Characteristics of aerosol at the research base “Ice Cape Baranova” in 2018–2023

Atmospheric aerosol plays an important role in the processes of radiative transfers and mass exchange by different substances in the “continent–atmosphere–ocean” system. In this paper we discuss the results of a five-year measurement cycle of the atmospheric aerosol characteristics at the polar station “Ice base Cape Baranov”, located on the Bolshevik Island (the Severnaya Zemlya Archipelago). The set of the characteristics analyzed includes: the aerosol optical depth (AOD) of the atmosphere; the ground concentration of aerosol particles in the radius range of 0.15^–5 microns; the content of the absorbing substance (soot) in the aerosol in the equivalent of elemental black carbon. The average values of the aerosol characteristics for the general measurement period (from April 2018 to May 2023) were: volumes of submicron and coarse aerosol particles 0.43 and 0.46 μm³/cm³, respectively; mass concentration of black carbon — 45.8 ng/m³; AOT of the atmosphere at a wavelength of 0.5 µm — 0.08; Angstrom selectivity exponent — 1.67. The average annual variation of aerosol and black carbon concentrations is characterized by a maximum in winter (January–March) and a minimum in summer (June–August). A comparison is made against the data from analogous measurements of aerosol characteristics at the polar station in Barentsburg (the Spitsbergen Archipelago) and against the data from model calculations, i. e., MERRA-2 reanalysis. A distinctive feature of the data in the Cape Baranov area is the low content of coarse aerosol — 1.7 less than in Barentsburg. There is agreement with the annual variation of black carbon concentrations at other polar stations, but the opposite nature of the seasonal variability of model (MERRA-2) concentrations: low values in winter and high values in summer. It is shown that the average spectral AODs of the atmosphere at the “Cape Baranov” are intermediate values between the data from polar stations in NyÅlesund and Barentsburg.

1. Kondratyev K.Ya., Ivlev L.S., Krapivin V.F., Varotsos C.A. Atmospheric aerosol properties, formation processes, and impacts: from nano- to global scales. Chichester: Springer/PRAXIS; 2006. 512 p.

2. 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., Gal 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., Kollner 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., vonSalzenK., Wentzell J.J.B., Willis M.D., Wentworth G.R., Xu J.-W., Yakobi-Hancock J.D. Overviewpaper: NewinsightsintoaerosolandclimateintheArctic. Atmos. Chem. Phys. 2019; 19: 2527–2560.

3. Лисицын А.П. Современные представления об осадкообразовании в океанах и морях. Океан как природный самописец взаимодействия геосфер Земли. Мировой океан. Т. 2. Физика, химия, и биология океана. Осадкообразование в океане и взаимодействие геосфер Земли. М.: Научный мир; 2014. C. 337–351.

4. Бартенева О.Д., Никитинская Н.И., Сакунов Г.Г., Веселова Л.К. Прозрачность толщи атмосферы в видимой и ближней ИК-области спектра. Л.: Гидрометеоиздат; 1991. 224 с.

5. Springer Polar Sciences series. Cham: Springer; 2020. https://doi.org/10.1007/978-3-030-33566-3

6. Stohl A. Characteristics of atmospheric transport into the Arctic troposphere. J. Geophys.Res. 2006; 111(D11306). https://doi.org/10.1029/2005JD006888

7. Wang Q., Jacob D.J., Fisher J.A., Mao J., Leibensperger E.M., Carouge C.C., Le Sager P., Kondo Y., Jimenez J.L., Cubison M.J., Doherty S.J. Sources of carbonaceous aerosols and deposited black carbon in the Arctic in winter-spring: implications for radiative forcing. Atmos. Chem. Phys. 2011; 11: 12453–12473. https://doi.org/10.5194/acp-11-12453-2011

8. Виноградова А.А., Пономарева Т.Я. Атмосферный перенос антропогенных примесей в арктические районы России (1986-2010). Оптика атмосферы и океана. 2012;25(6):475–483. Vinogradova A.A., Ponomareva T.Ya. Atmospheric transport of anthropogenic impurities to the Russian Arctic (1986–2010).AtmosphericandOceanicOptics. 2012;25(6): 414–422. https://doi.org/10.1134/S1024856012060127

9. 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; 13: 8833–8855. https://doi.org/10.5194/acp-13-8833-2013

10. Кабанов Д.М., Масловский А.С., Радионов В.Ф., Сакерин С.М., Чернов Д.Г., Cидорова О.Р. Сезонная и межгодовая характеристик аэрозоля по данным многолетних (2011–2021 гг.) измерений в Российском научном центре на архипелаге Шпицберген. Оптика атмосферы и океана. 2023; 36(6): 433–442. https://doi.org/10.15372/AOO20230602 Kabanov D.M., Maslovsky A.S., Radionov V.F., Sakerin S.M., Sidorova O.R., Chernov D.G. Seasonal and interannual variability of aerosol characteristics according to the data of long-term (2011–2021) measurements at the Russian Scientific Center on the Spitzbergen Archipelago. AtmosphericandOceanicOptics. 2023; 36(6): 433–442. (InRuss.) https://doi.org/10.15372/AOO20230602

11. 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;16:1271–1287. https://doi.org/10.5194/acp-16-1271-2016

12. Сакерин С.М., Голобокова Л.П., Кабанов Д.М., Калашникова Д.А., Козлов В.С., Круглинский И.А., Макаров В.И., Макштас А.П., Попова С.А., Радионов В.Ф., Симонова Г.В., Турчинович Ю.С., Ходжер Т.В., Хуриганова О.И., Чанкина О.В., Чернов Д.Г. Результаты измерений физико-химических характеристик атмосферного аэрозоля на «Ледовой базе Мыс Баранова» в 2018 г. Оптика атмосферы и океана. 2019; 32(6): 421–429. https://doi.org/10.15372/AOO20190601 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., and Chernov D.G. Measurements of physicochemical characteristics of atmospheric aerosol at research station Ice Base Cape Baranov in 2018. AtmosphericandOceanicOptics. 2019; 32(5): 511–520. https://doi.org/10.1134/S1024856019050130

13. Xing J., Bian L., Hu Q., Yu J., Sun C., and Xie Z. Atmospheric black carbon along a cruise path through the Arctic Ocean during the Fifth Chinese Arctic Research Expedition. Atmosphere. 2014;5:292–306. https://doi.org/10.3390/atmos5020292

14. Шевченко В.П., Копейкин В.М., Новигатский А.Н., Малафеев Г.В. Черный углерод в приводном слое атмосферы над Северной Атлантикой и морями Российской Арктики в июле-сентябре 2017 г. Океанология. 2019; 59(5): 771–776. https://doi.org 10.31857/S0030-1574595771-776

15. Shevchenko V.P., Kopeikin V.M., Novigatsky A.N., Malafeev G.V. Black carbon in the atmospheric boundary layer over the North Atlantic and the Russian Arctic seas in June–September 2017. Oceanology. 2019;59(5):692–696. https://doi.org/10.1134/S0001437019050199

16. 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; 11(11): 1170. https://doi.org/10.3390/atmos11111170

17. Антохина О.Ю., Антохин П.Н., Аршинова В.Г., Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Белан С.Б., Давыдов Д.К., Ивлев Г.А., Козлов А.В., NedelecPh., Paris J.-D., Рассказчикова Т.М., Савкин Д.Е., Симоненков Д.В., Скляднева Т.К., Толмачев Г.Н., Фофонов А.В. Вертикальное распределение газовых и аэрозольных примесей воздуха над российским сектором Арктики. Оптика атмосферы и океана. 2017; 30(12): 1043–1052. https://doi.org/10.15372/AOO20171207 AntokhinaO.Yu., Antokhin P.N., Arshinova V.G., ArshinovM.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. andFofonov A.V. VerticaldistributionsofgaseousandaerosoladmixturesinairovertheRussianArctic. AtmosphericandOceanicOptics. 2018; 31(3): 300–310. https://doi.org/10.1134/S1024856019010020

18. Зенкова П.Н., Чернов Д.Г., Шмаргунов В.П., Панченко М.В., Белан Б.Д. Субмикронный аэрозоль и поглощающее вещество в тропосфере российского сектора Арктики по данным измерений самолета-лаборатории Ту-134 «Оптик» в 2020 г. Оптика атмосферы и океана. 2021; 34(11): 882–890. https://doi.org/10.15372/AOO20211108 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 sector of the Arctic according to measurements onboard the Tu-134 Optik Aircraft Laboratory in 2020. AtmosphericandOceanicOptics. 2022; 35(1): 43–51. https://doi.org/10.1134/S1024856022010146

19. Виноградова А. А., Иванова Ю. А. Атмосферный перенос черного углерода в Российскую Арктику от различных источников (зима и лето 2000–2016 гг.). Оптика атмосферы и океана. 2023; 36(6): 425–432. https://doi.org/10.15372/AOO20230601 Vinogradova A.A., Ivanova Yu.À. Atmospheric transport of black carbon to the Russian Arctic from different sources: winter and summer 2000–2016. AtmosphericandOceanicOptics. 2023; 36(6): 425–432. (InRuss.) https://doi.org/10.15372/AOO20230601

20. Виноградова А.А., Васильев А.В., Иванова Ю.А. Загрязнение воздуха черным углеродом в районе о-ва Врангеля: сравнение источников и вкладов территорий Евразии и Северной Америки. Оптика атмосферы и океана. 2020; 33(12): 907–912. https://doi.org/10.15372/AOO20201201 Vinogradova A.A., Vasileva A.V., Ivanova Yu.A. Air pollution by black carbon in the region of Wrangel Island: comparison of Eurasian and American sources and their contributions. AtmosphericandOceanicOptics. 2021; 34(2): 97–103. https://doi.org/10.1134/S1024856021020111

21. Счетчик аэрозольных частиц АЗ-10-0. URL: https://eco-intech.com/product/schetchik-chastitsaz-10/ (дата обращения: 06.05.2022) AZ-10-0 aerosol particle counter. Available at: https://eco-intech.com/product/schetchik-chastitsaz-10/ (accessed 06.05.2022). (InRuss.)

22. Kozlov V.S., Shmargunov V.P., Panchenko M.V. Modified aethalometer for monitoring of black carbon concentration in atmospheric aerosol and technique for correction of the spot loading effect. Proc. SPIE, 22nd InternationalSymposiumAtmosphericandOceanOptics: AtmosphericPhysics. 2016; 1003530. https://doi.org/10.1117/12.2248009

23. Сакерин С.М., Кабанов Д.М., Ростов А.П., Турчинович С.А., Князев В.В. Солнечные фотометры для измерений спектральной прозрачности атмосферы в стационарных и мобильных условиях. Оптика атмосферы и океана. 2012; 25(12): 1112–1117. Sakerin S.M., Kabanov D.M., Rostov A.P., Turchinovich S.A., Knyazev V.V. Sun photometers for measuring spectral air transparency in stationary and mobile conditions. Atmospheric and Oceanic Optics. 2013; 26(4): 352–356. https://doi.org/10.1134/S102485601304012X