70 лет Цимлянской научной станции ИФА РАН

70 лет назад 30 августа 1955 года Постановлением правительства СССР было принято решение выделить тогда еще Геофизическому институту АН СССР, в результате реорганизации которого несколько месяцев спустя будет создан Институт физики атмосферы, участок земли на окраине г. Цимлянска в Ростовской области для создания специализированного полигона по исследованию атмосферной турбулентности.

Рождение теории и поиск идеального полигона

Середина прошлого века ознаменовалась бурным развитием теории турбулентных течений, и в том числе атмосферной турбулентности. Прикладное значение этих работ было крайне значимо для задач прогноза погоды и климата, исследования распространения волн в атмосфере и атмосферных загрязнений и многих других, которые делают физику атмосферы важнейшей наукой среди наук о Земле.

В 1954 г. А.М. Обухов и с А.С. Монин опубликовали теорию подобия турбулентности в пограничном слое атмосферы, которая до сих пор является одной из самых востребованных, эффективных и цитируемых в области физики атмосферы, одним из ключевых пунктов которой стал характерный масштаб, получивший впоследствии название «масштаба Обухова». Будучи теоретиком, А.М. Обухов уделял особое внимание организации и проведению экспедиционных исследований, экспериментам в модельных условиях, проверке теоретических вычислений в природных условиях. Тем более, что эти годы ознаменовались и созданием специализированной аппаратуры по исследованию атмосферной турбулентности, в частности акустических анемометров.

Для исследований был необходим полигон, расположенный на плоском ландшафте в регионе, где вероятны периоды со стационарными погодными условиями. При этом должна была существовать готовая инфраструктура и близость населенного пункта с коммуникациями. Поиском такой площадки Александр Михайлович Обухов занимался лично, начав с родных саратовских степей и ландшафтов средней и нижней Волги. Подходящая площадка была найдена на Дону на окраине г. Цимлянска, где рядом с небольшим местным аэродромом во владениях полузаброшенной метеорологической станции находился участок абсолютно ровной необрабатываемой степи, идеально подходивший для проведения качественных экспериментов. Площадка обеспечивала уникальное сочетание климатических условий с устойчивыми летними антициклонами и характера местности, представляющей собой плоский ландшафт с ветровым разгоном более 2 км над однородной поверхностью при преобладающих северном и северо-восточном направлениях ветра.

Международное признание и новые открытия

С первых же лет существования станция стала уникальной площадкой для тестирования научного оборудования, проверки теоретических построений и разработки новых теорий, исследования атмосферных процессов. Наряду с экспериментами в Канзасе и Австралии измерения 60-х годов на ЦНС внесли значимый вклад в определение универсальных функций теории подобия Монина Обухова, необходимых для расчета характеристик турбулентного перемешивания в пограничном слое атмосферы. 

А начиная с 1970-го года Цимлянский полигон вошел в состав полигонов международного проекта ITCE(International turbulence comparison experiment), основной целью которого было сравнение различных приборов и устройств для измерения турбулентности и обработки данных, и определение точности моделей для оценки турбулентных потоков. 

К тому времени во многих странах было разработано множество приборов для измерения турбулентных флуктуаций в приземном слое атмосферы с целью определения турбулентных потоков методом турбулентных пульсаций (или вихревой ковариации, eddy covariance). Но к измерениям было много вопросов и не существовало стандартного метода измерения флуктуаций, который общепризнанно считался бы наилучшим. Поэтому сравнение результатов, полученных с помощью различных приборов, было необходимо для выявления проблем с приборами и выработки единого стандарта измерений. Кстати, эта проблема окончательно не решена до сих пор. В рамках этого проекта в 70-х и 80-х годах прошлого века на базе Сстанции проводились крупные международные экспедиции, в которых принимали участие учёные из США, Австралии, Канады, Германии, Польши, Чехословакии и Болгарии. В те же годы особое развитие получили самолетные измерения характеристик атмосферной турбулентности на высотах от 50 метров до 3-х километров с борта самолёта-лаборатории, вылетающего из Ростова, и вертолёта, базировавшегося на Цимлянском аэродроме. 

Активно развивались и направления исследований, связанные с распространением звуковых и электромагнитных волн в турбулентной атмосфере и наземным дистанционным зондированием атмосферной турбулентности. Обширные экспериментальные исследования распространения звука и света (лазерного излучения) в приземном слое на Цимлянской научной станции подтвердили теоретические предположения А.М. Обухова и В.И. Татарского о роли флуктуационных явлений при распространении звуковых и электромагнитных волн в турбулентной атмосфере и значительно способствовали последующему развитию уточнению теоретических и практических формул и методик. С конца 1970-х годов в институте началась разработка акустических локаторов (содаров) для дистанционного исследования атмосферной турбулентности. Методика содарного зондирования также отрабатывалась, в основном, на ЦНС, в тесном взаимодействии с измерениями микро-метеорологических параметров на мачтах. 

Современные исследования и будущее

В настоящее время ЦНС является востребованным полигоном для проведения фундаментальных и прикладных исследований с развитой инфраструктурой. На станции ежегодно в весенне-летний период работают комплексные экспедиции по исследованию структуры и динамики пограничного слоя атмосферы, атмосферной турбулентности, атмосферного электричества, распространения аэрозоля. Организован круглогодичный мониторинг теплофизических свойств поверхности, динамики приземного слоя атмосферы и аэрозольного состава. Проходят студенческие учебные практики МГУ и ВШЭ. Лётные традиции также не забыты: на станции проводятся испытания систем измерений структуры и динамики атмосферного пограничного слоя на базе беспилотных летательных систем, в частности разработанного в ИФА БПЛА самолетного типа для измерения атмосферной турбулентности с гордым названием «Цимлянин». В последние годы станция стала базой для работ по исследованию гидрохимии Цимлянского водохранилища.

Новая страница в истории: карбоновый полигон

История станции продолжается. 12 августа 2025 года на заседании Экспертного совета при Министерстве науки и высшего образования Российской Федерации по вопросам научного обеспечения развития технологий контроля углеродного баланса (№ приказа ДС/115-пр) было одобрено предложение о создании и функционировании степного карбонового полигона в Ростовской области на базе Цимлянской научной станции ИФА им. А.М. Обухова РАН. Следовательно, будут проводится исследования регионального углеродного баланса и будут создаваться основы для климатических проектов.