Vol. 36, issue 11, article # 4

Abstract:

Based on the results of a comprehensive experiment conducted in September 2020, the spatial distribution of the following trace gases over the seas of the Russian Arctic are analyzed: carbon monoxide (CO), ozone (O₃), nitrogen oxide and dioxide (NO and NO₂), and sulfur dioxide (SO₂). It is shown that the gas concentrations in the surface air layer over the seas (at a height of 200 m) vary in the range 18–36 ppb for O₃, 60–130 ppb for CO, 0.005–0.12 ppb for NO, 0.10–1.00 ppb for NO₂, and 0.06–0.80 ppb for SO₂. Over most seas, the distribution of the gases across the water area is heterogeneous, which most likely reflects differences in their uptake by the ocean and peculiarities of transport from the continent.

Keywords:

Arctic, atmosphere, air, vertical distribution, nitrogen dioxide, sulfur dioxide, ozone, nitrogen oxide, carbon monoxide, transport, impurities, composition

Figures:

References:

1. IPCC, 2021: Summary for policymakers // Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Cambridge University Press, 2021. P. 1–41.
2. Shepherd T.G. Effects of a warming Arctic // Science. 2016. V. 353, N 6303. P. 989–990.
3. Najafi M.R., Zwiers F.W., Gillett N.P. Attribution of Arctic temperature change to grenhouse-gas and aerosol influences // Nat. Clim. Change. 2015. N 2. P. 4.
4. Rantanen M., Karpechko A.Yu., Lipponen A., Nording K., Hyvarinen O., Ruosteenoja K., Vihma T., Laaksonen A. The Arctic has warmed nearly four times faster than the globe since 1979 // Commun. Earth Environ. 2022. V. 3. P. 168.
5. Thoman R., Druckenmiller M.L., Moon T. State of the climate in 2021 // Bull. Am. Meteorol. Soc. 2022. V. 103, N 8. P. S257–S306.
6. Wendisch M, Brückner M., Crewell S., Ehrlich A., Notholt J., Lüpkes C., Macke A., Burrows J.P., Rinke A., Quaas J., Maturilli M., Schemann V., Shupe M.D., Akansu E.F., Barrientos-Velasco C., Bärfuss K., Blechschmidt A.-M., Block K., Bougoudis I., Bozem H., Böckmann C., Bracher A., Bresson H., Bretschneider L., Buschmann M., Chechin D.G., Chylik J., Dahlke S., Deneke H., Dethloff K., Donth T., Dorn W., Dupuy R., Ebell K., Egerer U., Engelmann R., Eppers O., Gerdes R., Gierens R., Gorodetskaya I.V., Gottschalk M., Griesche H., Gryanik V.M., Handorf D., Harm-Altstädter B., Hartmann J., Hartmann M., Heinold B., Herber A., Herrmann H., Heygster G., Höschel I., Hofmann Z., Hölemann J., Hünerbein A., Jafariserajehlou S., Jäkel E., Jacobi C., Janout M., Jansen F., Jourdan O., Jurányi Z., Kalesse-Los H., Kanzow T., Käthner R., Kliesch L.L., Klingebiel M., Knudsen E.M., Kovács T., Körtke W., Krampe D., Kretzschmar J., Kreyling D., Kulla B., Kunkel D., Lampert A., Lauer M., Lelli L., von Lerber A., Linke O., Löhnert U., Lonardi M., Losa S.N., Losch M., Maahn M., Mech M., Mei L., Mertes S., Metzner E, Mewes D., Michaelis J., Mioche G., Moser M., Nakoudi K., Neggers R., Neuber R., Nomokonova T., Oelker J., Papakonstantinou-Presvelou I., Pätzold F., Pefanis V., Pohl C., van Pinxteren M., Radovan A., Rhein M., Rex M., Richter A., Risse N., Ritter C., Rostosky P., Rozanov V.V., Ruiz Donoso E., Saavedra Garfias P.S., Salzmann M., Schacht J., Schäfer M., Schneider J., Schnierstein N., Seifert P., Seo S., Siebert H., Soppa M.A., Spreen G., Stachlewska I.S., Stapf J., Stratmann F., Tegen I., Viceto C., Voigt C., Vountas M., Walbröl A., Walter M., Wehner B., Wex H., Willmes S., Zanatta M., Zeppenfeld S. Atmospheric and surface processes, and feedback mechanisms determining arctic amplification // Bull. Am. Meteorol. Soc. 2023. V. 104, N 1. P. E208–E242.
7. Najafi M.R., Zwiers F.W., Gillett N.P. Attribution of Arctic temperature change to grenhouse-gas and aerosol influences // Nature Clim. Change. 2015. N 2. 4 p.
8. 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. N 11. P. 4.
9. Nomura D., Granskog M.A., Fransson A., Chierici M., Silyakova A., Ohshima K.I., Cohen L., Delille B., Hudson S.R., Dieckmann G.S. CO₂ flux over young and snow-covered Arctic pack ice in winter and spring // Biogeosci. 2018. V. 15, N 11. P. 3331–3343.
10. Willis M.D., Leaitch R.W., Abbatt J.P.D. Processes controlling the composition and abundance of Arctic aerosol // Rev. Geophys. 2018. V. 56, N 4. P. 621–671.
11. Arnold S.R., Law K.S., Brock C.A., Thomas J.L., Starkweather S.M., Salzen K., Stohl A., Sharma S., Lund M.T., Flanner M.G., Petäjä T., Tanimoto H., Gamble J., Dibb J.E., Melamed M., Johnson N., Fider M., Tynkkynen V.-P., Baklanov A., Eckhardt S., Monks S.A., Browse J., Bozem H. Arctic air air pollution: Challenges and opportunities for the next decade // ELEMENTA: Sci. Atmos. 2016. N 4. P. 16.
12. Law K.S., Stohl A., Quinn P.K., Brock C.A., Burkhart J.F., Paris J.D., Ancellet G., Singh B., Roiger A., Schlager H. Arctic air pollution // Bull. Am. Meteorol. Soc. 2014. V. 95, N 12. P. 1873–1895.
13. Roiger A., Thomas J.-L., Schlager H., Law K.S., Kim J., Schafler A., Weinzierl B., Dahlkotter F., Krisch I., Marelle L., Minikin A., Raut J.-C., Reiter A., Rose M., Scheibe M., Stock P., Baumann R., Clerbaux C., George M., Onishi T., Flemming J. Quantifying emerging local anthropogenic emissions in the Arctic region // Bull. Am. Meteorol. Soc. 2015. V. 96, N 3. P. 441–460.
14. Evangeliou N., Balkanski Y., Hao W.M., Petkov A., Silverstein R.P., Corley R., Nordgren В., Urbanski S.P., Eckhardt S., Stohl A., Tunved P., Crepinsek S., Jefferson A., Sharma S., Njgaard J.K., Skov H. Wildfires in northern Eurasia affect the budget of black carbon in the Arctic – a 12-year retrospective synopsis (2002–2013) // Atmos. Chem. Phys. 2016. V. 16, N 12. P. 7587–7604.
15. Kulmala M., Nieminen T., Chellapermal R., Makkonen R., Back J., Kerminen V.-M. Climate feedbacks linking the increasing atmospheric CO₂ concentration, BVOC emissions, aerosols and clouds in forest ecosystems / U. Niinemets, R.K. Monson (eds.). Biology, Controls and Model Tree Volatile Organic Compound Emissions. Dordrecht: Springer, 2010. P. 489–508.
16. Tei S., Morozumi T., Kotani A., Takano S., Sugimoto A., Miyazaki S., Shingubara R., Fan R., Petrov R., Starostin E., Shakhmatov R., Nogovitcyn A., Maximov T. Seasonal variations in carbon dioxide exchange fluxes at a taiga–tundra boundary ecosystem in Northeastern Siberia // Polar Sci. 2021. V. 28. P. 100644.
17. Juutinen S., Aurela M., Tuovinen J.-P., Ivakhov V., Linkosalmi M., Räsänen A., Virtanen T., Mikola J., Nyman J., Vähä E., Loskutova M., Makshtas A., Laurila T. Variation in CO₂ and CH₄ fluxes among land cover types in heterogeneous Arctic tundra in northeastern Siberia // Biogeosci. 2022. V. 19, N 13. P. 3151–3167.
18. Ivahov V.M., Paramonova N.N., Privalov V.I., Zinchenko A.V., Loskutova M.A., Makshtas A.P., Kustov V.A., Laurila T., Aurela M., Asmi E. Atmosfernaya kontsentratsiya dioksida ugleroda na stantsiyah Tiksi i Mys Baranova v 2010–2017 years // Meteorol. i gidrol. 2019. V. 4. P. 110–121.
19. Nagurnyi A.P. Analiz dannyh izmerenii kontsentratsii dioksida ugleroda v prilednom sloe atmosfery na ledovoi dreifuyushchei stantsii «Severnyi Polyus-35» (2007–2008 g.) // Meteorol. i gidrol. 2010. N 9. P. 55–61.
20. Pipko I.I., Pugach S.P., Semiletov I.P. Dinamika SO2 na shel'fe Vostochno-Sibirskogo morya // Meteorol. i gidrol. 2010. N 9. P. 62–73.
21. Semiletov I.P., Shakhova N.E., Pipko I.I., Pugach S.P., Charkin A.N., Dudarev O.V., Kosmach D.A., Nishino S. Space-time dynamics of carbon and environmental parameters related to carbon dioxide emissions in the Buor-Khaya Bay and adjacebt part of Laptev Sea // Biogeosci. 2013. V. 10, N 9. P. 5977–5996.
22. Klepikov A.V., Danilov A.I. Polyarnaya meteorologiya (rezul'taty rossiiskih issledovanii v 2015–2018 year) // Izv. RAN. Fiz. atmosf. i okeana. 2021. V. 57, N 3. P. 261–277.
23. Belan B.D., Ancellet G., Andreeva I.S., Antokhin P.N., Arshinova V.G., Arshinov M.Y., Balin Y.S., Barsuk V.E., Belan S.B., Chernov D.G., Davydov D.K., Fofonov A.V., Ivlev G.A., Kotel'nikov S.N., Kozlov A.S., Kozlov A.V., Law K., Mikhal'chishin A.V., Moseikin I.A., Nasonov S.V., Nédélec P., Okhlopkova O.V., Ol'kin S.E., Panchenko M.V., Paris J.-D., Penner I.E., Ptashnik I.V., Rasskazchikova T.M., Reznikova I.K., Romanovskii O.A., Safatov A.S., Savkin D.E., Simonenkov D.V., Sklyadneva T.K., Tolmachev G.N., Yakovlev S.V., Zenkova P.N. Integrated airborne investigation of the air composition over the Russian sector of the Arctic // Atmos. Meas. Tech. 2022. V. 15, N 13. P. 3941–3967.
24. Antohina O.Yu., Antohin P.N., Arshinova V.G., Arshinov M.Yu., Belan B.D., Belan S.B., Guruleva E.V., Davydov D.K., Ivlev G.A., Kozlov A.V., Law K.S., Rasskazchikova T.M., Paris J.-D., Savkin D.E., Simonenkov D.V., Sklyadneva T.K., Tolmachev G.N., Fofonov A.V. Sostav vozduha nad Rossiiskim sektorom Arktiki. 1. Metan // Optika atmosf. i okeana. 2023. V. 36, N 2. P. 100–110; Antokhina O.Yu., Antokhin P.N., Arshinova V.G., Arshinov M.Yu., Belan B.D., Belan S.B., Gurulev E.V., Davydov D.K., Ivlev G.A., Kozlov A.V., Law K., Nédélec P., Rasskazchikova T.M., Paris J.-D., Savkin D.E., Simonenkov D.V., Sklyadneva T.K., Tolmachev G.N., Fofonov A.V. Air Composition over the Russian Arctic: 1 – Methane // Atmos. Ocean. Opt. 2023. V. 36, N 5. P. 470–489.
25. Antohina O.Yu., Antohin P.N., Arshinova V.G., Arshinov M.Yu., Belan B.D., Belan S.B., Guruleva E.V., Davydov D.K., Ivlev G.A., Kozlov A.V., Law K.S., Rasskazchikova T.M., Paris J.-D., Savkin D.E., Simonenkov D.V., Sklyadneva T.K., Tolmachev G.N., Fofonov A.V. Sostav vozduha nad Rossiiskim sektorom Arktiki. 2. Uglekislyi gaz // Optika atmosf. i okeana. 2023. V. 36, N 4. P. 280–288; Antokhina O.Yu., Antokhin P.N., Arshinova V.G., Arshinov M.Yu., Belan B.D., Belan S.B., Gurulev E.V., Davydov D.K., Ivlev G.A., Kozlov A.V., Law K., Nédélec P., Rasskazchikova T.M., Paris J.-D., Savkin D.E., Simonenkov D.V., Sklyadneva T.K., Tolmachev G.N., Fofonov A.V. Air composition over the Russian Arctic: 2 – Carbon dioxide // Atmos. Ocean. Opt. 2023. V. 36, N 5. P. 490–500.
26. Rowlinson M.J., Rap A., Hamilton D.S., Pope R.J., Hantson S., Arnold S.R., Kaplan J.O., Arneth A., Chipperfield M.P., Forster P.M., Nieradzik L. Tropospheric ozone radiative forcing uncertainty due to pre-industrial fire and biogenic emissions // Atmos. Chem. Phys. 2020. V. 20, N 18. P. 10937–10951.
27. Antohin P.N., Arshinova V.G., Arshinov M.Yu., Belan B.D., Belan S.B., Davydov D.K., Ivlev G.A., Kozlov A.V., Nedelek F., Parizh Zh.-D., Rasskazchikova T.M., Savkin D.E., Simonenkov D.V. Sklyadneva T.K., Tolmachev G.N., Fofonov A.V. Krupnomasshtabnye issledovaniya gazovogo i aerozol'nogo sostava vozduha nad Sibirskim regionom // Optika atmosf. i okeana. 2014. V. 27, N 3. P. 232–239.
28. 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., Nédélec 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 primesei vozduha nad Rossiiskim 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.
29. Glinka N.L. Obshchaya himiya. L.: Himiya, 1985. 702 p.
30. Antohin P.N., Belan B.D. Regulirovanie dinamiki troposfernogo ozona cherez stratosferu // Optika atmosf. i okeana. 2012. V. 25, N 10. P. 890–895.
31. Cao L., Li S., Gu Y. Luo Y. A three-dimensional simulation and process analysis of tropospheric ozone depletion events (ODEs) during the springtime in the Arctic using CMAQ (Community Multiscale Air Quality Modeling System) // Atmos. Chem. Phys. 2023. V. 23, N 5. P. 3363–3382.
32. Davydov D.K., Belan B.D., Antohin P.N., Antohina O.Yu., Antonovich V.V., Arshinova V.G., Arshinov M.Yu., Ahlestin A.Yu., Belan S.B., Dudorova N.V., Ivlev G.A., Kozlov A.V., Pestunov D.A., Rasskazchikova T.M., Savkin D.E., Simonenkov D.V., Sklyadneva T.K., Tolmachev G.N., Fazliev A.Z., Fofonov A.V. Monitoring atmosfernyh parametrov: 25 let TOR-stantsii IOA SO RAN // Optika atmosf. i okeana. 2018. V. 31, N 10. P. 845–853; Davydov D.K., Belan B.D., Antokhin P.N., Antokhina O.Yu., Antonovich V.V., Arshinova V.G., Arshinov M.Yu., Akhlestin A.Yu., Belan S.B., Dudorova N.V., Ivlev G.A., Kozlov A.V., Pestunov D.A., Rasskazchikova T.M., Savkin D.E., Simonenkov D.V., Sklyadneva T.K., Tolmachev G.N., Fazliev A.Z., Fofonov A.V. Monitoring of atmospheric parameters: 25 years of the Tropospheric Ozone Research Station of the Institute of Atmospheric Optics, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences // Atmos. Ocean. Opt. 2019. V. 32, N 2. P. 180–192.
33. Shtabkin Yu.A., Moiseenko K.B., Skorohod A.I., Vasil'eva A.V., Haimann M. Istochniki i variatsii troposfernogo SO v TSentral'noi Sibiri: chislennye eksperimenty i nablyudeniya na vysotnoi machte v ZOTTO // Izv. RAN. Fiz. atmos. i okeana. 2016. V. 52, N 1. P. 51–63.
34. Ustinov V.P., Baranova E.L., Visheratin K.N., Grachev M.I., Kal'sin A.V. Variatsii okisi ugleroda v atmosfere Antarktidy po dannym nazemnyh i sputnikovyh izmerenii // Issled. Zemli iz kosmosa. 2019. N 2. P. 97–100.
35. Seinfeld J.H., Pandis S.N. Chemistry and Physics: From air Pollution to Climate Change. New Jersey: Wiley, 2006. 1190 p.
36. Lefohn A.S., Husar J.D., Husar R.B. Estimating historical anthropogenic global sulfur emission patterns for the period 1850–1990 // Atmos. Environ. 1999. V. 33, N 21. P. 3435–3444.
37. Galloway J.N., Winiwarter W., Leip A., Leach A.M., Bleeker A., Erisman J.W. Nitrogen footprints: Past, present and future // Environ. Res. Lett. 2014. V. 9115003. P. 11.
38. Olson J.R., Crawford J.H., Brune B., Mao J., Ren X., Fried A., Anderson B., Apel E., Beaver M., Blake D., Chen G., Crounse J., Dibb J., Diskin G., Hall S.R., Huey L.G., Knapp D., Richter D., Riemer D., Clair J.St., Ullmann K., Walega J., Weibring P., Weinheimer A., Wennberg P., Wisthaler A. An analysis of fast photochemistry over high northern latitudes during spring and summer using in-situ observations from ARCTAS and TOPSE // Atmos. Chem. Phys. 2012. V. 12, N 15. P. 6799–6825.
39. Ianniello A., Salzano R., Salvatori R., Esposito G., Spataro F., Montagnoli M., Mabilia R., Pasini A. Nitrogen oxides (NO_x) in the Arctic troposphere at Ny-Ålesund (Svalbard Islands): Effects of anthropogenic pollution sources // Atmosphere. 2021. V. 12, N 7. P. 901.
40. Shah V., Jacob D.J., Dang R., Lamsal L.N., Strode S.A., Steenrod S.D., Boersma K.F., Eastham S.D., Fritz T.M., Thompson Ch., Peischl J., Bourgeois I., Pollack I.B., Nault B.A., Cohen R.C., Campuzano-Jost P., Jimenez J.L., Andersen S.T., Carpenter L.J., Sherwen T., Evans M.J. Nitrogen oxides in the free troposphere: Implications for tropospheric oxidants and the interpretation of satellite NO₂ measurements // Atmos. Chem. Phys. 2023. V. 23, N 2. P. 1227–1257.
41. Lamsal L.N., Janz S.J., Krotkov N.A., Pickering K.E., Spurr R.J.D, Kowalewski M.G., Loughner C.P., Crawford J.H., Swartz W.H., Herman J.R. High-resolution NO₂ observations from the Airborne Compact Atmospheric Mapper: Retrieval and validation // J. Geophys. Res.: Atmos. 2017. V. 122, N 3. P. 1953–1970.
42. Tu F.H., Thornton D.C., Bandy A.R., Carmichael G.R., Tang Y., Thornhill K.L., Sachse G.W., Blake D.R. Long-range transport of sulfur dioxide in the central Pacific // J. Geophys. Res. 2004. V. 109. D15S08.
43. Can Li, Stehr J.W., Marufu L.T., Li Z., Dickerson R.R. Aircraft measurements of SO₂ and aerosols over northeastern China: Vertical profiles and the influence of weather on air quality // Atmos. Environ. 2012. V. 62. P. 492–501.
44. Belan B.D., Sklyadneva T.K. Troposfernyi ozon. 4. Fotohimicheskoe obrazovanie troposfernogo ozona: rol' solnechnoi radiatsii // Optika atmosf. i okeana. 2008. V. 21, N 10. P. 858–868.
45. Whaley C.H., Law K.S., Hjorth J.L., Skov H., Arnold S.R., Langner J., Pernov J.B., Bergeron G., Bourgeois I., Christensen J.H., Chien R.-Y., Deushi M., Dong X., Effertz P., Faluvegi G., Flanner M., Fu J.S., Gauss M., Huey G., Im U., Kivi R., Marelle L., Onishi T., Oshima N., Petropavlovskikh I., Peischl J., Plummer D.A., Pozzoli L., Raut J.-C., Ryerson T., Skeie R., Solberg S., Thomas M.A., Thompson C., Tsigaridis K., Tsyro S., Turnock S.T., von Salzen K., Tarasick D.W. Arctic tropospheric ozone: Assessment of current knowledge and model performance // Atmos. Chem. Phys. 2023. V. 23, N 1. P. 637–661.
46. Dekhtyareva A., Hermanson M., Nikulina A., Hermansen O., Svendby T., Holmén K., Graversen R.G. Springtime nitrogen oxides and tropospheric ozone in Svalbard: Results from the measurement station network // Atmos. Chem. Phys. 2022. V. 22, N 17. P. 11631–11656.