Kinne S., Kondo Y., Quinn P.K., Sarofim M.C., Schultz M.G., Schulz M., Venkataraman C., Zhang H., Zhang S., Bellouin N., Guttikunda S.K., Hopke P.K., Jacobson M.Z., Kaiser J.W., Klimont Z., Lohmann U., Schwarz J.P., Shindell D., Storelvmo T., Warren S.G., Zender C.S. Bounding the role of black carbon in the climate system: A scientific assessment. J. Geophys. Res. Atmos. 2013. Vol. 118, No. 11. P. 5380–5552.
2. Flanner M.G., Zender C.S., Randerson J.T., Rasch P.J. Present-day climate forcing and response from black carbon in snow. J. Geophys. Res. 2007. Vol. 112. P. D11202.
3. Winiger P., Andersson A., Eckhardt S., Stohl A., Semiletov I.P., Dudarev O.V., Charkin A., Shakhova N., Klimont Z., Heyes C., Gustafsson Ö. Siberian Arctic black carbon sources constrained by model and observation. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2017. Vol. 114, No. 7. P. E1054–E1061.
4. Popovicheva O., Diapouli E., Makshtas A., Shonija N., Manousakas M., Saraga D. et al. East Siberian Arctic background and black carbon polluted aerosols at HMO Tiksi. Sci. Total Environ. 2019. Vol. 655. P. 924–938.
5. Winiger P., Andersson A., Eckhardt S., Stohl A., Semiletov I.P., Dudarev O.V. et al. Siberian Arctic black carbon sources constrained by model and observation. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2017. Vol. 114. No. 7. P. E1054–E1061.
6. Zhuravleva T.B., Artiushina A.V., Vinogradova A.A., Voronina Iu.V. Chernyi uglerod v prizemnoi atmosfere vdaли ot istochnikov emissii: sravnenie rezul’tatov izmerenii i reanaliza MERRA-2 [Black carbon in the near-surface atmosphere far from emission sources: comparison of measurement results and MERRA-2 reanalysis]. Optika atmosfery i okeana [Atmospheric and Oceanic Optics], 2020, Vol. 33. No. 4, P. 250–260. [in Russian]
7. Mordovskoi P.G., Neustroev A.A., Starostin E.V., Maksimov T.Kh. Massovye kontsentratsii chernogo ugleroda v vozdukhe na lesnoi nauchnoi stantsii «Spasskaya pad’» (g. Yakutsk) v 2018–2023 gg. [Mass concentrations of black carbon in the air at the Spasskaya Pad’ Forest Research Station (Yakutsk) in 2018–2023]. Svidetel’stvo o gosudarstvennoi registratsii bazy dannykh № 2025620088 [Certificate of State Registration of Database No. 2025620088]. [in Russian]
8. Warren S.G., Wiscombe W.J. A model for the spectral albedo of snow. II. Snow containing atmospheric aerosols. J. Atmos. Sci. 1980. Vol. 37, No. 12. P. 2734–2745.
9. Grenfell T.C., Light B., Sturm M. Spatial distribution and radiative effects of soot in the snow and sea ice during the SHEBA experiment. J. Geophys. Res. Atmos. 2002. Vol. 107, No. D8. P. 8032.
10. Hansen J., Nazarenko L. Soot climate forcing via snow and ice albedos. Proc. Natl. Acad. Sci. 2004. Vol. 101, No. 2. P. 423–428.
11. Shi T., Pu W., Zhou Y., Cui J., Zhang D., Wang X. Albedo of black carbon-contaminated snow across northwestern China and the validation with model simulation. J. Geophys. Res. Atmos. 2020. Vol. 125, No. 9. P. e2019JD032065.
12. Zhang Y., Kang S., Cong Z., Schmale J., Sprenger M., Li C. et al. Black carbon and mineral dust in snow cover on the Tibetan Plateau: Radiative forcing and climatic implications. Atmos. Chem. Phys. 2022. Vol. 22, No. 4. P. 2755–2771.
13. Zhuang B., Doherty S.J., Hegg D.A., Fu Q., Huang J., Simpson W.R. et al. Seasonal and spatial variations of black carbon and its impact on snow albedo across the Arctic. The Cryosphere, 2023. Vol. 17, No. 3. P. 1143–1162.
14. Eckhardt S., Quennehen B., Olivie D.J.L., Berntsen T.K., Cherian R., Christensen J.H. et al. Extreme air pollution from boreal fires increases radiative forcing over the Arctic. Nat. Commun. 2023. Vol. 14. P. 1865.
15. Painter T.H., Kubel M., Kräuchi A. Accelerated snow melt in the European Alps driven by black carbon deposition. The Cryosphere, 2021. Vol. 15. No. 5. P. 2397–2410.
16. Schill G.P., Froyd K.D., Bian H. Widespread biomass burning smoke throughout the remote troposphere. Nat. Geosci. 2020. Vol. 13. P. 422–427.
17. Miyakawa T., Mordovskoi P., Kanaya Y. Evaluation of Black Carbon Mass Concentrations Using a Miniaturized Aethalometer: Intercomparison with a Continuous Soot Monitoring System (COSMOS) and a Single-Particle Soot Photometer (SP2). Aerosol Sci. Technol. 2020. Vol. 54. P. 1–24.
18. Global Modeling and Assimilation Office. MERRA-2 tavg1_2d_adg_Nx: 2d, 1-Hourly, Time-averaged, Single-Level, Assimilation, Aerosol Diagnostics. V5.12.4. 2015.
19. Global Modeling and Assimilation Office. MERRA-2 tavg1_2d_rad_Nx: 2d, 1-Hourly, Time-Averaged, Single-Level, Assimilation, Radiation Diagnostics. V5.12.4. 2015.
Прикреплённые файлы:
<< Содержание номера
<< Архив
Дата последнего обновления: 21:09:33/20.04.26
|
|
 |
| |
|
| |
|
|
|
| |
|
|
|
| |
 |
ИАА "Информ-Экология" |
|
 |
| |
|
| |
|
|
| | |
| |
|
|
|
| |
|
Министерство природных ресурсов Российской Федерации |
|
|
| |
|
| |
|
|
| | |
| |
|
|
|
| |
|
Счётчик |
|
|
| |
|
| |
|
|
| | |
|
