Федеральная Целевая Программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы»

Головной исполнитель проекта: Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" (НИИ «АЭРОКОСМОС»), г. Москва

Научный руководитель проекта: академик РАН, профессор В.Г.БОНДУР

Организация-партнер: Университет Хельсинки, Финляндия

Соглашение № 14.586.21.0004

Уникальный идентификатор научных исследований (проекта) RFMEFI58614X0004

Дата начала проекта: 08.09.2014

Дата окончания проекта: 31.12.2016

Целью проекта является разработка методических подходов и технологических решений для оценки объемов естественных и антропогенных эмиссий газовых примесей и аэрозолей на основе результатов космического мониторинга и математического моделирования для анализа их воздействия на состояние воздушной среды и климатические процессы на территории Северной Евразии путем объединения совместных Российско-Европейских исследований в интересах обеспечения охраны окружающей среды, повышения надежности прогнозов изменения климата и улучшения качества жизни.

Актуальность исследований

     Актуальность исследований в рамках проекта, обусловлена следующими факторами:

- серьезным экологическим ущербом, наносимым природными и антропогенными эмиссиями малых газовых компонент и аэрозолей;

- необходимостью предоставления оперативной космической информации для оценки влияния природных и антропогенных факторов на состав атмосферы и разработки рекомендаций  по снижению их последствий;

- высокой эффективностью современных космических методов и технологий, а так же методов математического моделирования для определения распространения малых газовых компонент и аэрозолей в воздушной среде;

 - необходимостью создания новых и усовершенствования существующих методов и технологий комплексного оперативного мониторинга состава атмосферы на основе космических данных и результатов математического моделирования;

- эффективностью международного сотрудничества для интеграции усилий Российской Федерации и стран Европейского Союза  в области мониторинга загрязнений атмосферы.

     В настоящее время интенсивно возрастают объемы эмиссий большого числа вредных газовых примесей и аэрозолей естественного и антропогенного, которые, попадая в воздушную среду, приводят к ее загрязнению и негативно воздействуют на здоровье людей, а также на климат планеты. [Израэль, 2004; Бондур 2010 (а,б); Бондур и др., 2009; M. Kulmala et al., 2013]. Рост промышленного производства, сжигание топлива при растущем энергопотреблении, рост автомобильного парка, работа транспорта, природные пожары и другие процессы сопровождаются гигантскими выбросами загрязняющих веществ в атмосферу, которые претерпевая сложные превращения в воздушной среде, распространяются на большие расстояния от их источников [Мелешко и др., 2004]. Они загрязняют большие пространства, изменяют химический состав атмосферного воздуха за счет поступления различных малых газовых компонентов (СО, СО2, SO2, NOx и др.) и аэрозолей, а также приводят к изменению концентрации озона [Andreae, 2001; Riccobono, 2014]. Многообразие  типов выбрасываемых соединений, имеющих различные скорости химических превращений, и условий их распространения, определяет широкий спектр пространственных и временных масштабов, на которых может проявляться отрицательный эффект, вызванный природными факторами и антропогенной деятельностью [Spichtinger et al, 2001].

     В настоящее время проблема мониторинга и прогнозирования состояния атмосферы, подвергающейся воздействию вредных примесей природного и антропогенного происхождения, достаточно остро стоит перед многими странами, в том числе перед Российской Федерацией и странами Европейского союза. Атмосфера над крупными городами содержит в 10 раз больше аэрозолей и в 25 раз больше загрязняющих газов, чем в среднем по планете [Израэль, 2004; Urban World Climate Change, 2009]. 

     Для своевременного выявления источников эмиссий, оценки объемов выбросов вредных веществ в атмосферу Земли, а также определения и прогнозирования направления распространения этих опасных природных процессов требуется организация соответствующего информационного обеспечения. Для  этого необходимо использование эффективных методов, технологий и средств оперативного мониторинга, прежде всего космического, методов обработки, хранения и представление пользователям соответствующих информационных продуктов, а так же методов математического моделирования, обеспечивающих возможности анализа  и прогноза развития и оценки последствий, связанных с природными процессами и антропогенной деятельностью, приводящих к  эмиссиям вредных веществ в воздушную среду [Бондур и др., 2009].

     Модели для описания и прогнозирования загрязнения атмосферного воздуха используются в качестве дополнения к действующим сетям мониторинга и являются важнейшими составляющими всесторонней программы управления качеством атмосферного воздуха [Марчук, Алоян, 1995].

     Исследования по теме настоящего проекта особенно актуальны для России и северных стран Европейского Союза,  где огромные лесные массивы и большое количество промышленных предприятий, являются постоянными источниками эмиссии в атмосферу разнообразных органических веществ, фотохимические реакции, с участием которых в атмосфере протекают с образованием вторичных аэрозольных частиц.

Таким образом, учитывая  особенности объекта исследования и характерные для него пространственные масштабы, очевидно, что для решения поставленной проблемы актуально применение космических методов мониторинга и методов математического моделирования. 

Основные решаемые задачи

- разработка методов и технологических решений, направленных на сбор и обработку данных космического мониторинга для проведения оценки объемов естественных и антропогенных эмиссий газовых примесей и аэрозолей в воздушной среде под действием природных и антропогенных факторов;

- разработка комплексной математической модели газовой и аэрозольной динамики атмосферы в региональном и глобальном масштабах;

- разработка прототипа комплекса программных и (или) технических решений, реализующих разработанные методы космического мониторинга и математического моделирования;

- экспериментальные исследования по мониторингу динамики антропогенных и естественных эмиссий газовых примесей и аэрозолей в атмосфере с использованием разработанных методов;

Научная значимость проекта

     Научная значимость проекта заключается в разработке новых и усовершенствовании существующих методов и технологий космического мониторинга и математического моделирования состава атмосферы, для более точной оценки объёмов эмиссий и распространения вредных газов и аэрозолей в пространстве и времени, обусловленных природными и антропогенными факторами, на основе различных спутниковых данных и результатов математического моделирования с помощью комплексной модели газовой и аэрозольной динамики в атмосфере, обеспечивающих объективную оценку влияния вредных примесей на состояние воздушной среды для предотвращения негативного влияния на окружающую среду, климат, а также для улучшения качества жизни людей.

Основные ожидаемые результаты

     В ходе выполнения проекта должны быть получены следующие научно-технические результаты: 

НИИ «АЭРОКОСМОС»   

1. Промежуточные и заключительный отчеты, содержащие:

а) анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов относящихся к разрабатываемой теме;

б) обоснование выбора направления исследований;

в) результаты теоретических и экспериментальных исследований;

г) результаты анализа данных экспериментальных исследований;

д) обобщение и выводы по результатам ПНИ.

2. Отчет о патентных исследованиях, оформленный в соответствии с ГОСТ 15.011-96.8.1.3

3. Программа и методика экспериментальных исследований.

4. Методы аэрокосмического мониторинга естественных и антропогенных эмиссий газовых примесей и аэрозолей. 

5. Методы математического моделирования и модель динамики многокомпонентных газовых примесей и аэрозолей в атмосфере 

6. Прототип комплекса программных и технических решений, реализующих разработанные методы космического мониторинга и математического моделирования.

7. Проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка системы мониторинга естественных и антропогенных эмиссий газовых примесей и аэрозолей в атмосферу на основе космических данных и результатов моделирования». 

Иностранный партнёр  

1.Результаты анализа выявления и определения количественно основных климатических обратных связей и воздействующих механизмов, относящихся к аэрозолям, облакам, осадкам, взаимодействиям биосфера-атмосфера и криосфера-атмосфера.

2.Методы и технологии, необходимые для повышения качества понимания атмосферного окисления. 

3.Инструментальные методы, связующие циклы углерода, азота и серы (карбонилсульфид, амины, органосульфаты, органонитраты).

4.Новые модели процессов, происходящих в средах, основанные на маркерах прекурсоров в газовой фазе.

5.Технологии измерения параметров аэрозольных частиц и исследования взаимосвязей аэрозолей и облаков.

Область применения результатов исследования

     Разработанные в ходе проекта методы и технологии оценки объёмов эмиссий и распространения малых газовых компонент и аэрозолей в воздушной среде с использованием космически данных и методов математического моделирования, обеспечат возможность мониторинга загрязнений атмосферы для исследования последствий влияния природных и антропогенных факторов на воздушную среду. 

Результаты, полученные при выполнении проекта, будут способствовать прогнозированию негативного влияния природных и антропогенных факторов на климат и позволят разрабатывать рекомендации для снижения негативных последствий и адаптации к ним. 

Этапы выполнения проекта

Этап №1 «Выбор направлений исследований. Проведение теоретических исследований» 08.09.2014 – 31.12.2014

Этап №2 «Разработка методов мониторинга и комплексной математической модели» 01.01.2015 – 30.06.2015

Этап №3 «Разработка прототипов программного обеспечения для мониторинга динамики естественных и антропогенных эмиссий газовых примесей и аэрозолей в атмосферу на основе космических данных» 01.07.2015 – 31.12.2015

Этап №4 «Экспериментальные исследования» 01.01.2016 – 30.06.2016

Этап №5 «Доработка прототипов программного обеспечения по результатам экспериментальных исследований. Обобщение и оценка результатов исследований» 01.07.2016 – 31.12.2016

Литература

1. Бондур В.Г. Актуальность и необходимость космического мониторинга природных пожаров в России. Вестник ОНЗ РАН, Том 2, NZ11001, 2010 (а).

2. Бондур В.Г., Крапивин В.Ф., Савиных В.П. Мониторинг и прогнозирование природных катастроф. М: Научный мир, 2009. 692 с., 22 цв. ил.

3. Бондур В.Г. Спутники в борьбе с огнем. Российский космос, №12, 2010, с. 24 -31 (б).

4. Израэль Ю. А. О концепции опасного антропогенного воздействия на климатическую систему и возможностях биосферы. –  Метеорология и гидрология, 2004, № 4, с. 30-37.

5. Марчук Г.И., Алоян А.Е. Глобальный перенос примеси в атмосфере // Изв. РАН. ФАО. 1995. - Т. 31, №5. - С. 597-606.

6. Мелешко В. П., Голицын Г. С, Говоркова В. А., Демченко П. Ф., Елисеев А. В., Катцов В. М., Малевский-Малевич С. П., Мохов И. И., Надежина Е. Д., Семенов В. А., Спорышев П. В., Хон В. Ч. Возможные антропогенные изменения климата России в XXI веке: оценки по ансамблю климатических моделей. – Метеорология и гидрология, 2004, № 4, с. 38-49

7. Andreae M.O., Merlet P. Emission of trace gases and aerosols from biomass burning // Global Biogeochem. Cycles. 2001. V. 15. № 4. P. 955–966.

8. Climate Change. Are cities really to blame? // Urban World. UN-HABITAT Volume 1, Issue 2, March 2009. p.92.

9. Kulmala M. et al, Direct Observations of Atmospheric Aerosol Nucleation, 2013, vol. 339

10. Riccobono F. et al. Oxidation Products of Biogenic Emissions Contribute to Nucleation of Atmospheric Particles, 2014, 344

11. Spichtinger N., Wenig M., James P. et al. Satellite detection of a continental-scale plume of nitrogen oxides from boreal forest fires // Geophys. Res. Lett. 2001. V. 28. № 24. P. 4579–4582.

Далее