Актуальность научной проблемы
Актуальность проблемы связана с тем, что в последние десятилетия в Арктике произошли существенные изменения, связанные с глобальным потеплением и интенсификацией промышленной деятельности. В частности, в результате таяния морских льдов увеличилась площадь открытой воды в Арктике, что, с одной стороны, сделало более привлекательным развитие судоходства и разработку арктического шельфа, но, с другой стороны, изменило условия обмена теплом, массой и количеством движения между Арктическим океаном и атмосферой. Кроме того, таяние многолетней мерзлоты на прилегающей к Арктическому океану суше также изменило условия обмена теплом и массой между атмосферой и подстилающей поверхностью. Увеличение температуры в Арктическом океане может привести к таянию арктических газовых гидратов, в которых содержится огромное количество метана, попадание которого в атмосферу может привести к еще более существенному потеплению, чем из-за роста содержания углекислого газа.
В последние десятилетия в Арктике, как и в Антарктике, регулярно (в конце зимы, весной) наблюдаются аномалии в содержании озона (так называемые «озоновые дыры»), приводящие к значительному увеличению опасной УФ солнечной радиации на поверхности Земли. Так с 1979 года арктические зимы 1995, 1996, 2000, 2005, 2011 и 2016 годов были очень холодными с большими потерями озона, достигающие 25-30 %, но все же значительно меньше, чем потери озона в Антарктике. Признаки настоящей озоновой дыры - значения общего содержания озона (ОСО) ниже 220 е.Д. - появились над Арктикой в марте и апреле 2020 года. В конце зимы и весной 2020 года в полярных районах северного полушария наблюдалась аномалия содержания озона большой амплитуды; минимальные значения ОСО достигали значений менее 220 е.Д. на площадях, достигающих 0.9 миллионов км2. Серьезная потеря озона в Арктике привела к тому, что около 650 миллионов человек и обширные экосистемы подверглись вредному для здоровья и состояния воздействию УФ излучения. Рекордное увеличение УФ-излучения превышало предыдущие измерения более чем на 75 % в течение нескольких дней. Например, среднемесячные значения УФ излучения были на 75% выше нормы в северной Канаде в марте и примерно на 25% выше во всей арктической области. Появление таких озоновых аномалий требует тщательного мониторинга (спутникового и наземного) полярного озона и озоноразрушающих газов высокого пространственного и временного разрешения, совершенствования современных численных моделей и численного моделирования аномального состояния полярной озоносферы. По похожему сценарию разворачивалась, и зима-весна 2024/2025 годов и только внезапное стратосферное потепление в марте 2025 года предотвратило глубокую озоновую аномалию в Северном полушарии.
Для корректного описания тенденций будущих изменений озонового слоя, в том числе с учетом антропогенного воздействия, необходимо изучить природные факторы. Поэтому актуальность обозначенной проблемы также определена необходимостью оценки роли воздействия космической погоды (включающей комплекс явлений, связанных с процессами на Солнце, высыпаниями энергичных частиц и геомагнитными возмущениями) на нижнюю ионосферу и среднюю атмосферу Земли, в том числе на вариации мезосферного озона и его воздействия на климат.
Научная значимость проблемы связана с необходимостью понимания тенденций будущих изменений озонового слоя, причин, вызывающих эти изменения и определением эффективности предпринятых и возможных дополнительных мер по достижению его устойчивости. В 2025 году исполняется 40 лет открытию феномена озоновой дыры, что подчеркивает актуальность проблемы понимания угроз восстановлению и стабилизации озонового слоя, достигнутых с помощью введения ограничений на производство озоноразрушающих субстанций в Монреальском протоколе и дополнениях к нему. Газовый и аэрозольный состав атмосферы в существенной степени определяет погоду, климат и экологическое состояние окружающей среды. Антропогенное влияние на газовый состав атмосферы в последнее столетие существенно возросло, что сказывается на экономике стран, социальных условиях и здоровье человечества (IPCC, 2014). Именно эти последствия указаны как важнейшие в Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации, а также в международных документах ООН и ВМО. Отметим, что климатические изменения происходят особенно интенсивно в северных регионах России (например, скорость роста средней температуры превышает в 3–4 раза темпы глобального потепления).

Цель научного исследования
Основной целью научного исследования является определение возможных причин нестабильности состояния озонового слоя, вызванной процессами, происходящими в различных слоях атмосферы. В 2018 году было показано (Ball et al., 2018), что Монреальский протокол и его поправки не предотвратили истощение озонового слоя в нижней стратосфере тропических и умеренных широт. Эта устойчивая негативная тенденция может быть опасна для будущего восстановления озонового слоя. Проблема состоит в том, что современные химико-климатические модели (ХКМ) не способны объяснить причины этих процессов (например, Barco et al., 2025). Определенное влияние на стабильность озонового слоя оказывает тропосферный озон, а также процессы в верхней атмосфере, тенденции изменений которых еще недостаточно изучены и понятны (Van Malderen et al., 2025). В этом проекте мы предлагаем способствовать прогрессу в этих направлениях, путем исследования трех недавно выявленных и пока не учтенных процессов. Проект также затрагивает сложную междисциплинарную проблему, связанную с открытыми проблемами в солнечно-земной физике, оценкой возможных последствий воздействий космической погоды на среднюю атмосферу - нижнюю ионосферу Земли.

Современное состояние исследований
Озон является одним из важнейших газов в составе земной атмосферы. Несмотря на его невысокие концентрации, озон в стратосфере жизненно важен для биосферы, т. к. он защищает растительный и животный мир (в том числе, человека) от губительного УФ излучения Солнца (WMO, 2022). Вместе с тем озон, находящийся в тропосфере в количестве порядка 10% от содержания озона в вертикальном столбе, входит в список 5 важнейших загрязняющих веществ атмосферы, влияющих на здоровье населения (WHO, 2021). Атмосферный озон остро привлек внимание человечества в связи с обнаружением в 1980-х гг. значительного уменьшения его стратосферного содержания, вплоть до возникновения «озоновых дыр», вызванного антропогенными факторами (WMO, 2022), что привело к развитию различных систем наблюдения за изменениями атмосферного озона. Особую роль в интенсификации исследований озона в последние десятилетия сыграло понимание важности озона как сложного и уникального атмосферного параметра, влияющего на климат, погоду и экологию окружающей среды. В области наук об атмосферной химии активно ведутся работы по анализу тенденций изменения состояния озонового слоя, эффективности действия Монреальского протокола и его дополнений. Обширный обзор о состоянии и тенденциях изменений озонового слоя был представлен в ВМО отчете (WMO, 2022) и обзорной статье (Chipperfield and Bekki, 2024). В этой работе делался вывод о продолжающемся восстановление озонового слоя в результате ограничения эмиссий и возможных будущих угрозах, связанных с массивными лесными пожарами, извержениями вулканов и увеличением концентрации парниковых газов. Важный вывод был сделан о необходимости продолжать наземные и спутниковые измерения и совершенствовать всю иерархию используемых численных моделей. Другими интересными проблемами являются влияние на озон пусков космических ракет (например, Brown et al., 2024), падения спутников и последствия возможного проекта по модификации климата выбросами стратосферного аэрозоля (Tilmes et al., 2022). Современное состояние исследований по заявленным задачам приведено выше. Перечисленными проблемами занимается значительно количество научными групп в Европе, Америке, Китае и Японии. Наиболее заметными конкурентами в области исследований по нашему проекту являются NCAR (USA, обширный ареал исследований с ХКМ WACCM), Канада (Центр климатических исследований, модель ХКМ), Germany (DLR, KIT с моделями EMAC, MESSY and ICONART). В Японии развиваются и активно используются ХКМ MIROC (NIES) and MRI (MRI).
Хотя содержание в атмосфере разрушающих стратосферный озон газов после принятия ряда международных соглашений по их ограничению и запрету уменьшается, эти газы по-прежнему присутствуют в атмосфере, причем, в последние годы, наблюдаются вариации скорости их уменьшения, вызванные как естественными, так и антропогенными причинами (WMO, 2022). Ожидаемое восстановление состояния озонового слоя к значениям до 1980 г. постепенно отодвигается к концу XXI века, при этом в связи с ростом эмиссий парниковых газов, перспективы изменения ОСО в глобальном масштабе до сих пор не ясны (WMO 2022, 2023). Таким образом, мониторинг ОСО остается актуальной задачей, особенно в полярных областях, где, с одной стороны, наблюдается максимальное падение ОСО, существенно различное в разные годы, а с другой стороны, в период полярной ночи и при низком Солнце затруднено использование наиболее широко применяемых методов наблюдения за озоном, основанных на измерениях солнечного излучения.
Для мониторинга атмосферного содержания озона используются различные методы, как контактные, так и дистанционные. Контактные методы отличаются более высокой точностью и наилучшим временным разрешением (напр. Andreev et al., 2023), в то время как методы дистанционные и, особенно спутниковые, обеспечивают глобальный пространственный охват и непрерывность измерений.
Спутниковые методы измерения озона в настоящее время являются в основном пассивными, т. е. используют измерения существующих в природе излучения разной природы. Они подразделяются - на методы (см., например, Timofeev and Nerobelov, 2024; Тимофеев и др., 2025а):
- прозрачности, использующие солнечное излучение, излучения различных звезд и отраженное солнечное излучений от Луны на касательных трассах при восходах и заходах источника излучения за горизонт (например, ACE-FTS (Bernath et al., 2017), GOMOS (Bertaux et al., 1991);
- собственного излучения атмосферы - (MLS (Lee et al., 2005), MIPAS (Glatthor et al., 2006), ИКФС-2 (Головин и др., 2014; Polyakov et al., 2025);
- методы отраженного и рассеянного солнечного излучения (примеры – TROPOMI на борту спутника Sentinel5P (Veefkind et al., 2012), OMI на спутнике Aura (McPeters et al., 2015).
Методы, основанные на измерениях солнечного излучения, не могут применяться в его отсутствии, например, в области полярной ночи. При лимбовых измерениях информация о газовом составе атмосферы может быть получена для слоев выше 5-7 км, т. е. эти методы не позволяют получить информацию о тропосферном содержании озона и, следовательно, об ОСО. Кроме того, лимбовые измерения не позволяют получить данные с удовлетворительными горизонтальным разрешением и локализацией измерений. Таким образом, получить информацию об озоне с широким охватом в полярных областях в период полярной ночи и в близкое к нему время позволяют только методы, основанные на измерении уходящего теплового излучения атмосферы и поверхности, в частности, основанные на спектральных измерениях российского прибора ИКФС-2.
Важным современным дополнением к существующей системе наблюдения ОСО явилось создание высокоэллиптической системы метеорологических спутников, в частности, для мониторинга озоносферы высокого пространственного и временного разрешения в полярных районах (Асмус и др, 2021).
В данном проекте будут использованы измерения российской аппаратуры (Фурьеспектрометр ИКФС-2 (спутники «Метеор-М» №2) и радиометр МСУ-ГС (спутники «Арктика-М»), а также многочисленных приборов международных спутников (OMI, ACE, TROPOMI, IASI, AIRS, MLS и т.д. Использование аппаратуры МСУ-ГС на высокоэллиптических спутниках «Арктика-М» позволит получить уникальные данные о состояние полярной озоносферы с высоким пространственным и временным разрешением (4 км и 15 мин)
Проведенный анализ погрешностей определения ОСО спутниковой аппаратурой МСУ-ГС на основе сравнений наземными и спутниковыми измерениями с известнымипогрешностями показал, что погрешность полярных измерений ОСО прибором составляет 4–8% (по сравнению с величинами аномалий полярных ОСО, достигающих 20–50%.
Данные об ОСО, полученные ранее и планируемые к получению в ходе выполнения данного проекта на основе спектров прибора ИКФС-2 с борта КА серии «Метеор-М» №2, пока что не гармонизированы с всемирной системой мониторинга озона, но после выполнения этой работы они также найдут свое применение в рамках данного проекта и не только в них.
Дистанционные методы помимо спутников также широко применяются на наземных наблюдательных станциях. Распространенные наземные дистанционные методы используют излучение Солнца в УФ, видимом и ИК диапазонах спектра. Методы измерения прошедшего через атмосферу прямого и рассеянного солнечного излучения приборами Добсона и Брюера, российским озонометром М-124, ИК Фурье спектрометрами широко используются для валидации спутниковых методов, как при запуске новых приборов, так и на всем протяжении их работы, в частности для определения дрейфа во временных рядах данных.
Кроме современных спутниковых и наземных систем и методов дистанционного зондирования атмосферы, сегодня, для задач мониторинга содержания озона, активно используют трехмерные численные модели газового и аэрозольного состава атмосферы. С помощью моделей возможно выявить и проанализировать факторы, приводящие к изменению содержания озона в отдельных слоях атмосферы. Так, региональную численную модель прогноза погоды и состава тропосферы и нижней стратосферы высокого пространственного разрешения WRF-Chem (Grell et al., 2005) использовали для оценки обмена озоном между слоями тропосферы и стратосферы (Phoenix et al., 2017; Gamelin et al., 2022). Данная задача может быть рассмотрена не только с точки зрения влияния переноса озона из стратосферы в тропосферу, но и с точки зрения оценки антропогенной активности на газовый состав стратосферы через эмиссии прекурсоров озона, озоноразрушающих и парниковых газов. В этом плане использование региональных моделей высокого пространственного разрешения (десятки км и менее) позволит учитывать неоднородное пространственное распределение источников прекурсоров озона на поверхности Земли, а также более точно описывать турбулентное перемешивание в пограничном слое атмосферы. Кроме того, развивается направление по объединению региональных численных моделей с глобальными химико-климатическими моделями. Например, региональная модель прогноза погоды WRF объединена с глобальной моделью GEOS-Chem (WRF-GC) (Feng et al., 2021). C помощью модели WRF-GC возможно описывать содержание озона не только в тропосфере, но и в стратосфере на региональном масштабе с высоким разрешением по горизонтали и вертикали. Одним из примеров естественного форсинга, то есть прямого естественного воздействия на окружающую среду является солнечный форсинг, включающий в себя высыпание энергичных частиц, магнитосферных электронов и солнечных протонов во время вариаций солнечной и геомагнитной активности. Энергичные частицы вызывают каскады ионизации в атмосфере высоких широт. В ионосфере энергичные протоны и электроны вызывают увеличение электронной плотности вплоть до области D ионосферы. Наиболее энергичные частицы проникают в мезосферу и стратосферу приводя к образованию нечетного водорода (HOx = H + OH + HO2) и азота (NOx = N + NO + NO2) (Mironova et al., 2015, Sinnhuber et al., 2018). Эти газовые компоненты оказывают существенное влияние на поведение мезосферного озона (Mironova et al. 2015-2023; Arsenovic et al. 2016; Funke et al. 2016; Grankin et al. 2023; Doronin et al. 2024, 2025). Изменение в балансе мезосферного озона в высоких широтах модулирует локальный радиационный баланс, вызывая дальнейшие динамические изменения в атмосфере (например, (Sukhodolov et al., 2017)). В работе Seppälä et al., 2025 авторы демонстрируют возможность влияния на климат солнечной и геомагнитной активности через вариации мезосферного озона. Основными конкурентами в области изучения и моделирования отклика в атмосфере на высыпания энергичных частиц и солнечные вспышки являются: • NCAR, США: интенсивно работают над расширенными версиями модели (например, WACCM-X (Liu et al., 2018)).
•NOAA, США: достигли прогресса в разработке модели всей атмосферы (WAM, Wang et al., 2014).
•MetOffice, Великобритания: достигнут определенный прогресс в разработкеунифицированной модели, распространяющейся на термосферу и ионосферу. • GAIA, Япония: модель была значительно улучшена по сравнению с предыдущей версией (Jin et al., 2012). На данный момент модель может быть применена для изучения влияния экстремальных явлений на атмосферу и климат. • FMI, Финляндия &UniLeeds, Великобритания: используют модель WACCM-D (Verronen et al., 2016) с верхней границей 130 км и с учетом ионной химии ионосферного D-слоя. Эта модель также может быть применена для изучения воздействия на атмосферу/ионосферу солнечных протонов. • KIT, Германия: группа M. Sinnhuber обладает моделями EMAC и EDITh (Nieder et al., 2014), которые можно использовать для изучения отклика озона на космическую погоду.
Исследования влияния различных факторов воздействия на атмосферу ведутся уже более двух столетий, и за это время был получен и систематизирован большой объем данных наблюдений. ВГВ являются важным компонентом динамики средней и верхней атмосферы. Эти волны генерируются в нижних слоях атмосферы и распространяются вверх, в мезосферу и термосферу, передавая импульс и энергию более высоким слоям атмосферы. За счет диссипации и передачи импульса основному потоку, они могут влиять на формирование общей циркуляции средней и верхней атмосферы (Andrews et al., 1987). Многочисленные исследования (например, (Miyoshi et al., 2014; Becker&Vadas, 2020)) показали, что волновые ускорения среднего потока, вызванные диссипирующими ВГВ, поступающими из тропосферы, играют важную роль в поддержании баланса импульса в стратосфере (Yigit et al., 2009; Miyoshi et al., 2014) и термосфере (Becker&Vadas, 2020). Следовательно, ВГВ представляют собой один из основных механизмов взаимодействия различных слоев атмосферы.
Атмосферные ВГВ, согласно «Принципу распространяющегося вниз контроля» (Haynes et al., 1991), являются важным фактором, индуцирующим глобальную меридиональную циркуляцию (см. также Holton et al., 1995) и основным механизмом динамического взаимодействия различных слоев атмосферы, а также тропических и внетропических регионов (Haigh, 2009). В частности, ВГВ участвуют в формировании квази-двухлетних колебаний в экваториальной стратосфере, которые оказывают влияние на циркуляцию и фотохимические процессы в других слоях и регионах атмосферы (Garfinkel et al., 2022). Оценки относительного вклада ВГВ в атмосферную циркуляцию проводились неоднократно (см., например, (Chrysanthou et al., 2019) и ссылки в ней). Ускорение меридиональной циркуляции, доходящее, согласно последним модельным оценкам, до ± 2-3% за десятилетие (Butchart, 2014), считается одним из наиболее существенных результатов изменения климата, вызванного парниковыми газами. Эти результаты, несмотря на существенный разброс данных, подтверждают и исследования за последние десятилетия на основе данных реанализа (Abalos, 2015). Многие модели общей циркуляции не могут воспроизводить КДК в стратосфере. Потому требуется усовершенствование параметризаций ВГВ, способных генерировать КДК. Одна из таких новых параметризаций описана в работе (Garfinkel et al., 2022). В настоящем проекте планируется доработать параметризацию ВГВ, которая позволит генерировать более реалистичные КДК в глобальной химико-климатической модели SOCOLv3 с целью усовершенствования долгосрочных прогностических расчетов.

Задачи, решаемые в рамках исследования
В рамках решения основной проблемы проекта будут рассмотрены следующие конкретные задачи:
1. Включение в модели химии и климата органических и неорганических соединений, содержащих йод (ICOS) и оценка их влияния на изменения озона в нижней стратосфере с использованием реалистичных сценариев изменения эмиссий ICOS с 1980 по 2020 годы. Решение этой задачи позволит оценит роль ICOS в обнаруженных и пока не объясненных изменениях содержания озона.
2. Включение в химико-климатическую модель лагранжевой схемы переноса для существенного повышения точности расчета химического состава нижней стратосферы. Решение этой задачи позволит устранить ошибки в моделировании влажности нижней стратосферы и влияние водяного пара на обнаруженные и пока не объясненные изменениях содержания озона.
3. Включение в химико-климатическую модель нового модуля расчета скорости фотолиза для обеспечения хорошей точности расчетов с учетом переноса излучения в облаках и аэрозольных слоях и для больших значений зенитных углов. Решение этой задачи позволит улучшить точность расчетов химического состава стратосферы и тропосферы и в высоких широтах, что будет способствовать улучшению качества расчетов эволюции озонового слоя.
4. Проведение расчетов климата и озонового слоя с 1970 по 2200 год с использованием усовершенствованной модели и современных сценариев выбросов парниковых газов и озоноразрушающих веществ. Полученные результаты позволят определить причины наблюдаемого уменьшения озона в нижней стратосфере, дать оценку изменений состояния стратосферного и тропосферного озонового слоя в будущем и представить рекомендации о возможности появления нежелательных тенденций.
5. Разработка и внедрение быстрого и эффективного метод расчета химических преобразований с использованием искусственных нейронных сетей. Решение этой задачи позволит существенно увеличить эффективность используемых моделей и успешно провести необходимые расчеты, необходимые для выполнения задач, изложенных выше.
6. Численное моделирование многолетних и квази-двухлетних колебаний под воздействием мезомасштабных волн и их влияния на циркуляцию, состав и климат озоносферы. Решение этой задачи позволит существенно увеличить эффективность используемых моделей, поскольку мезомасштабные волны, согласно «Принципу распространяющегося контроля», являются важным фактором, индуцирующим глобальную циркуляцию и основным механизмом динамического взаимодействия различных слоев атмосферы, а также тропических и внетропических регионов. Планируемая разработка уточненных параметризаций мезомасштабных волн и генерируемой ими турбулентной диффузии в глобальных климатических моделях, позволит изучить многолетние и квазидвухлетние колебания (КДК), а также получить новые результаты в вопросе динамических взаимодействий атмосферных слоев.
7. Разработка новой модели, которая будет способна оценивать химически активные компоненты средней атмосферы и электронное содержание нижней ионосферы для оценки нестабильности озонового слоя, климата и электронного содержания во время комплексных возмущений атмосферы/ионосферы, связанных с космической погодой и солнечной активностью.
8. Мониторинг климатически и экологически опасных аномалий в содержании озона в регионах Российской Арктики и Субарктики. Масштаб задачи определяется современными потребностями России в освоении и развитии арктических регионов России, необходимостью контроля их экологического состояния и использованием широкого комплекса современных экспериментальных методов исследований в предлагаемом проекте, включающих:
-спутниковые измерения общего содержания и элементов вертикального распределения озона и других параметров атмосферы российскими имеждународными приборами на борту высокоэллиптических и полярных спутников,
-наземные измерения содержания озона и озоноразрушающих газов
-валидацию спутниковых измерений ОСО приборами МСУ-ГС и ИКФС-2 на основеназемных и спутниковых эталонных измерений,
-создание гармонизированных архивов данных измерений состояния озоносферы.

Комплексность задачи обеспечивается использованием всей совокупности имеющихся в наличии данных спутниковых и наземных измерений для мониторинга содержания озона в Российских регионах.
Моделирование климатически и экологически опасных аномалий в содержании озона в Российских полярных и субполярных регионах. Трехмерное моделирование газового и аэрозольного состава атмосферы можно считать дополнительным инструментом для мониторинга, так как при помощи моделирования возможно получить информацию, недоступную из измерений (из-за ограничений в пространственном и временном покрытии) и покрывающую практически любой интересующий момент времени и участок Земли, что определяет масштабность задачи. Качество данных моделирования в значительной степени зависит от адаптации конкретной модели к условиям численного эксперимента (область исследования, период моделирования, начальные и граничные условия, пространственное разрешение и др.), и оно может быть оценено при помощи данных наземных и спутниковых измерений, которые доступны в различном виде (формат, пространственное и временное разрешение и охват, др.) и требуют предварительного преобразования для сопоставления с результатами моделирования. Комплексность поставленной задачи заключается в сборе, преобразовании и использовании данных измерений для валидации результатов численного моделирования состояния озоносферы.
Выполнение задачи по совокупному мониторингу и моделированию климатически и экологически опасных явлений является необходимым условием эффективного освоения и развития полярных регионов РФ, запланированного на ближайшие годы.

Методы и подходы в исследовании
В исследованиях и разработках предполагается использовать следующие методы и подходы:
•Будет выполняться разработка, совершенствование и оптимизация методики алгоритмов интерпретации спутниковых измерений методом уходящего теплового ИК излучения с использованием методов искусственного интеллекта для решения обратных задач атмосферной оптики.
•Будут использованы данные спутниковых измерений содержания озона иозоноразрушающих газов, полученные различными методами: затменный метод по солнцу, метод рассеянной и отраженной солнечной радиации, метод уходящего теплового и МКВ излучения и др. Данные будут получены с помощью различных российских (высокоэллиптических и полярных) и зарубежных спутников и приборов.
•Будет применен наземный ИК спектроскопический метод для измерений содержания озона и озоноразрушающих газов на станции наблюдения CПбГУ в Петергофе, также будут использоваться данные международной сети NDACC, полученные этим методом, наряду с данными, полученными методом озонозондирования.
•Для валидации измерений озона российских и зарубежных спутников будут использоваться эталонные данные наземных и спутниковых приборов, показавших высокую точность измерений.
•Для численного моделирования многолетних вариаций и КДК под воздействием мезомасштабных волн предполагается усовершенствование параметризации динамического и теплового воздействия ВГВ в химико-климатической модели SOCOLv3. В качестве основы будут использована спектральная параметризация ВГВ и параметризация ОГВ, которые были ранее разработаны участниками проекта.
•Для оценки нестабильности озонового слоя, локального климата и электронного содержания во время комплексных возмущений атмосферы/ионосферы, связанных с космической погодой и солнечной активностью будет разработана новая химико-климатическая модель, которая будет способна оценить химически активные компоненты средней атмосферы, а также климатические вариации и электронное содержание нижних слоев ионосферы. Новая Российская химико-климатическая модель (0-300 км) будет разработана на основе трехмерной численной Модели Средней и Верхней Атмосферы (МСВА) (Pogoreltsev et al., 2007; Gavrilov et al., 2015; Koval et al., 2021) и одномерной радиационно-конвективной модели с интерактивной̆ нейтральной̆ и ионной̆ химией̆ (RACOP) (Grankin et al., 2023; Mironova et al., 2023). Также будет проведена работа по созданию модели всей атмосферы, которая объединит модель МСВА с Глобальной Самосогласованной Моделью Термосферы, Ионосферы, Протоносферы (ГСМ ТИП) (Namgaladze et al., 1988; Korenkov et al., 1998). Это позволит более корректно исследовать влияние солнечной активности на среднюю атмосферу.

•Адаптация и валидация трехмерных численных моделей для описания содержания озона в атмосфере Арктического и Субарктического региона при помощи данных спутниковых и наземных измерений. Для моделирования планируется использовать глобальные химико-климатическую модельSOCOLv3 и региональные модели состояния и состава атмосферы WRF-Chem и WRF-GC (WRF with GEOS-Chem chemistry). Данные измерений будут отобраны из открытых источников, как российских, так и зарубежных. Также будут использованы данные измерений, уже накопленные у исполнителей проекта.
•Численное моделирование тенденций пространственно-временного изменения климата и химического состава атмосфере Арктического и Субарктического регионов при помощи улучшенной химико-климатической модели SOCOL. Планируются ансамблевые расчеты будущего (до 2200 года) состояния климата и озоносферы под действием антропогенных и естественных факторов. Планируется исследовать периоды озоновых аномалий на территории Арктического региона (с фокусом на территорию Российской Арктики), акцентируя внимание на вертикальном распределении озона по результатам моделирования.

Общий план работы на весь срок выполнения проекта

2027 год:
1.Подготовка сценариев эмиссий йодосодержащих примесей, озоно-разрушающих субстанций и парниковых газов.
2.Расчет изменений озонового слоя с 1980 по 2020 года с помощью ХКМ SOCOL.
3.Подбор, настройка и тестирование лагранжевой схемы переноса.
4.Установка нового модуля расчета скоростей фотолиза в ХКМ SOCOL и ИВМ РАН- РГГМУ и проведение тестовых расчетов.
5.Подготовка подходов к разработке ИНС и методов ее обучения для ускорениярасчетов тропосферной органической химии в ХКМ SOCOL.
6.Усовершенствование методики получения данных о содержании атмосферного озона из спектров, измеряемых приборами типа ИКФС-2 с борта российских космических аппаратов (КА) серии «Метеор-М» №2.
7.Интерпретация спектральных измерений прибора ИКФС-2 с борта КА серии «Метеор- М» №2 и получение новых данных об общем и тропосферном содержании озона (ТрСО).
8.Валидация новых данных КА серий «Метеор-М» №2 и «Арктика-М» об ОСО на основе сопоставлений с эталонными данными наземных озонометрических станций, полученных с помощью приборов Добсона и Брюера.
9.Совместный анализ и гармонизация результатов измерений атмосферного содержания озона с борта российских КА серий «Метеор-М» №2 и «Арктика-М». Построение единой БД распределения содержания озона в атмосфере над территорией РФ.
10.Разработка методики оценки содержания в вертикальном столбе атмосферы хлорфторуглеродов (ХФУ), разрушающих молекулы озона, спутниковым методом.
11.Оценки погрешностей определения содержания ХФУ на основе спектров уходящего излучения, измеренных прибором ИКФС-2 с борта КА серии «Метеор-М» №2
12.Адаптация трехмерной численной модели состояния и состава тропосферы высокого пространственного разрешения WRF-Chem к Арктическому региону
13.Проведение численных экспериментов по моделированию газового и аэрозольного состава на территории полярных и субполярных регионов РФ с акцентом на случаи уменьшения содержания озона в атмосфере
14.Уточнение параметризации мезомасштабных волн (ВГВ и ОГВ), влияющих на формирование межгодовых колебаний в химико-климатической численной модели SOCOLv3.
15.Уточнение параметров межгодовых, квази-двухлетних колебаний и мезомасштабных волн по данным наблюдений (метеорологический реанализ, спутники, радары и др.) в целях разработки их параметризаций.
16.Разработка численной схемы нового химического блока, основанного на интерактивной нейтральной и ионной химии
17.Разработка схем объединения моделей средней и верхней атмосферы и их тестирование.
18.Оценивание нестабильности мезосферного озона для моделирования климатического отклика.

2028 год:
1.Расчет изменений озонового слоя с 2020 по 2200 года с помощью ХКМ SOCOL с учетом эмиссий йодосодержащих примесей и новых сценариев эволюции озоноразрушающих субстанций и парниковых газов.
2.Подготовка статьи по результатам расчетов с учетом эмиссий йодосодержащих примесей
3.Расчеты эволюции озонового слоя с 1980 по 2020 год с включением лагранжевой схемой переноса.
4.Расчеты эволюции озонового слоя с 1980 по 2020 год с использованием новой схемы расчета фотолиза.
5.Обучение ИНС и ее тестирование в ХКМ SOCOL.
6.Пополнение и обработка спектральных баз данных спектров уходящего теплового излучения атмосферы, измеренных приборами типа ИКФС-2 с борта КА серии «Метеор-М» №2:
7.Разработка методики, алгоритма, компьютерной программы одновременного восстановления вертикальных профилей температуры и содержания озона
8.Валидация данных измерений с КА серий «Метеор-М» №2 о ТрCО на основе данных озонозондирования и наземных ИК-измерений Фурье-спектрометрами высокого спектрального разрешения
9.Валидация данных КА серий «Метеор-М» №2 и «Арктика-М» об ОСО на основе сопоставлений с данными спутниковой аппаратуры TROPOMI с борта европейских КА Sentinel5p
10.Интерпретация спутниковых измерений ИКФС-2 с целью получения информации о вертикальном распределении озона.
11.Накопление и анализ архивов наземных и спутниковых измерений озона и связанных с озоном малых газовых составляющих (МГС) за 2026–2027 гг.
12.Совместный анализ и гармонизация результатов измерений атмосферного содержания озона с борта российских КА серий «Метеор-М» №2 и «Арктика-М». Построение единой БД распределения содержания озона в атмосфере над территорией РФ.
13.Анализ пространственного распределения ОСО и ТрСО над территорией России в различные сезоны
14.Разработка алгоритма и компьютерной программы определения содержания ХФУ из спектров уходящего излучения атмосферы.
15.Обработка имеющихся спектров ИКФС-2 с целью получения информации о содержании ХФУ в атмосфере, предварительный анализ результатов.
16.Валидация трехмерной численной модели состояния и состава тропосферы высокого пространственного разрешения на основе построенной базы данных наземных и спутниковых измерений содержания озона
17.Численный анализ пространственно-временного изменения озона в атмосфере в полярных регионах по данным измерений и моделирования
18.Настройка параметризации мезомасштабных волн (ВГВ и ОГВ), влияющих на генерацию межгодовых колебаний в химико-климатической численной модели SOCOLv3.
19.Сравнение результатов применения параметризации мезомасштабных волн, влияющих на генерацию межгодовых колебаний в численной модели SOCOLv3, с экспериментальными данными.
20.Тестирование нового модельного блока с интерактивной нейтральной ионной химией.
21.Тестирование нового ионосферного блока МСВА и интеграция ионосферных параметров из ГСМ ТИП в МСВА с целью учета влияния ионосферной изменчивости на динамику средней и верхней атмосферы при различных уровнях солнечной активности и сравнение результатов моделирования с данными наблюдений
22.Оценка скорости ионизации атмосферы, вызванные комплексными возмущениями солнечной активности, которые будут использоваться для дальнейшего моделирования и получения оценок нестабильности мезосферного озона и его воздействия на климат

2029 год:
1.Подготовка статьи по результатам расчетов эволюции озонового слоя с 2020 по 2200 год с учетом эмиссий йодосодержащих примесей и новых сценариев эволюции озоноразрушающих субстанций и парниковых газов.
2.Обучение ИНС и ее тестирование в ХКМ SOCOL.расчетов, статья
3.Расчет изменений озонового слоя с 2020 по 2200 года с помощью ХКМ SOCOL с установленными новыми модулями йодной химии, лагранжева переноса, фотолиза химическим модулем на основе ИНС.
4.Накопление и анализ архивов наземных и спутниковых измерений озона и связанных с озоном МГС за 2027–2028 гг.
5.Валидация данных измерений с КА серий «Метеор-М» №2 о вертикальном распределении содержания озона на основе данных озонозондирования
6.Взаимное сопоставление и калибровка данных измерений полей распределения ТрСО с КА серий «Метеор-М» №2 с данными измерений приборов типа IASI с борта европейских КА серии «Meteosat»
7.Взаимное сопоставление и калибровка данных измерений вертикального распределения содержания озона с КА серий «Метеор-М» №2 с данными измерений приборов ОМИ на борту КА Aura и TROPOMI с борта европейских КА Sentinel5p
8.Выявление межгодовой изменчивости полей распределения содержания атмосферного озона в различные сезоны над территорией РФ
9.Исследование кратковременной изменчивости полей распределения содержания озона в периоды аномального роста или уменьшения содержания озона
10.Исследование пространственно-временной изменчивости содержания ХФУ над территорией России
11.Проведение численного моделирования пространственно-временного изменениясостава тропосферы при помощи валидированной модели WRF-Chem с акцентом на озон в Арктическом регионе полярных регионов за более длительные периоды
12.Анализ влияния стратосферного затока озона на содержание газа в тропосфере полярных и субполярных регионов РФ на основе результатов численного моделирования
13.Численное моделирование влияния межгодовых колебаний и мезомасштабных волн на зональную и меридиональную циркуляцию на разных высотах и широтах с использованием химико-климатической модели SOCOLv3.
14.Сравнение результатов численного моделирования влияния межгодовых колебаний и мезомасштабных волн на зональную и меридиональную циркуляцию на разных высотах и широтах по модели SOCOLv3. с экспериментальными данными.
15.Тестирование нового модельного блока с интерактивной нейтральной и ионной химией в новой разрабатываемой ХКМ.
16.Расчеты с использованием МСВА и ГСМ ТИП по различным сценариям учета ионосферных возмущений в динамике параметров средней атмосферы при разных уровнях солнечной активности.
17.Учет эффектов от скоростей ионизации атмосферы при разных уровнях солнечной активности для дальнейшего получения оценок нестабильности мезосферного озона и его воздействия на климат.
18.Завершение незаконченных работ, уточняющих экспериментов и написание статей и отчета по проекту

Имеющийся у коллектива исполнителей научный заделУчастники проекта имеют большой опыт в проведении регулярного мониторинга содержанияклиматически важных атмосферных параметров и, в том числе, атмосферных газов спомощью различных наземных и спутниковых измерений (Timofeyev et al, 2016,2019). С 2009 года получены новые данные о содержании 20 климатически важныхгазов в Петергофе (Timofeyev et al., 2016).

Исполнители проекта имеют большой опыт вразработке и создание методик. алгоритмов и программ интерпретации спутниковыхизмерений.

Участники проекта имеют большой опыт в получении, обработке и валидации различных спутниковых данных. Так, группа участников проекта впервые в России выполнила эксперименты «Озон-М», «Озон-МИР» по спутниковым измерениям вертикальных профилей озона методом прозрачности по Солнцу (Поберовский и др., 1999; Поляков и др. 1999; Поляков, 1999; Поляков идр. 2001), участники проекта разработали альтернативный алгоритм и ПО для получения вертикальных профилей озона из измерений прибора SAGE-III, провелимассовую интерпретацию измерений указанным прибором  с борта российского спутника «Метеор»,показав преимущество разработанного алгоритма в точности перед штатным алгоритмом (Polyakov et al., 2004; 2005; Поляков и др., 2005).

Основным исполнителем проекта в соавторстве с коллегами разработан и применен нейронно-сетевой алгоритм определения ОСО с геостационарных спутников (приборы типа SEVIVRI, МСУ-ГС) (Поляков, Тимофеев 2008; 2010).  Участниками проекта при ведущей роли основного исполнителя А. Полякова выполнен обширный цикл работ по темам, связанным с зондированием атмосферы и поверхности с российских спутников серии «Метеор М» №2 (Поляков и др. 2010; 2012; 2014; Polyakov et al., 2013; Поляков2014), в частности, с определением ОСО

(Polyakov et al., 2023; Поляков и др.,2024а; 2024б) и тропосферного содержания озона (ТрСО) (Поляков и др., 2024в;2024г), в настоящее время завершается работа по разработке алгоритмов определения элементов вертикального распределения озона (Акишина и др., 2024)из спектров прибора ИКФС-2 (Головин и др., 2015) с борта указанных спутников. Отметим, что в некоторых из перечисленных работ впервые в России метод ИНС был использован в дистанционном зондировании атмосферы.

Участники проекта имеют опыт работы с современным трехмерными численными моделями состояния и состава атмосферы на региональном и глобальном масштабах, а также с дисперсионными лагранжевыми моделями. Члены коллектива владеют такими моделями, как химико-климатические модели ИВМ РАН – РГГМУ, SOCOL, химико-транспортная модель GEOS-Chem,региональные интегрированные модели численного прогноза погоды – качества воздуха WRF-Chem и EnviroHIRLAM, траекторыне модели HYSPLIT, STILT, что подтверждается в ряде публикаций - (Nerobelov et al., 2024a; Nerobelov et al.,2024b; Дрюкова и др., 2023). В двух первых работах исследовались возможности современных моделей описывать содержание озона во всей атмосфере и в тропосфере, используя для валидации данные наземных и спутниковых измерений. Показана возможность применения моделей для описания озона в атмосфере в Арктическом регионе.

Члены коллектива имеют ряд важных совместно полученных научных результатов имеющих отношение к проекту, например, таких как определение точности расчетов скоростей ионизации атмосферы, во время высыпаний энергичных частиц, важных для оценок озонного слоя с использованием химико-климатических моделей (Mironova et al., 2019, 2021, 2023); оценки естественных источников ионизации и их влияние на атмосферное электричество, проводимость и ток атмосферы (Golubenko et al., 2020). Совместно проведены модельные исследования распространения скоростей ионизации атмосферы во время событий, связанных с высыпаниями энергичных электронов, и оценка их роли в разрушении полярного озона в зависимости от интенсивности геомагнитных возмущений и сезонов (например, (Mironova et al., 2023, Doronin et al., 2024, 2025)).Совместно оценена электронная плотность атмосферы в слое D и ниже во время высыпаний энергичных электронов, зарегистрированных во время баллонных наблюдений в полярной атмосфере/ионосфере (Grankin et al., 2023). Коллектив также имеет несколько ключевых публикаций, в частности, обзорного плана (Rozanovet al., 2012; Mironova et al., 2015).

За последние годы коллективом исполнителей получены следующие, имеющие отношение к проекту, результаты: -Разработана и протестирована ХКМ SOCOL (Sukhodolov et al., 2021; Nerobelov et al.,2024) - Проведены расчеты изменений климата и озонового слоя с 2015 по 2100года (Karagodin-Doyennel et al., 2023).

-  Исследованы последствия непринятия Монреальскогопротокола для климата и озонового слоя (Egorova et al., 2023). - Полученыоценки УФ-освещенности поверхности для различных областей земного шара.Показано возможное уменьшение в будущем доз УФ радиации, ответственной запроизводство пре-витамина D (Zubov et al., 2025).

- Определена степень влияния различных факторовтаких как: концентрацияпарниковых и озоноразрушающих газов, поток солнечнойрадиации, вулканические выбросы (Usacheva et al, 2024), изменчивость свойствокеана и биогенных эмиссий на состояние климата и озонового слоя.

- Протестирован новый модуль расчета фотолиза (Imanovaet al, 2025).

- Получены оценки изменений климата и озонового слоя до 2100 с учетом возможных сценариев вулканических извержений и альтернативных сценариев антропогенной деятельности (статья готовиться). -Создана новая модель, объединяющая используемые коллективом модели фотохимии и климата SOCOL и ИВМ РАН РГГМУ с региональной моделью WRF. Получены оценки изменений климата и газового состава в отдельных регионах России, включая Арктику в 21ом веке (статья готовиться).

- Проведены оценки влияния вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай на атмосферный озон и климат (Kuchar et al., 2025).

- Разработана усовершенствованная параметризация ОГВ для моделей SOCOLv3 и МСВА (Koval et al.,2025)

- Изучены особенности взаимодействия КДКи североатлантического колебания (САК) (Cai et al., 2022);

- Разработана методика расчета остаточной меридиональной циркуляции (ОМЦ) по данным модели МСВА до высот термосферы, а также проведены сравнительные оценки с результатами расчетов ОМЦ по данным наблюдений (Коваль, 2019а), совместно с коллегами из КНР выполнены расчеты ОМЦ на разных стадиях ВСП в северном (Koval et al., 2021; Vargin et al.,2022) и южном полушарии (Eswaraiah et al., 2022).

- Выполнен анализ изменений средней «эйлеровой» меридиональной циркуляции и потоков озона в тропо – стратосфере при учете орографических волн и при разных фазах КДК (Коваль и др., 2019), и вовремя событий ВСП (Koval et al., 2019a; Koval, 2019).

- Проведено моделирование влияния изменения фаз стратосферного КДК на атмосферную циркуляцию до высот термосферы(Koval et al., 2022a; 2022c; Коваль и др., 2022).

-  Изучены особенности распространения и отражения стационарных и распространяющихся на запад волн планетарного масштаба при разных уровнях солнечной активности на высотах до 300 км. (Коваль, 2019б),а также влияние термосферной изменчивости, вызванной вариациями солнечной активности на циркуляцию средней атмосферы (Koval et al., 2019b; Koval et al.,2022b).

-  Разработан новый подход к диагностике нелинейных взаимодействий стационарных планетарных волн (Диденко и др., 2019).

-   Участники и руковолитель коллектива активно участвовали в создании глобальной модели всей атмосферы (EAGLE).  Созданная глобальная модель всей атмосферы EAGLE использовалась для изучения влияния внезапного стратосферного потепления (Васильев и др., 2018; Klimenko et al., 2019),солнечных вспышек и солнечных протонных событий (Bessarab et al., 2020;Klimenko et al., 2023) на систему атмосфера-ионосфера. Использование модели улучшило понимание процессов в области атмосферно-ионосферного взаимодействия. 

С помощью модели верхней атмосферы ГСМ ТИП было проведено большое количество научных исследований, изучено поведение различных термосферных, ионосферных и плазмосферных параметров, как в спокойных условиях, так и во время различных возмущений: во время магнитосферных суббурь и бурь (Klimenko et al. 2011, 2017, 2018, 2019; Bessarab et al. 2011, 2015; Suvorovaet al., 2016; Dmitriev et al., 2017). Кроме того, нами были изучены термосферные и ионосферные эффекты в периоды внезапных стратосферных потеплений(Korenkov et al. 2012; Bessarab et al. 2012), сейсмо-ионосферные эффекты землетрясений (Клименко и др. 2011, Klimenko et al. 2011, 2012), а также взаимодействие динамического режима термосферы и электрического динамо-поля(Klimenko and Klimenko, 2012; Klimenko et al., 2019), что поможет нам в реализации данного проекта. - На основе спутниковых данных MLS/Aura завесь период наблюдений с 2004 по 2024 оценен процент разрушения мезосферного озона в зимний период под воздействием солнечных протонных событий (Doronin et al.,2024). Было оказано, что умеренные солнечные протонные события, с потоком протонов с энергией более 10 МэВ и интенсивностью потока более 100 pfu,разрушают мезосферный озон в северном полушарии до 47%, а в южном полушарии —до 33%.

- Дана оценка реакции атмосферы на экстремальные солнечные события, связанные с эруптивными процессами на Солнце и экстремальными высыпаниями энергичных электронов (например, Golubenkoet al., 2020,). В работе Golubenko et al., 2020, показано, что скорости ионизации атмосферы, во время экстремальных солнечных протонных событий приводят к значительному увеличению токов хорошей погоды в глобальном масштабе, а величина эффектов зависит от местоположения и может превышать фоновое значение более чем в 10 раз в высоких широтах. 

-Проведены модельные исследования распространения моноэнергичных электронов в ионосфере/атмосфере Земли (Mironova et al., 2021), произведен численный расчет скоростей ионизации атмосферы во время событий, связанных с высыпаниями энергичных электронов, и оценка их роли в разрушении полярного озона в зависимости от интенсивности геомагнитных возмущений и сезонов (Mironova et al, 2023,).

-В работах Mironovaet al., 2023; Grankin et al., 2023, оценены скорости ионизации атмосферы по спектрам высыпающихся электронов (баллонные и спутниковые наблюдения) и показано, что под воздействием высыпаний энергичных электронов в зависимости от уровня геомагнитных возмущений мезосферный озон может разрушаться до 80% в зимний период (Mironova et al.,2023; Grankin et al., 2023).

- В работе Mironovaet al., 2021, показано, что из-за снижения скоростей ионизации, вызванных Форбуш-понижениями, семейство радикалов оксида водорода (HOx) теряет около половины своей концентрации над полярной ночной стратосферой в зимний период. При этом устойчивый отклик в азотном семействе (NOx) и стратосферном озоне не обнаруживается, как и эффект от Форбуш-понижений галактических космических лучей в летнее время в южной полярной стратосфере. - Впервые численно, спомощью модельных расчетов, оценена электронная плотность атмосферы в слое D и ниже во время высыпаний энергичных электронов, зарегистрированных во время баллонных наблюдений в полярной атмосфере/ионосфере (Grankin et al., 2023).

Научное и научно-техническое сотрудничество.

В рамках выполнения проекта возможно сотрудничество с научными институтами Российской академии наук(ИФА РАН, ИПФ РАН, ИВМ РАН) и Роскомгидромета (ЦАО и ГГО). Возможности для международного сотрудничества изучаются.