Vol. 38, issue 09, article # 5

Abstract:

We discuss the results of aerosol studies during high-latitude (81–88.5° N) expedition “North Pole-41” in the Arctic Ocean. The average mass concentrations of black carbon (еВС) in the surface atmospheric layer over 20 months of measurements were 19 ng/m³; volume concentrations of submicron (V_f) and coarse (V_с) aerosol were 0.41 and 0.65 μm³/cm³, respectively. The average aerosol optical depth of the atmosphere at a wavelength of 0.5 mm and the Ångström exponent in the spring periods of 2023 and 2024 were 0.095 and 1.52, respectively. The seasonal variations in the aerosol and black carbon concentrations were well manifested in high-latitude (near-pole) part of the Arctic Ocean. The concentrations were maximal in spring (еВС = 29 ng/m³, V_f = 0.61 μm³/cm³, V_c = 0.77 μm³/cm³) and minimal in June – October (еВС = 11 ng/m³, V_f = 0.13 μm³/cm³, V_c = 0.26 μm³/cm³). The average aerosol characteristics measured in near-pole zone are several-fold lower than the long-term data in more southern regions of the ocean and at polar stations (Barentsburg and “Cape Baranov”).

Keywords:

Arctic Ocean, drifting expedition, aerosol, black carbon, aerosol optical depth

Figures:

References:

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/PRAXI, 2006. 572 p.
2. Duce R.A., Liss P.S., Merrill J.T., Atlas E.L., Buat-Menard P., Hicks B.B., Miller J.M., Prospero J.M., Arimoto R., Church T.M., Ellis W., Galloway J.N., Hansen L., Jickells T.D., Knap A.H., Reinhardt K.H., Schneider B., Soudine A., Tokos J.J., Tsunogai S., Wollast R., Zhou M. The atmospheric input of trace species to the world ocean // Glob. Biogeochem. Cycl. 1991. V. 5, N 3. P. 193–259. DOI: 10.1029/91GB01778.
3. Lisitsyn A.P. Sovremennye predstavleniya ob osadkoobrazovanii v okeanakh i moryakh. Okean kak prirodnyi samopisets vzaimodeistviya geosfer Zemli // Mirovoi okean. V. 2. Fizika, khimiya, i biologiya okeana. Osadkoobrazovanie v okeane i vzaimodeistvie geosfer Zemli. M.: Nauchnyi mir, 2014. P. 331–571.
4. 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., 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. DOI: 10.5194/acp-19-2527-2019.
5. Shevchenko V.P. Vliyanie aerozolei na sredu i morskoe osadkonakoplenie v Arktike. M.: Nauka, 2006. 226 p.
6. Sharma S., Barrie L.A., Magnusson E., Brattström G., Leaitch W.R., Steffen A., Landsberger S. A factor and trends analysis of multidecadal lower tropospheric observations of Arctic aerosol composition, black carbon, ozone, and mercury at Alert, Canada // J. Geophys. Res.: Atmos. 2019. V. 124, N 14. P. 14,133–14,161. DOI: 10.1029/2019JD030844.
7. Shaw G.E. Atmospheric turbidity in the polar regions // J. Appl. Meteorol. 1982. V. 21, N 8. P. 1080–1088. DOI: 10.1175/1520-0450(1982)021<1080:ATITPR>2.0.CO;2.
8. Barteneva O.D., Nikitinskaya N.I., Sakunov G.G., Veselova L.K. Prozrachnost' tolshchi atmosfery v vidimoi i blizhnei IK-oblasti spektra. L.: Gidrometeoizdat, 1991. 224 p.
9. Quinn P.K., Shaw G., Andrews E., Dutton E.G., Ruoho-Airola T., Gong S.L. Arctic haze: Current trends and knowledge gaps // Tellus. 2007. V. 59B. P. 99–114. DOI: 10.1111/j.1600-0889.2006.00236.x.
10. Arnold S.R., Law K.S., Brock C.A., Thomas J.L., Starkweather S., von Salzen K., Stohl A., Sharma S., Lund M., Flanner M.G., Petäjä T., Tanimoto H., Gamble J., Dibb J.E., Melamed M., Johnson N., Fidel M., Tynkkynen V.-P., Baklanov A., Bozem H. Arctic air pollution: Challenges and opportunities for the next decade // Elementa: Sci. Anthropocene. 2016. V. 4. DOI: 10.12952/journal.elementa.000104.
11. Physics and Chemistry of the Arctic Atmosphere / Al. Kokhanovsky, C. Tomasi (eds.). Springer, 2020. 717 p. DOI: 10.1007/978-3-030-33566-3.
12. Breider T.J., Mickley L.J., Jacob D.J., Wang Q., Fisher J.A., Chang R.Y.-W., Alexander B. Annual distributions and sources of Arctic aerosol components, aerosol optical depth, and aerosol absorption // J. Geophys. Res.: Atmos. 2014. V. 119. P. 4107–4124. DOI: 10.1002/2013JD020996.
13. Schmale J., Sharma S., Decesari S., Pernov J., Massling A., Hansson H.-C., von Salzen K., Skov H., Andrews E., Quinn P.K., Upchurch L.M., Eleftheriadis K., Traversi R., Gilardoni S., Mazzola M., Laing J., Hopke P. Pan-Arctic seasonal cycles and long-term trends of aerosol properties from 10 observatories // Atmos. Chem. Phys. 2022. V. 22. P. 3067–3096. DOI: 10.5194/acp-22-3067-2022.
14. 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. DOI: 10.5194/acp-16-1271-2016.
15. Sakerin S.M., Chernov D.G., Kabanov D.M., Kozlov V.S., Panchenko M.V., Pol'kin V.V., Radionov V.F. Predvaritel'nye rezul'taty issledovanii aerozol'nykh kharakteristik atmosfery v raione Barentsburga (Shpitsbergen) // Problemy Arktiki i Antarktiki. 2012. V. 91, N 1. P. 20–31.
16. Kabanov D.M., Maslovsky A.S., Radionov V.F., Sakerin S.M., Sidorova O.R., Chernov D.G. Sezonnaya i mezhgodovaya izmenchivost' kharakteristik aerozolya po dannym mnogoletnikh (2011–2021 years) izmerenii v Rossiiskom nauchnom tsentre na arkhipelage SHpitsbergen // Optika atmosf. i okeana. 2023. V. 36, N 6. P. 433–442. DOI: 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 // Atmos. Ocean. Opt. 2023. V. 36, N 6. P. 645–654.
17. Sakerin S.M., Kabanov D.M., Loskutova M.A., Rize D.D., Chernov D.G., Turchinovich Yu.S. Kharakteristiki aerozolya na nauchno-issledovatel'skom statsionare «Ledovaya baza Mys Baranova» v 2018–2023 years // Problemy Arktiki i Antarktiki. 2023. V.  69, N 4. P.  421–434. DOI: 10.30758/0555-2648-2023-69-4-421-434.
18. Popovicheva O.B., Chichaeva M.A., Kobelev V.O., Kasimov N.S. Regional'nye istochniki zagryazneniya atmosfery Arktiki chernym uglerodom po dannym izmerenii na ostrove Belyi // Optika atmosf. i okeana. 2022. V. 35, N 12. P. 1043–1050. DOI: 10.15372/AOO20221212; Popovicheva O.B., Chichaeva M.A., Kobelev V.O., Kasimov N.S. Black carbon seasonal trends and regional sources on Bely Island (Arctic) // Atmos. Ocean. Opt. 2023. V. 36, N 2. P. 176–184.
19. Shevchenko V.P., Kopeikin V.M., Novigatskii A.N., Malafeev G.V. Chernyi uglerod v privodnom sloe atmosfery nad Severnoi Atlantikoi i moryami Rossiiskoi Arktiki v july–september 2017 year // Okeanologiya. 2019. V. 59, N 5. P. 771–776. DOI: 10.31857/S0030-1574595771-776.
20. Sakerin S.M., Kabanov D.M., Kruglinsky I.A., Pol’kin V.V., Pochufarov A.O. Osobennosti prostranstvennogo raspredeleniya atmosfernogo aerozolya v Evraziiskom sektore Severnogo Ledovitogo okeana // Optika atmosf. i okeana. 2024. V. 37, N 9. P. 772–778. DOI: 10.15372/AOO20240907; Sakerin S.M., Kabanov D.M., Kruglinsky I.A., Pol’kin V.V., Pochufarov A.O. Features of the spatial distribution of atmospheric aerosol in the Eurasian Sector of the Arctic Ocean // Atmos. Ocean. Opt. 2024. V. 37, N 6. P. 881–889.
21. 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, N 11. P. 1170. DOI: 10.3390/atmos1111170.
22. Vinogradova A.A., Pollisar A.V. Elementnyi sostav aerozolya v atmosfere tsentral'noi chasti Rossiiskoi Arktiki // Izv. RAN. Fiz. atmosf. i okeana. 1995. V. 31, N 2. P. 264–274.
23. Shevchenko V.P., Lisitsin A.P., Vinogradova A.A., Smirnov V.V., Serova V.V., Shtain R. Aerozoli Arktiki – rezul'taty desyatiletnikh issledovanii // Optika atmosf. i okeana. 2000. V. 13, N 6–7. P. 551–576.
24. Bond T.C., Streets D.G., Yarber K.F., Nelson S.M., Woo J.-H., Klimont Z. A technology-based global inventory of black and organic carbon emissions from combustion // J. Geophys. Res. 2004. V. 109. D14203. DOI: 10.1029/2003JD003697.
25. Hirdman D., Sodemann H., Eckhardt S., Burkhart J.F., Jefferson A., Mefford T., Quinn P.K., Sharma S., Ström 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. DOI: 10.5194/acp-10-669-2010.
26. Vinogradova A.A., Ponomareva T.Ya. Atmosfernyi perenos antropogennykh primesei v arkticheskie raiony Rossii (1986–2010 years) // Optika atmosf. i okeana. 2012. V. 25, N 6. P. 475–483; Vinogradova A.A., Ponomareva T.Ya. Atmospheric transport of anthropogenic impurities to the Russian Arctic (1986–2010) // Atmos. Ocean. Opt. 2012. V. 25, N 6. P. 414–422.
27. Vinogradova A.A., Ivanova Yu.A. Atmosfernyi perenos chernogo ugleroda v Rossiiskuyu Arktiku ot razlichnykh istochnikov (winter i summer 2000–2016 years) // Optika atmosf. i okeana. 2023. V. 36, N 6. P. 425–432. DOI: 10.15372/AOO20230601; Vinogradova A.A., Ivanova Yu.A. Atmospheric transport of black carbon to the Russian Arctic from different sources: Winter and summer 2000–2016 // Atmos. Ocean. Opt. 2023. V. 36, N 6. P. 758–766.
28. Shupe M.D., Rex M., Blomquist B., Persson P.O.G., Schmale J., Uttal T., Althausen D., Angot H., Archer S., Bariteau L., Beck I., Bilberry J., Bucci S., Buck C., Boyer M., Brasseur Z., Brooks I.M., Calmer R., Cassano J., Castro V., Chu D., Costa D., Cox C.J., Creamean J., Crewell S., Dahlke S., Damm E., de Boer G., Deckelmann H., Dethloff K., Dütsch M., Ebell K., Ehrlich A., Ellis J., Engelmann R., Fong A.A., Frey M.M., Gallagher M.R., Ganzeveld L., Gradinger R., Graeser J., Greenamyer V., Griesche H., Griffiths S., Hamilton J., Heinemann G., Helmig D., Herber A., Heuzé C., Hofer J., Houchens T., Howard D., Inoue J., Jacobi H.-W., Jaiser R., Jokinen T., Jourdan O., Jozef G., King W., Kirchgaessner A., Klingebiel M., Krassovski M., Krumpen T., Lampert A., Landing W., Laurila T., Lawrence D., Lonardi M., Loose B., Lüpkes C., Maahn M., Macke A., Maslowski W., Marsay C., Maturilli M., Mech M., Morris S., Moser M., Nicolaus M., Ortega P., Osborn J., Pätzold F., Perovich D.K., Petäjä T., Pilz C., Pirazzini R., Posman K., Powers H., Pratt K.A., Preußer A., Quéléver L., Radenz M., Rabe B., Rinke A., Sachs T., Schulz A., Siebert H., Silva T., Solomon A., Sommerfeld A., Spreen G., Stephens M., Stohl A., Svensson G., Uin J., Viegas J., Voigt C., von der Gathen P., Wehner B., Welker J.M., Wendisch M., Werner M., Xie Z.Q., Yue F. Overview of the MOSAiC expedition // Elementa: Sci. Anthropocene. 2022. V. 10, N 1. DOI: 10.1525/elementa.2021.00060.
29. 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. 2016. V. 10035, N 1003530. DOI: 10.1117/12.2248009.
30. Turchinovich Yu.S., Pochufarov A.O., Sakerin S.M. Algorithm of controlling the quality and retrieval of data from measurements of aerosol and black carbon concentrations in marine expeditions // Proc. SPIE. 2021. V. 11916, N 119161U. DOI: 10.1117/12.2600591.
31. Shaw G.E. The Arctic haze phenomenon // Bull. Am. Meteor. Soc. 1995. V. 76. P. 2403–2414. DOI: 10.1175/1520–0477076<2403:TAHP>2.0.CO;2.