ИНТЕГРАЦИОННЫЕ ПРОГРАММЫ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ


Разработка методов синтеза и изучение физико-химических и транспортных свойств перфторированных соединений

Научный руководитель:
д-р физ.-мат. наук Алексеенко С.В.

Разработаны методы синтеза новых перфтораренов, озонобезопасных хладонов и термически стабильных фторированных жидкостей средней вязкости (ПФОС) с температурами кипения до 450 оС, представляющих интерес в качестве смазок и высокотемпературных теплоносителей.

Проведены комплексные измерения термодинамических и переносных свойств (скорость звука, плотность, давление насыщенного пара, вязкость, теплопроводность и теплоемкость) десяти ПФОС в жидком и газообразном состояниях. Ряд данных получен впервые. Они в настоящее время являются единственными.

Исследован электрический пробой перфторбутилового эфира. Показаны его высокая электрическая прочность и исключительно малые значения тангенса угла потерь. Построена стохастическая теория пробоя, которая позволила объяснить эффект увеличения электрической прочности жидких диэлектриков в малых зазорах.

Разработан метод интенсивного растворения углекислого газа в ПФОС. На основе данного метода обоснована возможность применения перфторированных соединений углеводородов для разделения газов в газовых смесях (рис. 7.21).

Рис. 7.21. Интенсификация растворения газов в ПФОС с использованием энергии ударной волны. Δt* - время растворения СО2; Δр/ро - относительная амплитуда ударной волны.

Проведен комплекс исследований по конвективному теплообмену, испарению и кризису теплообмена R-227, R-236 и перфтортриэтиламина. Показано, что использование ПФОС в физическом эксперименте расширяет диапазон реализуемых критериев подобия.

Полученные результаты позволяют сделать заключение о несомненной перспективности применения ПФОС в качестве теплоносителей, диэлектриков, модельных жидкостей, а также рабочих тел энергетического и холодильного оборудования. (ИТ, НИОХ, ИГиЛ.)


Исследование твердых неравновесных продуктов механохимических превращений и создание новых материалов и технологий

Научный руководитель: акад. Болдырев В.В.

Разработана механохимическая технология получения термоэлектрических материалов на основе бета-дисилицида железа, получаемого при механической обработке смеси порошков исходных компонентов.

Применение новой механохимической технологии позволило не только резко сократить и удешевить процесс получения, но и допировать материал сверхравновесными концентрациями добавок алюминия и кобальта. Введение повышенных концентраций добавок увеличило термоЭДС материала с 200 до 400 мкВ/град. Новый материал перспективен для применения в термоэлектрических устройствах, а также для получения высокоэффективных гибридных пленочных структур, верхний слой которых сможет работать как фотоэлектрический преобразователь, а нижний термоэлектрический слой – утилизовать тепловую энергию излучения солнца (рис. 7.22). (ИХТТМ, ИТПМ, ИК, ИТ.)

Рис. 7.22. Характеристика термоЭДС и области применения дицилицида железа.

Нестационарный катализ и его гидродинамические аспекты

Научный руководитель:
д-р физ.-мат. наук Кажихов А.В.

Подготовлена и введена в эксплуатацию лабораторная импульсно-релаксационная установка. Проведено исследование реакции окисления толуола на V–Ti-катализаторе в импульсном режиме. На основе анализа кривых отклика методом математического моделирования показано, что на поверхности катализатора образуются несколько типов активных центров, одни из которых отвечают в основном за селективное, другие – за глубокое окисление. Сформулирована детальная кинетическая модель взаимодействия толуола с окисленной поверхностью катализатора, определены константы скорости и энергии активации отдельных стадий. (ИК.)

Проведено исследование влияния гидродинамической скорости на протекание процесса в реакторе на примере уравнения переноса. Найдены оптимальные классы корректности задачи Коши для данных уравнений с нерегулярными компонентами вектора скорости. Показано, что существует порог свойств регулярности скорости, способствующих эффективности гидродинамического воздействия на химический процесс. По достижении этого порога (скорость имеет колебания, близкие к хаотическим) гидродинамическое воздействие может привести к снижению эффективности протекания химической реакции. (ИГиЛ.)

Разработан новый вариант численного метода решения нелинейных краевых задач для системы дифференциальных уравнений при моделировании процессов с периодическим внешним воздействием. Метод позволяет исследовать гистерезисные явления, которые могут иметь место при определенных технологических параметрах работы реактора. (ИМ.)

Исследованы факторы, влияющие на увеличение селективности в ряде реакций превращения углеводородов при осуществлении процесса с нестационарным состоянием катализатора. Проведено численное исследование влияния периодического воздействия технологических параметров на протекание двухмаршрутной каталитической реакции. Показано, что, управляя состоянием катализатора либо с помощью периодического изменения входной концентрации и температуры в реакторе, либо с помощью циркуляции катализатора в двухреакторной системе (рис. 7.23), можно улучшить характеристики процесса – существенно повысить селективность (рис. 7.24) целевого продукта. (ИК, ИМ, ИГиЛ.)

     

     Рис. 7.23. Принципиальная схема двухреакторной системы с циркуляцией катализатора.

           Рис. 7.24. Изменение селективности в зависимости от температуры в зоне реакции и соотношения катализатора в реакторах.


Взаимосвязь подграфов молекулярных графов и свойств органических соединений

Научные руководители:
д-р хим. наук Дерендяев Б.Г.,
канд. техн. наук Скоробогатов В.А.

Разработаны методы анализа и отбора структурных особенностей, обусловливающих устойчивые взаимосвязи элементов структуры соединения и его наблюдаемых свойств. В основу положен исчерпывающий анализ всех связных k-вершинных подграфов молекулярных графов, общих для сопоставляемых структур. Разработана специфическая метрика, позволяющая оценивать расстояние между структурами соединений, представленных молекулярными графами, созданы программные компоненты оценки степени структурного подобия и таксономии молекулярных графов. Разработанные методы реализованы в виде программных компонент и позволяют решать два класса задач:

– по набору соединений, обладающих общими свойствами, прогнозировать возможные структурные фрагменты, обусловливающие появление данных свойств, например, токсичности или спектральных характеристик (рис. 7.25);

– прогнозировать свойства соединений, обладающих заданным строением, используя базу данных по изучаемым свойствам и строению молекул.

Рис. 7.25. Алгоритм предсказания свойств органических веществ по их структуре с использованием подграфов молекулярных графов. К.В. - контрольная выборка. О.В. - обучающая выборка.

Эффективность предложенного способа показана для 32000 структур и их ИК-спектров. Показана возможность использования разработанного подхода в прогнозе токсичности акарицидов, предсказания ИК-спектров и анализа структур–результатов поиска неизвестного соединения в базе данных по ИК-спектроскопии. (НИОХ, ИМ.)


Летучие координационные и элементоорганические соединения и гетерофазные процессы их превращения

Научный руководитель:
д-р хим. наук Игуменов И.К.

С использованием оригинальной методики, представляющей собой сочетание эффузионного метода Кнудсена с масс-спектрометрической регистрацией состава газовой фазы, были исследованы механизмы гетерогенного термического разложения большого числа летучих комплексов металлов с b-дикетонами в приближении изолированных молекул. На рис. 7.26 приведены схемы термораспада с указанием предполагаемых перегруппировок, объясняющие образование наблюдаемых газообразных продуктов. Термораспаду предшествует стадия термического возбуждения молекулы, при которой происходит изменение координации лигандов с бидентатной на монодентатную. Все дальнейшие перегруппировки происходят в молекуле, адсорбированной на поверхности.

Рис. 7.26. Схема предполагаемых перегруппировок, приводящих к образованию оксида при термораспаде b-дикетонатов металлов на поверхности (R=СНз, С(СНз)з).

Установлено, что оксиды при термораспаде могут образовываться двумя путями: по внутримолекулярному механизму и за счет окисления образующегося металла кислородом. Второй путь наблюдается для комплексов металлов с относительно слабой связью М–О и является результатом наличия конкурирующих процессов образования металла или его оксида при термораспаде.

Использованная методика представляется перспективной для исследования механизмов гетерогенного разложения летучих комплексов металлов с органическими лигандами и позволяет разработать подход к целенаправленному выбору условий осаждения и к прогнозированию свойств получающихся пленок. Представленные в работе результаты могут быть использованы при проведении процессов осаждения пленок методом CVD, поскольку они были получены в условиях, близких к low-pressure CVD. (ИНХ, ИХКГ.)

Спиновая химия элементоорганических соединений

Научные руководители:
чл.-корр. РАН Трофимов Б.А.,
акад. Цветков Ю.Д.

Методами ЯМР, ХПЯ, а также с применением аналитических методов установлены механизмы фотоинициируемого взаимодействия аллильных производных элементов 14 группы (аллилсилан, герман, станнан, силатран) с полигалогенметанами и гексаметилдисилазаном. Показано, что реакции протекают по радикальному пути, и впервые методом ХПЯ зарегистрированы силазанильный и силатранильный свободные радикалы. Продемонстрировано, что элементарный механизм и состав продуктов полностью определяются свойствами элементсодержащих заместителей и, варьируя их, можно получать как ненасыщенные углеводороды, так и алкилы, содержащие элементоорганические остатки, галоиды и силазанильную группу.

Эти результаты демонстрируют общность влияния заместителей, содержащих элементы Si, Ge, Sn в реакциях замещения и присоединения. На рис. 7.27 представлена схема фотоиндуцированных превращений с участием бромсилазана.

Рис. 7.27. Влияние заместителей на фотоинициируемое взаимодействие аллильных производных элементов 14 группы (аллилсилан, герман, станнан, силатран) с гексаметилдисилазаном.

Атрановые производные широко применяются в микроэлектронике, сельском хозяйстве, медицине. Полученные результаты открывают новые возможности использования гомолитических процессов с участием элементоорганических соединений. (ИрИХ, ИХКГ.)


Синтез и исследование статических и динамических магнитных свойств нового класса многоспиновых систем

Научный руководитель: акад. Сагдеев Р.З.

Созданы первые гетероспиновые полимеры на основе комплексов меди со спин-мечеными пиразолами. При исследовании термомагнитных свойств этих соединений обнаружено физическое явление, названное "неклассическими спиновыми переходами". Полученные результаты открывают перспективу получения новой группы стрикционно-активных магнитных материалов. Обнаруженное явление уникально. Для комплексов меди(II) с пиразольными производными 2-имидазолиновых нитроксилов по виду зависимости эффективного магнитного момента от температуры оно напоминает классический эффект так называемого спинового перехода (рис. 7.28).

Рис. 7.28. Зависимость эффективного магнитного момента от температуры для комплексов меди (II) с пиразольными производными 2-имидазолиновых нитроксилов.

Однако для комплексов Cu(II) классический вариант спинового перехода невозможен. По этой причине обнаруженное явление названо "неклассическими спиновыми переходами". Данный магнитный эффект регистрируется одновременно с аномально большим сжатием гетероспинового кристалла в объеме (более чем на 10 %) при понижении температуры. Фазовый переход сопровождается также изменением группы симметрии. Тем не менее, найдены условия реализации такого перехода, при которых не происходит разрушения монокристалла соединения. (МТЦ, ИХКГ, ИНХ.)


Генетическая информативность реальной структуры алмаза

Научный руководитель: акад. Соболев Н.В.

Проведена работа по изучению влияния азотных дефектов на спектр комбинационного рассеяния света кристаллов синтетического алмаза. Исследовались кристаллы типа Ib, содержащие примесь азота в форме одиночных замещающих атомов (С-центры), кристаллы типа IaA с примесью азота в форме двух атомов в соседних позициях замещения (А-центры), а также безазотные кристаллы типа IIa. Использование ростовых систем с добавками азотсодержащих соединений позволило варьировать содержание примеси азота в кристаллах в широких пределах (от ~1 до ~800 ppm). В результате установлено, что ширина рамановской линии в кристаллах алмаза (1332 см–1) линейно зависит от концентрации примеси азота, а коэффициент пропорциональности зависит от типа азотных дефектов (рис. 7.29).

Рис. 7.29. Зависимость ширины (FWHM) рамановской линии от концентрации примесного азота для двух типов азотных дефектов: · - С-центры, - А-центры.

Анализ полученных результатов показывает, что А-дефекты взаимодействуют с оптическими фононами примерно в 1,3 раза сильнее, чем С-дефекты. Установлена корреляция между данными по влиянию А- и С-центров на параметр решетки алмаза и их влиянию на ширину рамановской линии. Для объяснения установленных закономерностей предложена модель, основанная на изменении длины свободного пробега фононов в кристаллах с дефектами. (ИМП, ИАиЭ, ИФП, ИЯФ, ИНХ, ИГН.)


Фазовые превращения и аморфизация силикатов при высоких температурах и давлениях

Научный руководитель:
д-р геол.-мин. наук Фурсенко Б.А.

Методом ЯМР 1Н изучено влияние гидростатического сжатия на подвижность молекул Н2О в волокнистых цеолитах типа NAT: натролите, сколеците, мезолите. Из анализа спектров ЯМР широких линий установлено, что частоты диффузионных прыжков молекул nc экспоненциально возрастают с ростом давления (рис. 7.30), отвечая, таким образом, отрицательному активационному объему диффузии DV = – kBT(lnnc/P), составляющему –12,0 (6), –8,0 (6) и –4,7 (3) см3 моль–1 для сколецита, мезолита и натролита соответственно.

Рис. 7.30. Зависимости частот диффузионных прыжков молекул H2O при комнатной температуре в натролите (), мезолите () и сколеците () от давления.

Аномальное увеличение диффузионной подвижности ионно-молекулярной подсистемы объясняется имплантацией в виде дефектов дополнительных молекул H2O в каналы каркаса. Увеличение подвижности ограничено нелинейными эффектами взаимодействия дефектов W+ друг с другом и с алюмосиликатным каркасом. Эффекты взаимодействия приводят к фазовым превращениям, когда концентрация дефектов превышает определенные пороговые значения. Такие фазы высокого давления представляют собой стабильные квазистехиометрические кристаллогидраты с большим содержанием молекул H2O в структуре. (ИМП, ИНХ, ИК, ИХТТМ.)


Разработка научных основ целенаправленного поиска биологически активных веществ, перспективных в качестве препаратов медицинского и сельскохозяйственного назначения

Научный руководитель: акад. Толстиков Г.А.

В НИОХ изучены фенольные компоненты корня солодки, произрастающей в различных регионах Сибири. В составе экстрактов корня идентифицированы пренилированные биологически активные флаваны и флавоноиды – ликорицидин, ликорикон, а также соединения с птерокарпановым скелетом – метоксифицифолинол, глицирол и изоглицирол. Последние три соединения являются весьма перспективными иммуностимуляторами, а также противовирусными и противораковыми агентами. Наибольшее содержание указанных компонентов определяется в корнях растений, собранных в Бурятии, Красноярском крае и Новосибирской области. Солодки Алтайского края более богаты фенольными компонентами гликозидной природы (ликвиритин, ликвиритозид).

Выявлен имеющий промышленное значение источник терпенового гликозида пеонифлорина, обладающего противоопухолевой активностью. Разработан метод выделения из корней пиона уклоняющегося пеонифлорина и пеонифлоригенона.

Показано, что произрастающие в Сибири и на Алтае растения семейства лютиковых (Delphinium sp. и Aconitum sp.) являются практически важными продуцентами дитерпеновых алкалоидов. В частности, из корней живокости высокой, произрастающей в Майминском районе Алтайского края, реальный выход элатина составляет 0,74 %. Схема выделения лаппаконитина из корней аконита высокого реализована в масштабах опытного производства.

Фенольные экстракты и индивидуальные соединения из экстрактов (ликорицидин, ликвиритин и глицирризиновая кислота) были испытаны в лаборатории ретровирусов ГНЦ ВБ "Вектор" на иммуностимулирующую и антивирусную активность. Установлено, что наибольшей иммуностимулирующей активностью обладает соединение изофлавановой структуры ликорицидин, а также экстракты, содержащие указанное соединение в концентрации 12–38 %.

Биотестирование активных индивидуальных соединений из Abies sibirica Ledеb (пихты) для проведения работ по установлению механизма действия компонентов препарата СИЛК на растения, а также испытание полученных фракций "нейтральной части", в том числе лабораторно-полевые испытания на сельскохозяйственных культурах, проведены в ИЦГ (рис. 7.31).

Рис. 7.31. . Примеры биологически активных веществ, продуцируемых древесными и травянистыми растениями Сибири и Алтая.

Разработка научных основ формирования металлоценовых катализаторов полимеризации для целенаправленного синтеза новых марок полиолефинов с регулируемой молекулярной структурой

Научные руководители: акад. Толстиков Г.А.,
д-р хим. наук Захаров В.А.

Рис. 7.32. Новые фторарилборатные активаторы катализаторов полимеризации олефинов.

Разработаны методы синтеза фторарилборатных активаторов (ФАБ, рис. 7.32) и синтезированы образцы новых активаторов этого ряда. Отработаны оптимальные условия формирования тройных каталитических систем состава L2ZrCl2/ФАБ/AlR3 и проведена оценка активности в полимеризации этилена синтезированных образцов ФАБ. Установлена возможность увеличения активности по сравнению с известным ФАБ состава (Ph3C)+[B(С6F5)4]. (НИОХ, ИК.)


Газовые гидраты Сибири

Научные руководители: акад. Кузнецов Ф.А., акад. Конторович А.Э.

Одним из важных результатов фундаментальных исследований в рамках проекта является построение фазовых диаграмм систем вода–метан, вода–азот и вода–углекислый газ (рис. 7.33). Эти газы являются компонентами природных смесей, поэтому знание точных фазовых диаграмм чрезвычайно актуально. Представленные диаграммы свидетельствуют, что в системе с метаном образуются два гидрата, а в системе с азотом и углекислым газом – не менее трех (до сих пор чаще всего считают, что системы с газогидратообразованием характеризуются образованием какого-либо одного – либо кубической структуры-I, либо кубической структуры-II–гидрата). Полученные данные дают основания утверждать, что образование нескольких гидратов в системе вода – газ при изменении давления в широких пределах является типичным; и небольшие изменения условий (давление, температура, help-газы) могут приводить к резкому изменению картины фазовых равновесий, что связано с образованием ряда новых газогидратных структур. (ИНХ.)

Рис. 7.33. Фазовые диаграммы систем вода-метан, вода-азот, вода-углекислый газ.

Одновременно проводилась работа по направлению: геология газогидратов в криолитозоне Сибири, в осадках арктических морей и оз. Байкал.

Байкал представляет особый интерес по ряду известных причин, но в нашем случае – как единственный в мире внутриконтинентальный водоем, где не только получены косвенные признаки (геотермические и сейсмические) газогидратообразования в осадках, но и обнаружены сами газогидраты метана. Газогидраты и связанные с ними потоки метана являются важными параметрами экосистемы Байкала. Важнейшим результатом работы в рамках данного проекта явилось построение карты нижней границы газогидратного слоя оз. Байкал по результатам многоканального сейсмического профилирования. Используя полученные по сейсмическим разрезам уточненные данные о времени двойного пробега до BSR, были определены глубины до этой границы и построены карты мощности осадочного слоя выше BSR. Одна из них показана на рис. 7.34. При расчете глубин и построении карт использовались новые скоростные модели, основанные на разноплановых сейсмических данных. Установлено, что мощность газогидратного слоя в осадках Центрального Байкала изменяется от нескольких десятков до 450 м. (ИГФ, ЛИН, ИГХ, Институт океанологии РАН, Королевский музей Центральной Африки, Бельгия).

Рис. 7.34. Карта мощности осадочного слоя выше подошвы зоны стабильности газовых гидратов.

Органические молекулы-биомаркеры в нефтях и нефтематеринских породах осадочных бассейнов Сибири как показатели их генезиса и эволюции нафтидогенеза в истории Земли

Научный руководитель: акад. Конторович А.Э.

Исследованы биомолекулы в составе рассеянного органического вещества и нефтей докембрия и фанерозоя, установлено, что в них присутствуют все основные компоненты, свойственные липидам современного живого вещества. Это указывает на химическое единство жизни на протяжении последних 1400 млн лет. Есть основания предположить, что по биохимии липидов в докембрии существовало два типа живого вещества – с липидами, свойственными современному живому веществу планктона и бактерий (тип А), и с некоторыми аномальными свойствами липидов живого вещества, исчезнувшего в начале палеозоя (тип Б). В верхнем палеозое, с выходом организмов на сушу, появился новый по биохимии тип живого вещества, важнейшим компонентом которого стали ароматические структуры, в частности, – лигнин (тип С). Для этой линии жизни характерны многие черты биохимии липидов, которые были свойственны в докембрии живому веществу типа B. Изучение биогеохимии рассеянного органического вещества может привести к созданию новой научной дисциплины в рамках палеонтологии – палеобиохимии живого вещества, и наметить основные этапы биохимической эволюции жизни и эволюции нафтидогенеза в истории Земли. Эволюция нафтидогенеза контролировалось тремя факторами: эволюцией живого вещества, геодинамической эволюцией Земли, эволюцией типов литогенеза (рис. 7.35). (ИГНГ, ИГН, ИХН.)

Рис. 7.35. Переломные точки в эволюции нафтидогенеза: 1 - 3,5-4,0 млрд лет - появление жизни на Земле; 2 - 2,8-3,0 млрд лет - первые в истории Земли континенты; 3 - около 2,5 млрд лет - первая аккреция континентов, образование Пангеи-1, формирование первых осадочных бассейнов; 4 -1,6-1.7 млрд лет - образование Пангеи-2, расширение спектра осадочных бассейнов; 5 - 600 - 520 млн лет - исчезновение липидов живого вещества типа В. Первый эволюционный скачок в биохимии липидов живого вещества; 6-400-350 млн лет - выход жизни на сушу, с конца карбона и в перми (около 300 млн лет) интенсивное заселение жизнью наземных экологических ниш, изменение в биохимии живого вещества, первая мощная эпоха угленакопления, появление нового типа органического вещества-источника нефти и газа, резкое расширение спектра фаций, в которых происходили генерация и аккумуляция нефти и газа, появление новых генотипов нефтей, интенсификация процессов газообразования.

Геология и геохимия окружающей среды Сибири

Научные руководители:
чл.-корр. РАН Кузьмин М.И.,
чл.-корр. РАН Поляков Г.В.

Выполнены региональные геохимические исследования Братского, Иркутского и Новосибирского водохранилищ и прилегающих регионов, определены уровни их загрязнения, степень и пути его воздействия на биоту. Выполнено обоснование геохимического метода обеспечения защиты экосферы при захоронении радиоактивных отходов, отвечающее на вопросы – где, как и почему те или иные химические элементы включаются в водную миграцию или же прочно удерживаются на месте. Создана методическая основа исследований систем техногенные отходы – природные компоненты, заключающаяся в комплексном подходе к пониманию современных окислительных процессов, приводящих к появлению новых ассоциаций минералов с разной степенью устойчивости к внешним воздействиям (рис. 7.36). (ОИГГМ, ИГХ, ИНХ, ИрИХ, ИК.)

Рис. 7.36. Обобщенная схема зональности и преобразования вещества (вертикальный разрез отвала) складированных горелых отходов Беловского цинкового завода.

Изменение климата и природной среды в голоцене и плейстоцене Сибири в контексте глобальных изменений

Научные руководители: акад. Деревянко А.П., акад. Ваганов Е.А., чл.-корр. РАН Грачев М.А.

Результатом выполнения программы явились реконструкции пространственно-временных изменений климатической системы Сибири по геологическим, лимнологическим (рис. 7.37), археологическим, геотермическим и древесно-кольцевым данным.

Рис. 7.37. Результаты диатомового анализа осадков с Академического хребта (станция 18) [Грачев. Лихошвай. Воробьева и др.. 1997], выполненного с шагом 2 см. Наверху показаны схемы распределения океанических стадий и региональная климатостратиграфическая схема. Шкала возрастов приведена в соответствии с моделью Колмана и др. [Colman, Peck, Karabanov et а1., 1995], т. e. при том предположении, что пик 5 соответствует стадии 5е, а скорость осадконакопления постоянна.

Так, в осадочных колонках оз. Байкал на интервале эпохи Брюнес выявлено около 20 индикаторных элементов, маркирующих ледниковые и межледниковые периоды и их переходы. В отличие от океанских записей, где устанавливается 100-тысячелетний цикл, здесь более существенно выражены 23- и 72-тысячелетние циклы. Сравнительный анализ периодичности и продолжительности теплых эпох плейстоцена показал, что с позднего плейстоцена (120 тыс. лет т. н.) в умеренных широтах Северного полушария частота и амплитуда климатических колебаний существенно изменились, а направленность климатических изменений позднего кайнозоя с голоценового времени (10 тыс. лет т. н.) сменилась в сторону потепления. Выявленная тысячелетняя периодичность климатических изменений в позднем плейстоцене и голоцене в Западной Сибири и ее сравнение с историческими сведениями об изменениях климата за последние 2000 лет позволило показать естественный характер современного потепления (рис. 7.38). Для внутриконтинентальных низменных районов выявлены дополнительные отрицательные последствия глобального потепления, выраженные в перестройке гидросети на более высокий гипсометрический уровень, что является следствием подъема уровня океана по мере развития глобального потепления.

Рис. 7.38. Плейстоценовая лессово-почвенная последовательность Сибири и ее корреляция с последовательностью палеоклиматов по осадкам оз. Байкал.

Для Сибирского сектора Евразии построены календарно-непрерывные древесно-кольцевые хронологии и выполнен дендроклиматический анализ 2,5-тысячелетних хронологий по изменчивости ширины годичных колец деревьев. Рассчитаны модели реконструкции изменений летней и среднегодовой температур воздуха с разрешающей способностью – календарный год. Согласно геотермическим исследованиям в Южной Сибири на фоне роста температуры начиная с 1200 г. имеется резкое и сильное похолодание в интервале 1700–1900 гг., которое не обнаруживается в северных районах Западной Сибири, где наблюдается непрерывное потепление за последние 500 лет. (ЛИН, ИАЭТ, ОИГГМ, ИГХ, ИЛ, ИГД, ИЗК, ГИ, ИМЗ, ИКЗ, ИПОС, ИЦГ, СИФИБР, ИЭПК, ИЯФ, ИДСТУ.)

Комплексные исследования биосферной роли бореальных лесов на сибирских трансектах IGBP

Научный руководитель: акад. Ваганов Е.А.

Рассчитаны запасы углерода и интенсивность деструкционного звена углеродного цикла в бореальных лесах Средней Сибири. Установлено, что в фитомассе древостоев и нижних ярусов лесных сообществ лесотундры содержится 28,1 т/га углерода, северной тайги – 45,1, средней – 44,2, южной – 56,7. В годичном приросте лесов аккумулируется 0,8 % углерода от его общего запаса. В среднем за год лесная растительность связывает 0,36 т/га углерода. Общий минерализационный поток углерода в лесах, определенный с учетом интенсивности разложения фракций органики разного биохимического состава и площади насаждений разных пород, составляет 75,8 млн т/год. Наибольший вклад в биогенную эмиссию углерода (47 %) вносят лиственничники, второй по массе поток (17 %) формируется в березняках. Остальные 36 % поступающего в атмосферу углерода приходятся на насаждения кедра, сосны, пихты, ели и осины. Пирогенная эмиссия углерода, рассчитанная по данным о горимости лесов в различных подзонах тайги за последние 300 лет, составляет в среднем 10 % от величины его годичного связывания лесной растительностью (рис. 7.39).

Рис. 7.39. Изменение горимости лесов (1) и пирогенной эмиссии углерода (2) в лесотундре и подзонах тайги Енисейского меридиана.

Полученные данные имеют непосредственное отношение к моделированию динамики газового состава атмосферы и глобальных изменений климата.

Разработана базовая основа информационного обеспечения ГИС регионального и локального уровней для оценки биосферных функций лесов и экосистемного управления лесопользованием. Она представляет собой интегрированные многофункциональные базы картографических, цифровых и дистанционных данных, материалов лесоустройства и научных исследований. (ИЛ, ИБФ, ИВМ, ИМЗ, ИГСО, ИБПК, БИП.)


Структурно-динамическая организация и методология устойчивого использования биологического разнообразия Сибири

Научный руководитель: акад. Коропачинский И.Ю.

Обобщены и проанализированы обширные материалы по биоразнообразию растительности и животного мира Западно-Сибирской равнины и других наземных естественных экосистем. Выявлены и оценены сила и общность связи основных факторов среды и пространственной неоднородности экосистем. Показано несовпадение территориальной изменчивости населения различных экологических групп животных с ландшафтными и геоботаническими границами, что связано с различиями в адаптационных возможностях животных и растений. Неоднородность экосистем Земли наиболее значимо связана с типом растительности (52 % учтенной дисперсии) и с гидротермическим режимом (28 %). Меньшие оценки свойственны увлажнению, облесенности, влаго- и теплообеспеченности. Всего при корреляции ряда факторов среды и природных режимов удалось объяснить 66 % дисперсии сходства экосистем.

Сформулированы представления о неоднородности экосистем, которые втрое информативнее, чем ранее существовавшие. По сходству в фито- и зоомассе и в разнообразии сообществ типологически целесообразнее делить экосистемы не по поясам и областям, как это принято, а по группам типов растительности – лесные, пустынные и прочие открытые и мозаичные сообщества. Дальнейшее деление их совпадает с различиями гидротермического режима и адаптационными возможностями растений и животных, при этом к уменьшению биомассы приводит увеличение территориальной и физиологической сухости в условиях, совершенно различных по тепло- и влагообеспеченности (рис. 7.40).

Рис. 7.40. Пространственно-типологическая структура неоднородности естественных экосистем суши (цифры у номеров надклассов и связи между ними - сходство по биомассе растений, беспозвоночных и позвоночных животных).

Впервые показано, что в Западной Сибири неуклонность уменьшения плотности летнего населения птиц за счет лучшего прогревания почв при разрежении лесов и проникновения гипоарктических видов к югу по обширным болотам, поймам и редколесьям (рис. 7.41). В Восточной Европе, за счет отепляющего влияния течения Гольфстрим, общее обилие птиц в субарктических тундрах выше, чем в Западной Сибири, почти одинаково в лесотундре и значительно меньше в северной тайге, поскольку редкостойность ее существенно меньше, чем в более континентальных условиях Сибири. Начиная от средней тайги, суммарное обилие и число фоновых видов птиц в Восточной Европе неуклонно уменьшается к югу, а не увеличивается, как в Западной Сибири и как должно быть. Это связано с большой антропогенной трансформацией ландшафтов, особенно с распаханностью территории. (ЦСБС, ИСЭЖ, ИОЭБ, ИБПК, ИЛ.)

Рис. 7.41. Зональные изменения видового богатства и плотности летнего населения птиц Западно-Сибирской и Восточно-Европейской равнин.


  В оглавление Далее