В ходе заседаний президиума СО РАН ученые из сибирских институтов рассказывают о своих исследованиях в самых разных исследовательских областях. Эти работы касаются как фундаментальной науки, так и ее прикладных аспектов. Серия таких докладов будет идти до выборов в члены Академии наук.
Вследствие уникальной структуры воды поглощение излучения в атмосфере Земли водяным паром доминирует над другими газами. Это влияние распространяется от микроволн до видимого диапазона, отвечая за 70 % поглощенного излучения в атмосфере. Именно полосы поглощения водяного пара (H2O) обуславливают основные провалы в спектре солнечного излучения.
Ввиду того, что водяной пар слабо поглощает видимые области спектра, а области теплового диапазона — сильно, он также является одним из самых важных парниковых газов. «Водяной пар нагревает нижние слои атмосферы Земли, и, кроме того, его содержание в атмосфере растет с повышением температуры как результат испарений океана, — рассказал директор Института оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН (Томск) доктор физико-математических наук Игорь Васильевич Пташник. — Поэтому он дает положительно обратную связь, удваивая нагрев поверхности Земли, вызванный любым другим компонентом атмосферы, будь то CO2 или аэрозоль. Так, например, известно, что при удвоении CO2 ожидается увеличение средней температуры поверхности планеты на 1—2 °C, а с учетом водяного пара получится около 3 °C».
Инфракрасный спектр водяного пара включает как сильные полосы поглощения, так и фрагменты с более слабым поглощением, так называемые окна прозрачности. Поглощение в этих частях спектра обусловлено континуумом водяного пара, который определяет как количество солнечной радиации, так и уходящего в атмосферу теплового излучения. Континуальное поглощение водяного пара становится всё более актуальной областью исследований, так как этот процесс значительно влияет на энергетический баланс атмосферы, уменьшая количество уходящего теплового излучения на 25—30 %. Проблема имеет и фундаментальный аспект. Физическая природа этого феномена дискутируется на протяжении уже 50 лет.
Лидером по этому направлению в мире сегодня является ИОА СО РАН. «C 2003 года проводятся широкомасштабные международные исследования континуального поглощения излучения водяным паром в атмосфере. На основе экспериментов и численных анализов мы впервые показали, что природа континуума в полосах водяного пара в значительной степени обусловлена димерами воды (молекулами, состоящими из двух мономеров). Наконец, мы получили спектры континуума в окнах прозрачности атмосферы и показали, что при повышении температуры используемая сегодня во всем мире модель континуума MT_CKD значительно недооценивает континуальное поглощение излучения водяным паром, эти результаты вошли в список достижений РАН», — сообщил Игорь Пташник.
Директор Института мониторинга климатических и экологических система СО РАН (Томск) доктор биологических наук Евгения Александровна Головацкая рассказала о биогеохимическом цикле углерода болотных экосистем.
«Углеродный обмен между наземными экосистемами и атмосферой является одним из основных природных процессов, оценка которого в настоящее время наиболее актуальна согласно климатической и экологической повестке не только России, но и всего мира. При этом Россия занимает более 15 % суши и имеет огромные площади, покрытые лесами и болотами, и играет, конечно, существенную роль в формировании углеродного баланса наземных экосистем планеты в целом», — отметила Евгения Головацкая. Основные резервуары углерода: атмосфера, почва, растительность и океан. В наземной биомассе сосредоточено значительно меньше углерода, чем в почве, именно последняя играет существенную роль в накоплении и сохранении углерода.
Исследовательница актуализировала вопрос организации системы мониторинга углерода на государственном уровне с использованием данных дистанционного зондирования Земли, так как имеющиеся на сегодняшний день результаты измерений и наблюдений довольно фрагментарные и не позволяют представить ситуацию целиком. Кроме того, важная часть работы — моделирование, которое необходимо для понимания потенциальных изменений той или иной части экосистемы при изменении различных параметров, например при повышении температуры.
Болотные экосистемы, детальным изучением которых занимается Евгений Головацкая, распространены повсеместно и являются стоком углерода из атмосферы, конечно при условии, что они не осушены и не являются предметом деятельности человека. Однако при существенном изменении климатических условий или антропогенном вмешательстве болота могут превратиться в мощный источник парниковых газов. В Западной Сибири площадь болот более 590 тыс. кв. км, и запасы торфа в углеродном эквиваленте составляют 70 гигатонн углерода.
Исследование ИМКЭС проводится на территории Васюганского болота, и основная цель этих работ — оценить углеродный баланс. «Единственным входящим в экосистему потоком является процесс фотосинтеза, в результате которого происходит накопление биомассы, — говорит Евгения Александровна, — остальные потоки — выходящие: дыхание растений, выделение углекислого газа с поверхности почвы, латеральный сток с болотными водами. Основной вклад в накопление углерода вносят корни растений, надземная фитомасса дает примерно столько же. При снижении уровня болотных вод, как это случилось около Томска, происходит резкое увеличение корневой продукции за счет того, что увеличивается зона аэрации. Древесный ярус обычно не оценивается на болотах, однако это может дать недооценку поглощения углерода до 58 %».
Исследователи оценили влияние погодных условий и показали, что температура воздуха оказывает положительное влияние: чем теплее — тем больше биомассы нарастает, а количество осадков, наоборот, отрицательное. «Мы выявили, что в направлении с юга на север продукция биомассы снижается, при этом средняя температура за вегетационный период снижается также в этом направлении, а количество осадков увеличивается», — рассказала Евгения Головацкая.
Кроме того, исследования показали, что при мониторинге углерода необходимо также учитывать сезонную и суточную динамику эмиссии углекислого газа с поверхности торфяной залежи. Использование, например, только дневных значений углекислого газа может привести к переоценке суммарного потока на 20—50 %. Максимальные значения эмиссии углекислого газа наблюдаются в наиболее теплые и сухие месяцы (июль, август). Ученые также провели измерение эмиссии в зимний период и показали, что на открытых обводненных участках она порядка 3 % от общегодовой эмиссии, а на участках, покрытых древесными растениями, может достигать 13 %.
На основании выявленных данных были построены эмпирические модели, которые позволяют восполнять отсутствующие значения для времени, когда не проводились измерения, и получать более корректную оценку движения потоков углерода.
Современная водородная энергетика ориентируется на электролиз воды и конверсию метана с водой с образованием водорода (H2) и оксида углерода (CO₂). Общепринятая классификация выделяет разные виды H2 в зависимости от его экологичности. По принципу увеличения выделения CO2 при производстве водорода сорта обозначают разными цветами. Зеленый водород вырабатывается за счет возобновляемых источников энергии: силы ветра и излучения солнца. На противоположном краю спектра расположены серый и коричневый водород, которые получают без очистки CO2 путем паровой конверсии метана либо с использованием бурого угля, что делает их наименее экологичными. К настоящему времени классификация насчитывает уже восемь цветов. К одним из новых видов относятся водород, полученный пиролизом метана (бирюзовый), и энергия, добытая за счет работы атомных станций (розовый).
«Зеленый водород, производимый гибридными станциями (ветряными и солнечными), в климатическом поясе России будет стоить больше четырех долларов за килограмм, что абсолютно неконкурентно с экономической точки зрения, — считает председатель Омского научного центра СО РАН член-корреспондент РАН Владимир Александрович Лихолобов. — Самым перспективным и наименее энергозатратным в наших условиях можно считать водород, получаемый пиролизом метана».
Углеродный след посредством различных косвенных выбросов будет оставлять даже зеленый водород. При транспортировке природного газа по новым газопроводам углеродный след получения водорода пиролизом метана в плазме с использованием ветровой или солнечной электроэнергии оценивается в 1,2—1,6 кгCO2/кгH2. Это намного ниже, чем принятые критерии низкоуглеродного водорода. Кроме того, технологии, связанные с разложением пиролиза метана в плазме, уже апробируются и существуют в опытно-промышленном варианте в США, где этот процесс получения бирюзового водорода назвали Monolith.
В настоящее время имеющиеся области применения наноглобулярного углерода, известного под трейд-марками «технический углерод» и carbon black, обеспечивают его потребление в мире в объеме 15 миллионов тонн в год; эти области связаны с производством главным образом автомобильных шин и резинотехнических изделий, пигментов, а также материалов для систем производства и запасания электрической энергии.
«Последние экономические прогнозы развития этих направлений указывают на возможный двукратный рост спроса к 2040 году, — сообщил Владимир Лихолобов. — Однако даже этот ожидаемый объем потребления (30 миллионов тонн) многократно ниже того объема углерода (сотни миллионов тонн в год), который будет образовываться, если получать водород пиролизом природного газа. К 2050 году будет необходимо получать уже до 530 миллионов тонн водорода. Россия имеет значительный потенциал захватить рынок водорода, здесь есть метан и газопроводы, которые можно использовать для поставок».
Директор Сейсмологического филиала ФИЦ «Единая геофизическая служба РАН» доктор геолого-минералогических наук Виктор Сергеевич Селезнёв рассказал о новых направлениях и проблемах современной сейсмологии. Он перечислил несколько конкретных работ, которые были сделаны им и его коллегами, в частности — использование виброустановок для глубинных исследований, создание компактной аппаратуры для работы на водных объектах, а также приборов для передачи данных на удаленные сервера, чтобы обрабатывать и изучать полученную информацию.
Одной из самых основных проблем, которая есть в сфере сейсмологии в России, Виктор Селезнёв назвал отсутствие хорошо построенной карты сейсмического районирования страны, соответственно, при строительстве зданий и сооружений непонятно, на какое возможное воздействие стоит рассчитывать. Дело в том, что сейсмостанции расположены по территории РФ достаточно редко и неравномерно, и чтобы построить график повторяемости сейсмических событий (то есть землетрясений), нужны наблюдения за сотни лет.
Тем не менее ученый рассказал о некоторых новых технологиях, которые уже есть и используются для выполнения различных проектов. Например, по словам Виктора Селезнёва, детально изучить формирование волновых полей от землетрясений можно на системах наблюдений, используемых при проведении глубинного сейсмического зондирования. Есть технология площадных сейсмологических исследований, позволяющая по данным землетрясений с высокой точностью получать распределение скоростей продольных и поперечных волн в коре и верхней мантии Земли. Также исследователи провели работы в Полысаево Кемеровской области, где установили 22 станции. «Если в среднем в России одна станция на 50 тысяч километров, то здесь — одна на 3,5 километра, — отметил Виктор Селезнев, — что дало возможность изучить микросейсмичность». Это исследование натолкнуло специалистов на мысль посмотреть влияние техногенных факторов на сейсмичность, и, действительно, была доказана возможность изменения характеристик протекания естественного сейсмического процесса путем воздействия на среду сильными вибрационными нагрузками.
В числе других созданных сибирскими учеными технологий — определение собственных частот зданий и сооружений для понимания их физического состояния. Как подчеркнул Виктор Селезнёв, таким образом были обследованы все крупные сибирские гидростанции, дома, мосты, крупные строительные объекты, как в нашем регионе, так и, например, в Москве.
Авария на Саяно-Шушенской ГЭС подтолкнула специалистов к созданию метода мониторинга текущей работы оборудования гидроэлектростанций. «Через пять лет проведения исследований на СШГЭС и выполнения 15 договоров мы научились расшифровывать картины текущих спектров, что и помогло нам вести такое наблюдение», — сказал Виктор Селезнёв.
Еще одна из важных проблем, которую решают сейсмологи, — изучение собственных колебаний и вибраций зданий и сооружений, что может помочь выявлять скрытые дефекты или какие-то аномалии и предотвращать возможные разрушения.
Заместитель директора по науке Института биофизики СО РАН — обособленного подразделения ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» доктор биологических наук Надежда Николаевна Сущик рассказала о трофических сетях водных экосистем, продуцируемых в них биологически активных веществах и биохимических маркерах их взаимодействий
Красноярские ученые провели большое исследование содержания n-3 полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) и состава жирных кислот планктонных и бентосных консументов, охватившее 197 видов различных организмов в 94 континентальных водоемах и водотоках Евразии.
«Мы обнаружили, что крупные таксоны планктонных беспозвоночных достоверно различаются по содержанию омега-3 и ПНЖК. Это же касалось и бентосных беспозвоночных, которые отличались своей ценностью для следующего трофического звена (рыб) в зависимости от таксономической принадлежности, — рассказала Надежда Сущик. — Если исследования нижних трофических звеньев необходимы для понимания функционирования экосистемы в целом, то изучение верхних звеньев важны и с практической точки зрения: все важнейшие потребности людей в этих веществах закрываются рыбной продукцией. Анализируя содержание ПНЖК в мышцах диких (из природных мест обитания) рыб, мы составили портрет успешной рыбы, имеющей высокое содержание ПНЖК: она будет принадлежать к отряду сельдеобразные или лососеобразные, обитать в море, питаться планктоном и при этом обладать способностью быстро плавать и совершать дальние миграции». Однако, исследуя экосистемы севера Красноярского края, Субарктики и Арктики, ученые нашли виды, которые не уступали по содержанию полезных веществ морским, и среди них есть рекордсмены, такие как боганидская палия, одна из форм сибирского гольца. «Но есть проблема: промысловый лов в олиготрофных арктических системах невозможен или ограничен, — объяснила Н. Сущик. — Поэтому сейчас мы ведем активную работу по введению сибирского гольца в промышленную аквакультуру».
Один из основных результатов исследования красноярских специалистов заключается в том, что пищевая ценность фитопланктона для первичных консументов (зоопланктона и зообентоса) не может быть определена на уровне крупных таксонов, так как в каждом из них имеются виды с низкой и высокой пищевой ценностью. Напротив, определение пищевой ценности зоопланктона и зообентоса для рыб может быть проведено на уровне семейств, отрядов, классов и даже типов.
Во-вторых, ученые выяснили: абиотические факторы влияют на биохимическое качество водных беспозвоночных через различные механизмы — антропогенное загрязнение тяжелыми металлами, фенолами и нефтепродуктами. Это снижает содержание ПНЖК в биомассе непосредственно, тогда как повышение температуры воды оказывает негативное воздействие за счет смены доминирующих видов.
В-третьих, красноярские ученые впервые показали на основании анализа маркерных жирных кислот, что всеядность массовых видов водных животных не означает отсутствие селективности их питания. И, наконец, специалисты сделали вывод, что прямые и обратные потоки органического вещества между наземными и водными экосистемами характеризуются разным биохимическим качеством. Поступающие в водоемы органические вещества (листовой опад и гумус) — низкого качества и не используются доминирующими видами консументов. Напротив, водные субсидии, а именно вылет амфибионтных насекомых, являются высококачественной пищей для многих наземных консументов, так как содержат физиологически ценные омега-3 ПНЖК.
Главный научный сотрудник Института биофизики ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» доктор физико-математических наук Сергей Игоревич Барцев рассказал о редукции сложности моделей биологических систем.
«Замкнутые экологические системы жизнеобеспечения (ЗЭСЖО) — это очень простые экспериментальные модели биосферы. Умение массово их конструировать и прогнозировать их свойства означало бы большой шаг в понимании функционирования биосферы. Одновременно это имело бы практическое значение, как для космонавтики, так и для обеспечения жизни людей в экстремальных условиях»,— отметил ученый.
Сейчас исследователи из Института биофизики ФИЦ КНЦ СО РАН занимаются моделированием, которое должно позволить выбрать оптимальные варианты структуры таких систем жизнеобеспечения. В частности, впервые был предложен и использован критерий интегральной массы ЗЭСЖО. Оказалось, что совсем не нужно стремиться к максимальной замкнутости, как считали специалисты во всем мире. Выяснилось: для каждого периода длительности экспедиции оптимальными являются определенный тип и конфигурация ЗЭСЖО.
Исследователям удалось создать базу данных, которая позволила просчитывать оптимальные конфигурации с учетом биологических компонентов, диеты космонавтов и параметров технического обеспечения.Ученые впервые предложили критерий максимальной надежности. Он включает в себя три основных компонента: вероятность отказа системы жизнеобеспечения, вероятность фатальной ошибки экипажа и характеристики ЗЭСЖО. Они просчитаны для марсианской экспедиции, орбитальной и лунной баз.
«Также мы учитывали такое свойство живых систем, как способность к регенерации. Был использован подход, при котором параллельно работают несколько систем регенерации, и в случае выхода из строя одних, остальные берут на себя их функции. Такой способ позволяет понизить вероятность отказа на три-семь порядков», — сказал Сергей Барцев.
Кроме того, ученые ввели универсальный коэффициент замкнутости экосистемы и получили формулу для корректной оценки стационарного состояния замкнутой экосистемы. Им удалось создать формулу расчета оптимальной мощности системы регенерации. Также специалисты из ИБФ предложили концепцию адаптивного метаболизма и принцип наихудшего сценария. Согласно последнему в первую очередь рассматривается вариант с самыми тяжелыми последствиями.
«Наука в Сибири»
Фото из открытых источников
