Vol. 37, issue 10, article # 2

Abstract:

In the Arctic, climate warming is occurring several times faster than in other regions of the globe. This сan be the result of strengthening feedbacks between climate and atmospheric composition. However, there are very few data on changes in the concentration of climatically active substances in this region. Therefore, to fill the gap in data on the vertical distribution of gas and aerosol composition of the air over the Russian Arctic, an airborne survey of the atmosphere and water surface over the all Russian seas of the Arctic Ocean was performed with use of the Tu-134 Optik aircraft laboratory in September 2020. This paper analyzes the spatial distribution of gas and aerosol composition in the Arctic troposphere. It is shown that during the experiment, the CO₂ mixing ratio changed from west to east in the opposite direction in the near-water and boundary layers compared to the free troposphere (FT), namely, it was increasing in the planetary boudary layer (PBL) and was decreasing in the FT. The methane content in the near-water layer decreased in the same direction. Concentrations of CO, NO_X, and SO₂ in the Russian Arctic were very low, which is typical for remote background areas. All aerosol fractions also showed a decrease in their content from west to east.

Keywords:

Arctic, atmosphere, aerosol, vertical distribution, sulfur dioxide, methan, ozone, nitrogen oxides, carbon oxides, transport, composit

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. England: Cambridge University Press, 2021. P. 1–41.
2. 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. Art. N 168. DOI: 10.1038/s43247-022-00498-3.
3. 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. DOI: 10.1175/BAMSStateoftheclimate.1.
4. 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: A rewiew of first results and prospects of the (AC)³ project // Bull. Am. Meteorol. Soc. 2023. V. 104, N 1. P. E208–E242. DOI: 10.1175/BAMS-D-21-0218.1.
5. 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. 286–289. DOI: 10.1038/nclimate2880.
6. 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. DOI: 10.5194/bg-15-3331-2018.
7. 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. DOI: 10.1029/2018RG000602.
8. 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 // Biology, Controls and Model Tree Volatile Organic Compound Emissions / U. Niinemets, R.K. Monson (eds.). Dordrecht: Springer, 2010. P. 489–508.
9. Ivakhov 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 stantsiyakh Tiksi i Mys Baranova v 2010–2017 years // Meteorol. i gidrol. 2019. N 4. P. 110–121.
10. Nagurnyi A.P. Analiz dannykh izmerenii kontsentratsii dioksida ugleroda v prilednom sloe atmosfery na ledovoi dreifuyushchei stantsii «Severnyi Polyus-35» (2007–2008 years) // Meteorol. i gidrol. 2010. N 9. P. 55–61.
11. Pankratova N., Skorokhod A., Belikov I., Belousov V., Muravya V., Flint M. Ship-borne observations of atmospheric CH₄ and d¹³C isotope signature in methane over Arctic seas in summer and autumn 2021 // Atmosphere. 2022. V. 13, N 3. P. 458. DOI: 10.3390/atmos13030458.
12. Klepikov A.V. Rossiiskie issledovaniya v oblasti polyarnoi meteorologii v 2019–2022 years // Izv. RAN. Fiz. atmosf. i okeana. 2023. V. 59, N 7. PС. 915–929.
13. Kylling A., Zwaaftink G.C.D., Stohl A. Mineral dust instantaneous radiative forcing in the Arctic // Geophys. Res. Lett. 2018. V. 45, N 9. P. 4290–4298. DOI: 10.1029/2018GL077346.
14. Zhuravleva T.B., Panchenko M.V., Kozlov V.S., Nasrtdinov I.M., Pol’kin V.V., Terpugova S.A., Chernov D.G. Model'nye otsenki dinamiki vertikal'noi struktury pogloshcheniya solnechnogo izlucheniya i temperaturnykh effektov v fonovykh usloviyakh i ekstremal'no zadymlennoi atmosfere po dannym samoletnykh nablyudenii // Optika atmosf. i okeana. 2017. V. 30, N 10. P. 834–839. DOI: 10.15372/AOO20171004; Zhuravleva T.B., Panchenko M.V., Kozlov V.S., Nasrtdinov I.M., Pol’kin V.V., Terpugova S.A., Chernov D.G. Model estimates of dynamics of the vertical structure of solar absorption and temperature effects under background conditions and in extremely smoke-laden atmosphere according to data of aircraft observations // Atmos. Ocean. Opt. 2018. V. 31, N 1. P. 24–30.
15. Burrows J.P., Martin R. Satellite observations of tropospheric trace gases and aerosols. Introduction // IGAC Newsletter. 2007. N 35. P. 2–7.
16. Tollefson J. Carbon-sensing satellite system faces high hurdles // Nature. 2016. V. 533, N 7604. P. 446–447.
17. Popkin G. Commercial space sensors go high-tech // Nature. 2017. V. 545, N 7655. P. 397–398.
18. Costantino L., Cuesta J., Emili E., Coman A., Foret G., Dufour G., Eremenko M., Chailleux Y., Beekmann M., Flaud J.-M. Potential of multispectral synergism for observing ozone pollution by combining IASI-NG and UVNS measurements from the EPS-SG satellite // Atmos. Meas. Tech. 2017. V. 10, N 4. P. 1281–1298. DOI: 10.5194/amt-10-1281-2017.
19. Wendisch M., Brenguier J.-L. (eds.). Airborne Measurements foe Environmental Research. Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2013. 655 p.
20. 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., Sav-kin 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. DOI: 10.5194/amt-15-3941-2022.
21. Antokhina O.Yu., Antokhin 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., Rasskazchikova T.M., Paris J.-D., Savkin D.E., Simonenkov D.V., Sklyadneva T.K., Tolmachev G.N., Fofonov A.V. Sostav vozdukha nad Rossiiskim sektorom Arktiki. 1. Metan // Optika atmosf. i okeana. 2023. V. 36, N 2. P. 100–110. DOI: 10.15372/AOO20230204; Antokhina O.Yu., Antokhin 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., 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. DOI: 10.1134/S1024856023050032.
22. Antokhina O.Yu., Antokhin P.N., Arshinova V.G., Arshinov M.Yu., Ancellet G., Belan B.D., Belan S.B., Guruleva 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. Sostav vozdukha nad Rossiiskim sektorom Arktiki. 2. Uglekislyi gaz // Optika atmosf. i okeana. 2023. V. 36, N 4. P. 280–288. DOI: 10.15372/AOO20230404; Antokhina O.Yu., Antokhin P.N., Arshinova V.G., Arshinov M.Yu., Ancellet G., Belan B.D., Belan S.B., Guruleva 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.
23. Antokhina O.Yu., Antokhin P.N., Arshinova V.G., Arshinov M.Yu., Ancellet G., Belan B.D., Belan S.B., 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. Sostav vozdukha nad Rossiiskim sektorom Arktiki. 3. Malye gazovye sostavlyayushchie atmosfery // Optika atmosf. i okeanaна. 2023. V. 36, N 11. P. 895–903. DOI: 10.15372/AOO20231104; Antokhina O.Yu., Antokhin P.N., Arshinova V.G., Arshinov M.Yu., Ancellet G., Belan B.D., Belan S.B., 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: 3 – Trace gases // Atmos. Ocean. Opt. 2024. V. 37, N 1. P. 31–47.
24. Antokhina O.Yu., Antokhin P.N., Arshinova V.G., Arshinov M.Yu., Belan B.D., Belan S.B., Berdashkinova O.I., Golobokova L.P., Davydov D.K., Ivlev G.A., Kozlov A.V., Onishchuk N.A., Rasskazchikova T.M., Savkin D.E., Simonenkov D.V., Sklyadneva T.K., Tolmachev G.N., Fofonov A.V., Khodzher T.V. Sostav vozdukha nad Rossiiskim sektorom Arktiki v september 2020 year. 4. Атмосферный аэрозоль // Optika atmosf. i okeana. 2024. V. 37, N 3. P. 214–224. DOI: 10.15372/AOO20240305.
25. Deutsch C.V., Journel A.G. GSLIB – Geostatistical Software Library and User’s Guide. New York: Oxford University Press, 1992. 338 p.
26. van Marle M.J.E., van Wees D., Houghton R.A., Field R.D., Verbesselt J., van der Werf G.R. New land-use-change emissions indicate a declining CO₂ airborne fraction // Nature. 2022. V. 603, N 7901. P. 450–454. DOI: 10.1038/s41586-023-06605-4.
27. Glinka N.L. Obshchaya khimiya. L.: Khimiya, 1985. 702 p.
28. Boscolo-Galazzo F., Crichton K.A., Barker S., Pearson P.N. Temperature dependency of metabolic rates in the upper ocean: A positive feedback to global climate change? // Glob. Planet. Change. 2018. V. 170, N 11. P. 201–212. DOI: 10.1016/j.gloplacha.2018.08.017.
29. Yurganov L., Carroll D., Pnyushkov A., Polyakov I., Zhang H. Ocean stratification and sea–ice cover in Barents and Kara seas modulate sea–air methane flux: Satellite data // Adv. Polar Sci. 2021. V. 32, N 2. P. 118–140. DOI: 10.13679/j.advps.2021.0006.
30. Seinfeld J.H., Pandis S.N. Chemistry and Physics: From air Pollution to Climate Change. New Jersey: Wiley, 2006. 1190 p.
31. 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. DOI: 10.5194/acp-22-11631-2022.
32. Belan B.D. Ozon v troposfere. Tomsk: Izd-vo IOA SO RAN, 2010. 488 p.
33. 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. DOI: 10.5194/acp-23-3363-2023.
34. Fan S.-M., Jacob D. Surface ozone depletion in Arctic spring sustained by bromine reactions on aerosols // Nature. 1992. V. 359, N 6395. P. 522–524. DOI: 10.1038/359522a0.
35. Sakerin S.M., Zenkova P.N., Kabanov D.M., Kalashnikova D.A., Lisitzin A.P., Makarov V.I., Polkin V.V., Popova S.A., Simonova G.V., Chankina O.V., Shevchenko V.P. Rezul'taty issledovanii fiziko-khimicheskikh kharakteristik atmosfernogo aerozolya v 71-m reise NIS «Akademik Mstislav Keldysh» // Optika atmosf. i okeana. 2020. V. 33, N 5. P. 358–367. DOI: 10.15372/AOO20200505; Sakerin S.M., Zenkova P.N., Kabanov D.M., Kalashnikova D.A., Lisitzin A.P., Makarov V.I., Polkin V.V., Popova S.A., Simonova G.V., Chankina O.V., Shevchenko V.P. Results of studying physicochemical characteristics of atmospheric aerosol in the 71st cruise of RV Akademik Mstislav Keldysh // Atmos. Ocean. Opt. 2020. V. 33, N 5. P. 470–479.
36. 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. Khimicheskii sostav atmosfernogo aerozolya v arkticheskom raione po marshrutam morskikh ekspeditsii 2018–2019 years // Optika atmosf. i okeana. 2020. V. 33, N 6. P. 421–429. DOI: 10.15372/AOO20200601; 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.