Vol. 34, issue 11, article # 8

Zenkova P. N., Chernov D. G., Shmargunov V. P., Panchenko M. V., Belan B. D. Submicron aerosol and absorbing substance in the troposphere of the Russian Arctic according to measurements of the TU-134 “Optic” aircraft laboratory in 2020. // Optika Atmosfery i Okeana. 2021. V. 34. No. 11. P. . DOI: 10.15372/AOO20211108 [in Russian].
Copy the reference to clipboard

Abstract:

A large-scale comprehensive study of the composition of the troposphere of the Russian Arctic was carried out in September 2020 onboard the TU 134 “Optic” aircraft laboratory. The results of the study of the spatiotemporal variability of aerosol and black carbon (BC) concentrations are considered. The airborne sensing data were used for the analysis of general and particular features of the spatial variability of vertical profiles of aerosol and BC concentrations. The columnar BC concentrations in the arctic and subarctic latitudes were obtained.

Keywords:

aerosol, black carbon, soot, vertical profiles, aircraft laboratory, the Arctic

References:

  1. Lindsay R.W., Zhang J., Schweiger A., Steele M., Stern H. Arctic sea ice retreat in 2007 follows thinning trend. // J. Climate. 2009. V. 22. P. 165–176.
  2. Boucher O., Randall D., Artaxo P., Bretherton C., Feingold G., Forster P., Kerminen V.-M., Kondo Y., Liao H., Lohmann U., Rasch P., Satheesh S.K., Sherwood S., Stevens B., Zhang X.Y. Clouds and aerosols. // Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change / T.F. Stocker, D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Doschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex, P.M. Midgley (eds.). Cambridge: Cambridge University Press, 2013. 571–657. DOI: 10.1017/ CBO9781107415324.016.
  3. Screen J.A., Simmonds I. The central role of diminishing sea ice in recent Arctic temperature amplification // Nature. 2010. V. 464. P. 1334–1337.
  4. Pithan F., Mauritsen T. Arctic amplification dominated by temperature feedbacks in contemporary climate models // Nat. Geosci. 2014. V. 7. P. 181–184.
  5. Vinogradova A.A., Titkova T.B. Chernyj uglerod v atmosfere i al'bedo podstilayushchej poverhnosti v Rossijskoj Arktike vesnoj // Optika atmosf. i okeana. 2020. V. 33, N 1. P. 61–67; Vinogradova A.A., Titkova T.B. Atmospheric black carbon and surface albedo in the Russian Arctic during spring // Atmos. Ocean. Opt. 2020. V. 33, N 3. P. 260–266.
  6. Shindell D., Faluvegi G. Climate response to regional radiative forcing during the twentieth century // Nat. Geosci. 2009. V. 2. P. 294–300.
  7. AMAP: Assessment 2015: Black carbon and ozone as Arctic climate forcers. AMAP, 2015.
  8. Koch D., Hansen J. Distant origins of Arctic black carbon: A Goddard Institute for Space Studies ModelE experiment // J. Geophys. Res. 2005. V. 110. P. D04204. DOI: 10.1029/2004JD005296.
  9. Stohl A. Characteristics of atmospheric transport into the Arctic troposphere // J. Geophys. Res. 2006. V. 111. P. D11306.
  10. Sharma S., Ishizawa M., Chan D., Lavoué D., Andrews E., Eleftheriadis K., Maksyutov S. 16-year simulation of Arctic black carbon: Transport, source contribution, and sensitivity analysis on deposition // J. Geophys. Res.: Atmos. 2013. V. 118. P. 943–964.
  11. Arnold S., Law K., Brock C., Thomas J., Starkweather S., von Salzen K., Stohl A., Sharma S., Lund M., Flanner M., Petäjä T., Tanimoto H., Gamble J., Dibb J., Melamed M., Johnson N., Fidel M., Tynkkynen V.-P., Baklanov A., Eckhardt S., Monks S., Browse J., Bozem H. Arctic air pollution: Challenges and opportunities for the next decade // Elem. Sci. Anthr. 2016. V. 4. P. 000104. DOI: 10.12952/journal. elementa.000104.
  12. Eckhardt S., Hermansen O., Grythe H., Fiebig M., Stebel K., Cassiani M., Baecklund A., Stohl A. The influence of 25 cruise ship emissions on air pollution in Svalbard – a harbinger of a more polluted Arctic? // Atmos. Chem. Phys. 2013. V. 13. P. 8401–8409.
  13. Corbett J.J., Lack D.A., Winebrake J.J., Harder S., Silberman J.A., Gold M. Arctic shipping emissions inventories and future scenarios // Atmos. Chem. Phys. 2010. V. 10. P. 9689–9704.
  14. Melia N., Haines K., Hawkins E. Sea ice decline and 21st century trans-Arctic shipping routes // Geophys. Res. Lett. 2016. V. 43. P. 9720–9728.
  15. Peters G.P., Nilssen T.B., Lindholt L., Eide M.S., Glomsrød S., Eide L.I., Fuglestvedt J.S. Future emissions from shipping and petroleum activities in the Arctic // Atmos. Chem. Phys. 2011. V. 11. P. 5305–5320.
  16. Sharma S., Andrews E., Barrie L.A., Ogren J.A., Lavoué D. Variations and sources of the equivalent black carbon in the high Arctic revealed by long-term observations at Alert and Barrow: 1989–2003 // J. Geophys. Res. 2006. V. 111. P. D14208. DOI: 10.1029/ 2005JD006581
  17. Shindell D.T., Chin M., Dentener F., Doherty R.M., Faluvegi G., Fiore A.M., Hess P., Koch D.M., MacKenzie I.A., Sanderson M.G., Schultz M.G., Schulz M., Stevenson D.S., Teich H., Textor C., Wild O., Bergmann D.J., Bey I., Bian H., Cuvelier C., Duncan B.N., Folberth G., Horowitz L.W., Jonson J., Kaminski J.W., Marmer E., Park R., Pringle K.J., Schroeder S., Szopa S., Takemura T., Zeng G., Keating T.J., Zuber A. A multi-model assessment of pollution transport to the Arctic // Atmos. Chem. Phys. 2008. V. 8. P. 5353–5372.
  18. Hirdman D., Sodemann H., Eckhardt S., Burkhart J.F., Jefferson A., Mefford T., Quinn P.K., Sharma S., Strom J., Stohl A. Source identification of short-lived air pollutants in the Arctic using statistical analysis of measurement data and particle dispersion model output // Atmos. Chem. Phys. 2010. V. 10. P. 669–693.
  19. Hecobian A., Liu Z., Hennigan C.J., Huey L.G., Jimenez J.L., Cubison M.J., Vay S., Diskin G.S., Sachse G.W., Wisthaler A., Mikoviny T., Weinheimer A.J., Liao J., Knapp D.J., Wennberg P.O., Kürten A., Crounse J.D., Clair J.St., Wang Y., Weber R.J. Comparison of chemical characteristics of 495 biomass burning plumes intercepted by the NASA DC-8 aircraft during the ARCTAS/CARB-2008 field campaign // Atmos. Chem. Phys. 2011. V. 11. P. 13325–13337.
  20. Brock C.A., Cozic J., Bahreini R., Froyd K.D., Middlebrook A.M., McComiskey A., Brioude J., Cooper O.R., Stohl A., Aikin K.C., de Gouw J.A., Fahey D.W., Ferrare R.A., Gao R.-S., Gore W., Holloway J.S., Hübler G., Jefferson A., Lack D.A., Lance S., Moore R.H., Murphy D.M., Nenes A., Novelli P.C., Nowak J.B., Ogren J.A., Peischl J., Pierce R.B., Pilewskie P., Quinn P.K., Ryerson T.B., Schmidt K.S., Schwarz J.P., Sodemann H., Spackman J.R., Stark H., Thomson D.S., Thornberry T., Veres P., Watts L.A., Warneke C., Wollny A.G. Characteristics, sources, and transport of aerosols measured in spring 2008 during the aerosol, radiation, and cloud processes affecting Arctic Climate (ARCPAC) Project // Atmos. Chem. Phys. 2011. V. 11. P. 2423–2453.
  21. Cohen J., Screen J.A., Furtado J.C., Barlow M., Whittleston D., Coumou D., Francis J., Dethloff K., Entekhabi D., Overland J., Jones J. Recent Arctic amplification and extreme mid-latitude weather // Nat. Geosci. 2014.V. 7. P. 627–637.
  22. Schmale J., Schneider J., Ancellet G., Quennehen B., Stohl A., Sodemann H., Burkhart J.F., Hamburger T., Arnold S.R., Schwarzenboeck A., Borrmann S., Law K.S. Source identification and airborne chemical characterisation of aerosol pollution from long-range transport over Greenland during POLARCAT summer campaign 2008 // Atmos. Chem. Phys. 2011. V .11. P. 10097–10123.
  23. Sodemann H., Pommier M., Arnold S.R., Monks S.A., Stebel K., Burkhart J.F., Hair J.W., Diskin G.S., Clerbaux C., Coheur P.-F., Hurtmans D., Schlager H., Blechschmidt A.-M., Kristjánsson J.E., Stohl A. Episodes of cross-polar transport in the Arctic troposphere during July 2008 as seen from models, satellite, and aircraft observations // Atmos. Chem. Phys. 2011. V. 11. P. 3631–3651.
  24. Monks S.A., Arnold S.R., Emmons L.K., Law K.S., Turquety S., Duncan B.N., Flemming J., Huijnen V., Tilmes S., Langner J., Mao J., Long Y., Thomas J.L., Steenrod S.D., Raut J.C., Wilson C., Chipperfield M.P., Diskin G.S., Weinheimer A., Schlager H., Ancellet G. Multi-model study of chemical and physical controls on transport of anthropogenic and biomass burning pollution to the Arctic // Atmos. Chem. Phys. 2015. V. 15. P. 3575–3603.
  25. Law K.S., Stohl A., Quinn P.K., Brock C.A., Burkhart J.F., Paris J.-D., Ancellet G., Singh H.B., Roiger A., Schlager H., Dibb J., Jacob D.J., Arnold S.R., Pelon J., Thomas J.L. Arctic air pollution: New insights from POLARCAT-IPY // Bull. Am. Meteorol. Soc. 2014. V. 95. P. 1873–1895.
  26. Stohl A., Klimont Z., Eckhardt S., Kupiainen K., Shevchenko V.P., Kopeikin V.M., Novigatsky A.N. Black carbon in the Arctic: The underestimated role of gas flaring and residential combustion emissions // Atmos. Chem. Phys. 2013. V. 13. P. 8833–8855.
  27. Kodros J.K., Hanna S.J., Bertram A.K., Leaitch W.R., Schulz H., Herber A.B., Zanatta M., Burkart J., Willis M.D., Abbatt J.P.D., Pierc J.R. Size-resolved mixing state of black carbon in the Canadian high Arctic and implications for simulated direct radiative effect // Atmos. Chem. Phys. 2018. V. 18. P. 11345–11361.
  28. Samse B.H., Myhr G., Schul M., Balkanski Y., Bauer S., Berntsen T.K., Bian H., Bellouin N., Diehl T., Easter R.C., Ghan S.J., Iversen T., Kinne S., Kirkevåg A., Lamarque J.-F., Lin G., Liu X., Penner J.E., Seland Ø., Skeie R.B., Stier P., Takemura T., Tsigaridis K., Zhang K. Black carbon vertical profiles strongly affect its radiative forcing uncertainty // Atmos. Chem. Phys. 2013. V. 13. P. 2423–2434.
  29. Flanner M.G. Artic climte sensitivity to local lack carbon // J. Geophys. Res.: Atmos. 2013. V. 118. P. 1840–1851.
  30. Tomasi C., Kokhanovsky A.A., Lupi A., Ritter C., Smirnov A., Mazzola M., Stone R.S., Lanconelli C., Vitale V., Holben B.N., Nyeki S., Wehrli C., Altonen V., de Leeuw G., Rodriguez E., Herber A.B., Stebel K., Stohl A., O’Neill N.T., Radionov V.F., Zielinski T., Petelski T., Sakerin S.M., Kabanov D.M., Xue Y., Mei L., Istomina L., Wagener R., McArthur B., Sobolewski P.S., Butler J., Kivi R., Courcoux Y., Larouche P., Broccardo S., Piketh S.J. Aerosol remote sensing in polar regions // Earth-Sci. Rev. 2015. V. 140. P. 108–157.
  31. Abbatt J.P.D., Leaitch W.R., Aliabadi A.A., Bertram A.K., Blanchet J.-P., Boivin-Rioux A., Bozem H., Burkart J., Chang R.Y.W., Charette J., Chaubey J.P., Christensen R.J., Cirisan A., Collins D.B., Croft B., Dionne J., Evans G.J., Fletcher C.G., Galí M., Ghahremaninezhad R., Girard E., Gong W., Gosselin M., Gourdal M., Hanna S.J., Hayashida H., Herber A.B., Hesaraki S., Hoor P., Huang L., Hussherr R., Irish V.E., Keita S.A., Kodros J.K., Köllner F., Kolonjari F., Kunkel D., Ladino L.A., Law K., Levasseur M., Libois Q., Liggio J., Lizotte M., Macdonald K.M., Mahmood R., Martin R.V., Mason R.H., Miller L.A., Moravek A., Mortenson E., Mungall E.L., Murphy J.G., Namazi M., Norman A.-L., O'Neill N.T., Pierce J.R., Russell L.M., Schneider J., Schulz H., Sharma S., Si M., Staebler R.M., Steiner N.S., Thomas J.L., von Salzen K., Wentzell J.J.B., Willis M.D., Wentworth G.R., Xu J.-W., Yakobi-Hancock J.D. Overview paper: New insights into aerosol and climate in the Arctic // Atmos. Chem. Phys. 2019. V. 19. P. 2527–2560.
  32. Watson-Parris D., Schutgens N., Reddington C., Pringle K.J., Liu D., Allan J.D., Coe H., Carslaw K.S., Stier P. In situ constraints on the vertical distribution of global aerosol // Atmos. Chem. Phys. 2019. V. 19. P.11765–11790.
  33. Sakerin S.M., Kabanov D.M., Radionov V.F., Chernov D.G., Turchinovich Yu.S., Lubo-Lesnichenko K.E., Prakhov A.N. Obobshchenie rezul'tatov izmerenij aerozol'noj opticheskoj tolshchiny atmosfery na arh. Shpitsbergen v 2011–2016 years // Optika atmosf. i okeana. 2017. V. 30, N 11. С. 948–955; Sakerin S.M., Kabanov D.M., Radionov V.F., Chernov D.G., Turchinovich Yu.S., Lubo-Lesnichenko K.E., Prakhov A.N. Generalization of results of atmospheric aerosol optical depth measurements on Spitsbergen archipelago in 2011–2016 // Atmos. Ocean. Opt. 2018. V. 31, N 2. P. 163–170.
  34. Savatyugin L.M. The current state of the natural environment on Spitzbergen archipelago multi-authored monograph. Saint-Petersburg: AART, 2021. DOI: 10.30758/978-5-98364-101-3.
  35. Makshtas A.P., Uttal T. Nachalo sovmestnyh Rossijsko-amerikanskih atmosfernyh nablyudenij v Tiksi // Ros. polyar. issled. 2010. N 2. P. 35–38.
  36. Asmi E., Kondratyev V., Brus D., Laurila T., Lihavainen H., Backman J., Vakkari V., Aurela M., Hatakka J., Viisanen Y., Uttal T., Ivakhov V., Makshtas A. Aerosol size distribution seasonal characteristics measured in Tiksi, Russian Arctic // Atmos. Chem. Phys. 2016. V. 16. P. 1271–1287.
  37. Sakerin S.M., Golobokova L.P., Kabanov D.M., Kalashnikova D.A., Kozlov V.S., Kruglinsky I.A., Makarov V.I., Makshtas A.P., Popova S.A., Radionov V.F., Simonova G.V., Turchinovich Yu.S., Khodzher T.V., Khuriganowa O.I., Chankina O.V., Chernov D.G. Rezul'taty izmerenij fiziko-himicheskih harakteristik atmosfernogo aerozolya na nauchno-issledovatel'skom statsionare «Ledovaya baza “Mys Baranova”» v 2018 year // Оптика атмосф. и океана. 2019. Т. 32, № 6. С. 421–429; Sakerin S.M., Golobokova L.P., Kabanov D.M., Kalashnikova D.A., Kozlov V.S., Kruglinsky I.A., Makarov V.I., Makshtas A.P., Popova S.A., Radionov V.F., Simonova G.V., Turchinovich Yu.S., Khodzher T.V., Khuriganowa O.I., Chankina O.V., Chernov D.G. Measurements of physicochemical characteristics of atmospheric aerosol at research station “Ice Base Cape Baranov” in 2018 // Atmos. Ocean. Opt. 2019. V. 32, N 5. P. 511–520.
  38. Makshtas A.P., Sokolov V.T. Nauchno-issledovatel'skij statsionar «Ledovaya baza “Mys Baranova”» – letnij polevoj sezon 2014 year // Ros. polyar. issled. 2014. V. 17, N 3. P. 10–12.
  39. Popovicheva O.B., Evangeliou N., Eleftheriadis K., Kalogridis A.C., Sitnikov N., Eckhard S., Stohl A. Black carbon sources constrained by observations in the Russian high Arctic // Environ. Sci. Technol. 2017. V. 51, N 7. P. 3871–3879.
  40. Sakerin S.M., Bobrikov A.A., Bukin O.A., Golobokova L.P., Pol’kin Vas.V., Pol’kin Vik.V., Shmirko K.A., Kabanov D.M., Khodzher T.V., Onischuk N.A., Pavlov A.N., Potemkin V.L., Radionov V.F. On measurements of aerosol-gas composition of the atmosphere during two expeditions in 2013 along the Northern Sea Route // Atmos. Chem. Phys. 2015. V. 15. P. 12413–12443.
  41. Terpugova S.A., Zenkova P.N., Kabanov D.M., Pol’kin V.V., Golobokova L.P., Panchenko M.V., Sakerin S.M., Lisitzin A.P., Shevchenko V.P., Politova N.V., Kozlov V.S., Khodzher T.V., Shmargunov V.P., Chernov D.G. Rezul'taty issledovanij harakteristik aerozolya v atmosfere Karskogo i Barentseva morej v letne-osennij period 2016 year // Optika atmosf. i okeana. 2018. V. 31, N 5. P. 391–402; Terpugova S.A., Zenkova P.N., Kabanov D.M., Pol’kin V.V., Golobokova L.P., Panchenko M.V., Sakerin S.M., Lisitzin A.P., Shevchenko V.P., Politova N.V., Kozlov V.S., Khodzher T.V., Shmargunov V.P., Chernov D.G. Results of the study of aerosol characteristics in the atmosphere of the Kara and Barents Seas in summer and autumn 2016 // Atmos. Ocean. Opt. 2018. V. 31, N 5. P. 507–518.
  42. Golobokova L.P., Khodzher T.V., Izosimova O.N., Zenkova P.N., Pochyufarov A.O., Khuriganowa O.I., Onishyuk N.A., Marinayte I.I., Polkin V.V., Radionov V.F., Sakerin S.M., Lisitzin A.P., Shevchenko V.P. Himicheskij sostav atmosfernogo aerozolya v arkticheskom rajone po marshrutam morskih ekspeditsij 2018–2019 years // Optika atmosf. i okeana. 2020. V. 33, N 6. P. 421–429; Golobokova L.P., Khodzher T.V., Izosimova O.N., Zenkova P.N., Pochyufarov A.O., Khuriganowa O.I., Onishyuk N.A., Marinayte I.I., Polkin V.V., Radionov V.F., Sakerin S.M., Lisitzin A.P., Shevchenko V.P. Chemical composition of atmospheric aerosol in the Arctic Region and Adjoining Seas along the routes of marine expeditions in 2018–2019 // Atmos. Ocean. Opt. 2020. V. 33, N 5. P. 480–489.
  43. Sakerin S.M., Kabanov D.M., Makarov V.I., Polkin V.V., Popova S.A., Chankina O.V., Pochufarov A.O., Radionov V.F., Rize D.D. Spatial distribution of atmospheric aerosol physicochemical characteristics in Russian sector of the Arctic Ocean // Atmosphere. 2020. V. 11. P. 1170.
  44. Antohina O.Yu., Antohin P.N., Arshinova V.G., Arshinov M.Yu., Belan B.D., Belan S.B., Davydov D.K., Ivlev G.A., Kozlov A.V., Nedelec Ph., Paris J.-D., Rasskazchikova T.M., Savkin D.E., Simonenkov D.V., Sklyadneva T.K., Tolmachev G.N., Fofonov A.V. Vertikal'noe raspredelenie gazovyh i aerozol'nyh primesej vozduha nad rossijskim sektorom Arktiki // Optika atmosf. i okeana. 2017. V. 30, N 12. P. 1043–1052; Antokhina O.Yu., Antokhin P.N., Arshinova V.G., Arshinov M.Yu., Belan B.D., Belan S.B., Davydov D.K., Ivlev G.A., Kozlov A.V., Nédélec P., Paris J.-D., Rasskazchikova T.M., Savkin D.E., Simonenkov D.V., Sklyadneva T.K., Tolmachev G.N., Fofonov A.V. Vertical distributions of gaseous and aerosol admixtures in air over the Russian Arctic // Atmos. Ocean. Opt. 2018. V. 31, N 3. P. 300–310. DOI: 10.15372/AOO20171207.
  45. Kuz'michev A.S., Babuhina T.I., Gan'shin A.V., Luk'yanov A.N., Markov R.M., Romanovskij A.M., Hattatov V.U., Kirin D.V., Malinina E.P. Izmereniya soderzhaniya aerozolej v troposfere Arkticheskogo regiona distantsionnymi i kontaktnymi metodami s borta samoletalaboratorii YAk-42D «Rosgidromet» // Meteorol. i gidrol. 2016. N 5. P. 88–97.
  46. Kozlov V.S., Panchenko M.V., Shmargunov V.P., Chernov D.G., Yausheva E.P., Pol’kin V.V., Terpugova S.A. Long-term investigations of the spatiotemporal variability of black carbon and aerosol concentrations in the troposphere of West Siberia and Russian Subarctic // Chem. Sustainable Dev. 2016. V. 24, N 4. P. 423–440.
  47. Yang Q., Bitz C.M., Doherty S.J. Offsetting effects of aerosols on Arctic and global climate in the late 20th century // Atmos. Chem. Phys. 2014. V. 14. P. 3969–3975.
  48. Sand M., Berntsen T.K., von Salzen K., Flanner M.G., Langner J., Victor D.G. Response of Arctic temperature to changes in emissions of short-lived climate forcers // Nat. Clim. Change. 2015. V. 6. P. 1–5.
  49. Anohin G.G., Antohin P.N., Arshinov M.Yu., Barsuk V.E., Belan B.D., Belan S.B., Davydov D.K., Ivlev G.A., Kozlov A.V., Kozlov V.S., Morozov M.V., Panchenko M.V., Penner I.E., Pestunov D.A., Sikov G.P., Simonenkov D.V., Sinitsyn D.S., Tolmachev G.N., Filippov D.V., Fofonov A.V., Chernov D.G., Shamanaev V.S., Shmargunov V.P. Samolet-laboratoriya Tu-134 «Optik» // Optika atmosf. i okeana. 2011. V. 24, N 9. P. 805–816.
  50. Spackman J.R., Gao R.S., Neff W.D., Schwarz J.P., Watts L.A., Fahey D.W., Holloway J.S., Ryerson T.B., Peischl J., Brock C.A. Aircraft observations of enhan­cement and depletion of black carbon mass in the springtime Arctic // Atmos. Chem. Phys. 2010. V. 10. P. 9667–9680.
  51. Liu J., Fan S., Horowitz L.W., Levy H. II. Evalua­tion of factors controlling long-range transport of black carbon to the Arctic // J. Geophys. Res. 2011. V. 116. P. D04307.