авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

Состав атмосферы

над Северной Евразией:

эксперименты TROICA

Международный научно-технический центр

TROICA: Трансконтинентальные наблюдения

состава атмосферы

Эксперимент Дата Маршрут

TROICA-1 17.11 – 02.12.1995 Н. Новгород – Хабаровск – Москва

TROICA-2 26.07 – 13.08.1996 Н. Новгород – Владивосток – Москва

TROICA-3 01.04 – 14.04.1997 Н. Новгород – Хабаровск – Москва TROICA-4 17.02 – 07.03.1998 Н. Новгород – Хабаровск – Н. Новгород Н. Новгород – Хабаровск – Москва.

TROICA-5 26.06 – 13.07.1999 Наблюдения вдоль р. Обь Москва – Мурманск – Кисловодск.

Кисловодск – Мурманск.

TROICA-6 06.04 – 25.06.2000 Мурманск – Москва.

Наблюдения на 4-х станциях TROICA-7 27.06 – 10.07.2001 Москва – Хабаровск – Москва TROICA-8 19.03 – 01.04.2004 Москва – Хабаровск – Москва TROICA-9 04.10 – 18.10.2005 Москва – Владивосток – Москва Объезд вокруг Московского мегаполиса TROICA-10 04.10 – 07.10.2006 с пересечением г. Москвы TROICA-11 22.07 – 05.08.2007 Москва – Владивосток – Москва TROICA-12 21.07 – 04.08.2008 Москва – Владивосток – Москва 4.10 – 5.10.2009 Москва – Мичуринск – Москва TROICA- 9.10 – 23.10.2009 Москва – Владивосток – Москва Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова Российской академии наук, Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта, Международный научно-технический центр Состав атмосферы над Северной Евразией:

эксперименты TROICA Авторы:

Н.Ф. Еланский, И.Б. Беликов, Е.В. Березина, К.А.М. Бреннинкмайер, Н.Н. Букликова, Л. Вайсфлог, Е. Вартиайнен, Г.С. Голицын, Г.И. Горчаков, И.Г. Гранберг, А.М. Грисенко, С.Н. Еланский, А.С. Елохов, К.В. Жерников, А.И. Игаев, А.А. Козлова, В.М. Копейкин, П. Крутцен, С. Куокка, О.В. Лаврова, Л.В. Лисицына, К.Б. Моисеенко, Е. Оберландер, Ю.И. Обвинцев, Л.А. Обвинцева, Н.В. Панкратова, О.В. Постыляков, Е. Путц, П.А. Ромашкин, A.Н. Сафронов, А.И. Скороход, О.А. Тарасова, Дж.С. Турнбулл, Д.Ф. Хёрст, Р. Хользингер, К.П. Шенфельд, Р.А. Шумский, Дж. В. Элкинс Редактор: Н.Ф. Еланский Москва • Содержание Предисловие.................................................................................... Введение.....................................................................

...................... 1. Наблюдения состава атмосферы....................................... 2. Эксперименты TROICA........................................................... 2.1. Организация экспериментов TROICA.................................. 2.2. Передвижная лаборатория для наблюдений состояния окружающей среды.............................................. 2.3. База данных и контроль качества данных............................ 3. Газовые примеси и аэрозоли над континентом........... 3.1. Озон и окислы азота в приземном воздухе.......................... 3.2. Углеродсодержащие соединения: CO, CO2, CH4.................... 3.3. Летучие органические соединения...................................... 3.4. Концентрации и потоки 222Rn............................................... 3.5. Озоноразрушающие вещества................................................. 3.6. Аэрозоли........................................................................................... 4. Региональные загрязнения атмосферы........................... 4.1 Загрязнение воздуха в городах................................................ 4.2. Московский мегаполис............................................................... 4.3. Измерения в регионе Кавказских Минеральных Вод............ 4.4. Токсикология в аридных регионах....................................... 4.5. Экстремальные ситуации......................................................... 5. Вклад локальных источников в изменение состава атмосферы................................................................. 5.1. Влияние железнодорожного транспорта............................... 5.2. Утечки природного газа............................................................. 5.3. Влияние ЛЭП на качество воздуха.......................................... 5.4. Шлейфы от промышленных предприятий и городов........ 6. Заключение.................................................................................. Публикации........................................................................................ Список сокращений....................................................................... 2 Содержание Предисловие В книге представлены результаты долговременных исследований состояния атмос феры над территорией России, которые были получены в ходе выполнения проектов 1235, 2770, 2773, 2757 и 3032 Международного научно-технического центра (МНТЦ).

В выполнении проектов участвовали ученые и техники Института физики атмосферы им. А.М. Обухова, Научно-исследовательского физико-химического института имени Л.Я. Карпова, Всероссийского научно-исследовательского института железнодорож ного транспорта, Института химии Макса Планка, Научно-исследовательской лабора тории по изучению Земли NOАA и других научно-исследовательских организаций Рос сии, Германии, Финляндии и Австрии.

Проведенные исследования являются частью общей деятельности МНТЦ, направ ленной на решение острых экологических проблем. Как и во многих других развитых странах в России отмечаются неблагоприятные тенденции в изменении климата и ухудшение качества воздуха в городах. По данным Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды в 2007 г. в 67% российских городов уровень загрязнения воздуха определялся как высокий или очень высокий.

В 38 городах с населением 14.9 млн. жителей уровень загрязнения признан опасным.

Значительный ущерб экономике России может нанести потепление климата, осо бенно быстрое в северных регионах страны. В последние годы все чаще отмечаются чрезвычайные ситуации, связанные с таянием вечной мерзлоты и экстремальными погодными условиями.

Основной деятельностью МНТЦ является развитие и поддержка научных и инно вационных проектов и содействие в международном научно-техническом сотрудни честве. За последние 15 лет МНТЦ поддержал свыше 2600 научных проектов на общую сумму более 800 миллионов долларов США. В этих работах участвовали свыше 71000 ученых и технических специалистов более чем из 980 институтов России и стран бывшего СССР. МНТЦ также обеспечивает управление проектами и оказывает иные услуги, стимулирующие международное научное сотрудничество с участием около 400 коммерческих и государственных организаций-партнеров, предпочитающих выполнять проекты НИОКР в контексте программы партнерства МНТЦ.

МНТЦ оказал поддержку в проведении международных экспериментов TROICA (TRanscontinental Observations Into the Chemistry of the Atmosphere). Эти эксперименты в значительной степени заполнили недостаток информации о состоянии атмосферы в Северной Евразии. Были проведены пионерские наблюдения состава атмосферы в континентальном масштабе с помощью специально созданной и оборудованной железнодорожной лаборатории. В ходе многолетних исследований получены важные сведения о распределении над Северной Евразией газовых и аэрозольных составляю щих атмосферы и его временной изменчивости, о загрязнении атмосферного воз духа во многих городах и промышленных районах, о влиянии различных природных и антропогенных факторов на состояние континентальной атмосферы.

Эксперименты TROICA стали регулярными, являясь ключевым элементом системы мониторинга состава атмосферы в России, и я надеюсь, что расширение сотрудниче ства между учеными разных стран в рамках деятельности МНТЦ будет продолжаться.

Адриаан ван дер Меер Исполнительный директор Международного научно-технического центра Предисловие TROICA: необходимость исследований состава атмосферы над континентом Когда в 1924 г. выдающийся ученый Владимир Иванович Вернадский предска зал роль биосферы в формировании климата Земли и глобальные последствия человеческой деятельности, мало кто осознавал, что уже через несколько деся тилетий мы увидим изменение климата в действии. Изменение климата резко меняет условия жизни человечества, происходит разрушение сложившихся на Земле экосистем. Ни одна страна не сможет извлечь положительного эффекта от этих климатических изменений.

Ученые всего мира пытались понять погодные, климатические и химические процессы, происходящие в атмосфере, роль океанов, биосферы и криосферы.

Несмотря на меры, которые принимаются для уменьшения выбросов парнико вых газов в атмосферу, изменения климата все равно будут происходить. Поэтому необходимо, прежде всего, иметь представление обо всех изменениях и взаимо действиях, происходящих в атмосфере. В большинстве научных направлений по исследованию атмосферы наблюдения ее состава имеют определяющее значение, а эксперименты TROICA по наблюдению состава атмосферы, которые проводятся в масштабах такой большой страны, как Россия, имеют исключительное значение.

Мониторинг состава атмосферы над обширной континентальной территорией охватывает различные климатические и географические зоны. Для выполнения задач мониторинга атмосферы, наши российские коллеги, используя научные знания и инновационные научные разработки, сконструировали, реализовали и привели в действие уникальную лабораторию TROICA (TRansсontinental Observations into the Chemistry of the Atmosphere). Использование лаборатории дало возможность российским ученым проводить регулярные и детальные измерения на расстояниях почти 10 000 км.

Охрана окружающей среды является международной задачей. В этой связи эксперименты TROICA являются плодотворным международным сотрудничеством.

Научные институты различных стран, в зависимости от их научных целей и воз можностей, принимают участие в экспериментах TROICA. Объединение ученых, инженеров, работников железной дороги было очень успешным и в этом нужно отдать должное нашим российским коллегам.

Я надеюсь, что экспериментам TROICA в России будет оказываться всемерная поддержка. Регулярные систематические наблюдения внесут свой вклад в лучшее понимание всех изменений, происходящих в атмосфере и восприимчивой к этим изменениям биосфере над территорией России от Москвы до Владивостока и от Кисловодска до Мурманска.

Пауль Крутцен Профессор, Лауреат Нобелевской премии по химии 4 Предисловие Введение В настоящее время загрязнение окружающей среды превратилось в глобальную экологическую проблему. Величайшие научные открытия, уникальные технологии и инженерные проекты ХХ века определили, с одной стороны, новое качество жизни человека, а с другой стороны, поставили её под угрозу существования из-за достигнутого критического уровня загрязнения окружающей среды.

Одной из наиболее серьёзных проблем является загрязнение атмосферы. Как следствие, ухудшается качество воздуха (особенно в крупных городах), изменяется радиационный режим и климат Земли. Экономический рост в мире сопровожда ется увеличением выбросов в атмосферу парниковых газов, химически активных и токсичных соединений, стойких органических загрязнителей и их мельчайших частиц – аэрозолей.

По данным Росгидромета, за 2007 г. число российских городов с высоким или очень высоким уровнем загрязнения атмосферы с 1990 г. возросло в 1,6 раз. В них проживает 58.1 миллиона человек (60% всего населения городов России). В 37 субъ ектах Российской Федерации более 55% городских жителей проживают в условиях высокого или очень высокого уровня загрязнения атмосферы. В семи из них (вклю чая гг. Москва и Санкт-Петербург) таким воздухом дышат более 75% всех жителей.

Из-за высокого уровня загрязнения воздуха в России ежегодно умирает 40 тысяч человек, а число заболеваний бронхиальной астмой и аллергией с 1990 г выросло в 3 – 5 раз. К самым распространенным загрязняющим веществам относятся перилен, формальдегид, диоксид азота, устойчивые органические загрязнители и другие ток сичные соединения. Основными источниками загрязнения воздуха являются метал лургическая и химическая промышленности, тепловые электростанции и автомо бильный транспорт. В 2000–х годах общие антропогенные выбросы в атмосферу от стационарных источников выросли на 10%, от автомобильного транспорта – на 30%, а производство токсичных отходов возросло на 35%.

Вместе с тем, состав воздуха в удаленных регионах (Сибирь и Арктика) тоже изменяется, и достаточно быстро, из-за переноса загрязняющих веществ из про мышленных центров России и соседних стран (СНГ, Европейского союза, Китая, Японии и др.). В 2006 г. суммарные эмиссии парниковых газов (без учета эмиссий биогенного происхождения) составили 2190 млн. тонн двуокиси углерода и других углеродсодержащих веществ, что составило 107% от уровня 2000 г. и 66% от уровня 1990 г. Основным источником эмиссий парниковых газов является энергетический сектор (82% всех эмиссий в 2006 г.).

В России вопросам экологии уделяется все больше внимания. Разрабатывае мые в настоящее время новые Федеральные целевые программы “Развитие госу дарственной системы мониторинга окружающей среды на территории РФ на 2009 – 2015 годы”, ”Чистая вода”, ”Чистый воздух”, ”Чистая почва”, позволят обе спечить качественные изменения в экологической политике России.

Проекты МНТЦ внесли существенный вклад в минимизацию/устранение неко торых региональных и глобальных экологических проблем и оказали поддержку в исследованиях, направленных на устойчивое развитие естественных экологиче ских систем и сохранение биоразнообразия.

Введение Окружающая среда – это одна из важнейших технологических областей иссле дования, в рамках которой МНТЦ оказывает финансовую поддержку научным институтам. К июню 2009 г. было профинансировано 428 проектов. Финансирую щие стороны и партнеры МНТЦ выделили 133 млн. долларов на финансирование проектов по охране окружающей среды. Более чем 330 научно-исследовательских институтов и организаций из России и стран СНГ приняли участие в выполнении проектов. Результаты проектов были реализованы в целом ряде новых или усо вершенствованных технологий, исследований и баз данных, связанных с защитой окружающей среды.

Данная книга обобщает результаты исследований, выполненных Институтом физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, Российским научно-исследовательским институтом железнодорожного транспорта, Институтом физической химии им. Л.Я.

Карпова и другими организациями в рамках проектов МНТЦ № 1235, 2773, 2770, 3032, 2757 совместно с коллегами из Германии, США, Финляндии и Австрии. На базе передвижной железнодорожной лаборатории в ходе экспериментов TROICA (TRanscontinental Observations Into the Chemistry of the Atmosphere) были исследо ваны изменения содержания в атмосфере аэрозольных и газовых составляющих, радиационные и термодинамические характеристики атмосферы над обширными регионами Северной Евразии.

Результаты этих исследований существенно дополнили имеющуюся скудную информацию об источниках, стоках, транспорте и химических преобразованиях атмосферных составляющих над значительной частью территории Северной Евра зии, что является особенно важным для оценки состояния окружающей человека среды в глобальном масштабе.

Уникальная лаборатория-обсерватория, состоящей из двух специализирован ных вагонов, дает возможность проводить мониторинг состава атмосферы вдоль всей сети электрифицированных железных дорог бывшего СССР и соседних стран.

Лаборатория оснащена современными приборами, аналоги которых используются в Глобальной службе атмосферы ВМО, и может считаться ключевым компонентом этой системы, выполняющим сбор информации о состоянии атмосферы над кон тинентом, калибровки приборов на измерительных сетях, расположенных в этом регионе, и валидацию спутниковых данных.

Мы приглашаем всех заинтересованных партнеров принять участие в уникаль ных экспериментах TROICA для улучшения состояния окружающей среды.

В. Гудовски Профессор, Заместитель Исполнительного Директора Международного научно-технического центра В.Я. Руднева Главный куратор проектов, научный куратор программы по окружающей среде Международного научно-технического центра Н.Ф. Еланский Профессор, научный руководитель экспериментов TROICA, зав. отделом ИФА им. А.М.Обухова РАН Введение 1. Наблюдения состава атмосферы Изменение состава атмосферы. и в быту фреоны, галоны и др. вещества, имея длительное время жизни, достигают Атмосфера представляет собой сложную стратосферы и разрушают озоновый слой.

физико-химическую систему, находящуюся В результате увеличивается поток коротко во взаимодействии с земной поверхностью, волновой ультрафиолетовой радиации на океаном и биосферой. Ее состав непрерывно поверхность Земли, что приводит к много меняется. На рубеже XX и XXI столетий эти численным неблагоприятным послед изменения резко ускорились в результате ствиям для живой природы и здоровья быстрого роста населения и интенсивной человека.

человеческой деятельности. Промышлен ностью, транспортом, коммунальными службами в атмосферу выбрасываются опасные для человека и живой природы химически активные и токсичные соедине ния. Некоторые из них формируются непо средственно в воздушной среде из относи тельно нейтральных предшественников.

Такие вещества, как окислы азота, углерода и серы, углеводороды, меняют окислитель ные свойства атмосферы, т.е. способность атмосферы трансформировать загрязняю щие примеси в нейтральные формы и выво дить их из воздушной среды.

Рис. 1.2. Приземные концентрации CFC-12 на стан циях ESRL: Бэрроу, Ниво-Ридж, Мауна-Лоа, Самоа и Южный Полюс (ESRL NOAA, 2008) В последние десятилетия выявилась и другая тенденция – увеличение содержа ния в атмосфере парниковых газов – окиси и двуокиси углерода, метана, тропосфер ного озона и некоторых других (рис. 1.1–1.2).

Вследствие этого изменилось состояние климатической системы и произошло потепление климата на Земле. Глобальное потепление сопровождается рядом небла гоприятных явлений, в частности, увеличе нием повторяемости экстремальных метео Рис. 1.1. Приземное содержание СО2 на станции рологических и экологических ситуаций Мауна - Лоа (ESRL NOAA, 2008) (ливневых осадков, наводнений, ураганов, Некоторые из этих веществ также спо- оползней и т.п.) и опустыниванием южных собствуют фотохимическому образова- территорий.

нию озона в приземном воздухе, высокие Обеспокоенность изменением состава концентрации которого снижают биоло- атмосферы способствовала принятию гическую продуктивность растений, в том нескольких важных международных согла числе, и сельскохозяйственных культур, и шений, содержащих требования об ограни негативно влияют на здоровье человека. чении производства и выбросов различных Используемые в промышленности веществ.

Наблюдения состава атмосферы годов произошло временное улучшение – Конвенция о трансграничном экологической ситуации в стране. За десяти переносе загрязнений (1979 г.) летие с 1992 по 2001 г. на 32% уменьшились и Протоколы об ограничении выбросы загрязняющих веществ. В том выбросов соединений серы (1985 числе выбросы SO2 снизились на 35.5%, и 1994 гг.), окислов азота (1988 г.), NO и NO2 – на 38%, CO и CO2 на 41%, твердых летучих органических соедине- веществ – на 46% [National estimate, 2002].

ний (1991 г.), тяжелых металлов Однако в последнее время загрязнение (1998 г.), устойчивых органиче- воздушной среды начинает опять возрас ских загрязнителей (1998 г.), о кис тать. Особенно эта тенденция проявляется в лотных осадках, нитрификации крупных городах и промышленных центрах, и приземном озоне (1999 г.) где не только восстанавливается работа – Конвенция о защите озонового предприятий, но и быстро растет парк авто слоя (1985 г.) и Монреальский мобилей.

протокол (1987 г.) На европейской части страны значитель ная доля загрязнений воздуха обусловлена – Рамочная конвенция об измене трансграничным переносом из регионов нии климата (1992 г.) и Киотский Западной и Центральной Европы: по содер протокол (1997 г.) жанию ртути – до 95%, бенз(а)пирена – – Конвенция о борьбе с опустыни- свыше 80%, свинца и кадмия – свыше 50%, ванием (1994 г.). окислам серы – 12%, окислам азота – 25% [National estimate, 2002]. Также значителен приток загрязнений, в том числе органиче Все соглашения содержат требования ских, на территорию Дальнего Востока из и рекомендации по проведению широко Китая и, летом, из Японии и Кореи. В свою масштабного и комплексного мониторинга очередь, из России выносятся загрязнения химического состава атмосферы.

от предприятий, расположенных преиму щественно на Кольском полуострове, Тай мыре, Урале и в Южной Сибири.

Состояние воздушной среды в В 2007 году [Environmental state, 2008] России. в 67% российских городов, где проводились наблюдения, уровень загрязнения воздуха На фоне глобальных изменений состоя- в соответствии с российскими стандартами ния атмосферы проявляются специфиче- был высоким или очень высоким.

ские региональные особенности. В России Загрязнение воздуха и образование в нем из-за большой территории и исторически токсичных соединений негативно сказыва сложившихся диспропорций в развитии ется на состоянии растительности. Особенно производительных сил – преимуществен- ярко такие процессы проявляются на юге ной ориентации на отрасли первичной России [Еланский, 2004]. Именно здесь были переработки природных ресурсов и несо- обнаружены максимальные на территории вершенства применяемых технологий – страны концентрации хлорорганических характер природопользования и экологи- соединений в растениях (например, содер ческая ситуация существенно отличаются жание трихлоруксусной кислоты достигало в разных регионах России. На 15% терри- 70 нг на 1 кг сухого вещества [Вайсфлог и тории страны, где проживает свыше 60 млн. др., 2009]) и именно здесь в 90-е годы отме человек, загрязнение природной среды пре- чалась наиболее высокая по стране гибель вышает допустимые нормы. Наряду с этим, лесов и лесных насаждений: 48,8;

8,1 и 6,0 га 65% территории практически не затронуто в год на каждую тысячу га покрытой лесом хозяйственной деятельностью и состояние территории, соответственно в Калмыкии, экосистем здесь близко к фоновому. Бореаль- Ростовской и Астраханской областях.

ные леса России (73% их мирового клина) Есть признаки подобного воздействия и ее водно-болотные системы являются загрязнений на бореальные леса [Лисицына крупнейшим резервуаром поглощенных и др., 2006]. Повреждение этих лесов может из атмосферы углекислого газа и многих привести не только к снижению их продук загрязняющих веществ [Strategy, 2002]. тивности и экономическому ущербу для В связи с экономическим кризисом 90-х страны, но и к уменьшению поглощения ими Наблюдения состава атмосферы углекислого газа и к избыточной влагоот- низаций. 3 – 4 апреля 2008 г. в Федеральном даче, что вызовет увеличение в атмосфере собрании Российской Федерации состоя содержания самых значимых парнико- лось Международное совещание экспертов вых газов – СО2 и Н2О. Кроме того, сниже- «Актуальные проблемы развития экологи ние влаги в почве ослабляет способность ческих исследований в России».

водно-болотных систем аккумулировать Основной задачей этих двух крупных органические вещества и сдерживать про- форумов являлась оценка деятельности исходящее потепление климата [Вейсфлог существующей в России системы монито и др., 2009]. ринга атмосферы, выработка рекомендаций Многообразие российских экологиче- по ее модернизации и развитию на основе ских особенностей – главный фактор, позво- анализа ситуации в стране и мировых тен ляющий регулировать баланс парниковых денций в данной сфере.

газов. Эти особенности должны обязательно Состояние воздушной среды в России учитываться при формулировании офици- вызывает тревогу. В последние годы непре альной позиции Российской Федерации по рывно растет объем выбросов в атмосферу.

отношению к любым будущим международ- С учетом наметившегося экономического ным соглашениям по окружающей среде. подъема в России и соседних странах можно Необходимо принимать во внимание тот ожидать дальнейшего ухудшения качества факт, что региональные изменения состава воздуха на территории страны.

атмосферы могут отличаться от глобальных Основными недостатками существую (отрицательный тренд приземной концен- щей государственной системы мониторинга трации озона на Кисловодской высокогор- является физический и моральный износ ной станции представлен на рис. 1.3). измерительного оборудования;

недоста точное развитие системы поддержания и контроля качества измерений;

практи чески полное отсутствие непрерывных, в том числе автоматических наблюдений;

недостаточная оснащенность средствами обработки и передачи данных, ее несовме стимость с существующими международ ными наблюдательными сетями и потеря за последние годы квалифицированных кадров. Причиной накопившихся к настоя щему времени проблем национальной системы мониторинга состава атмосферы стали затяжной экономический кризис и существенные недостатки правовых основ деятельности в данной сфере.

Рис. 1.3. Приземные концентрации озона на Единственный выход из сложившейся Кисловодской высокогорной станции (2070 м. над ситуации – в самые краткие сроки прове уровнем моря;

43.7° с.ш., 42.7° в.д.) сти коренную реконструкцию Российской системы мониторинга: оптимизировать её Система мониторинга состава структуру и состав;

использовать современ ные приборные и методические средства, атмосферы в России.

включая системы дистанционного зонди рования, обеспечивающие автоматизиро 16-18 октября 2007 г. в г. Москве состоя ванное получение трехмерных данных о лась Всероссийская конференция «Развитие составе атмосферного воздуха, радиаци системы мониторинга состава атмосферы», онных и метеорологических характеристи организованная Российской академией ках;

разработать специальные процедуры наук и Росгидрометом при поддержке Рос и математические модели в целях исполь сийского фонда фундаментальных исследо зования этих данных для прогнозирования ваний. В конференции принимали участие погоды, климата и загрязнения окружающей ученые и специалисты из 48 организаций среды.

16-ти ведомств, представители Правительства Выразив тревогу и озабоченность состо г. Москвы, Всемирной метеорологической янием национальной системы мониторинга организации и ряда общественных орга Наблюдения состава атмосферы состава атмосферы, конференция приняла При реконструкции системы мониторинга решение: следует исходить из того, что российская измерительная сеть должна быть инте – признать, что мониторинг и научные грирована с глобальной наблюдательной исследования состава атмосферы являются сетью, в частности, с Глобальной службой фундаментом формирования политики в атмосферы ВМО [WMO Global Atmosphere области окружающей среды на глобальном, Watch, 2007].

национальном, региональном и локальном уровнях и должны получать систематическую Передвижная лаборатория и созданная государственную поддержку;

для нее автоматизированная измеритель – рекомендовать Росгидромету и РАН ная система могут служить основой для скоординировать работы подведомственных коренной модернизации Национальной учреждений по международным програм сети мониторинга атмосферы.

мам ГСА ВМО, АМАП, ЕМЕП, ЕАНЕТ и др., предусмотрев включение соответствующих мероприятий в проект ФЦП.

Наблюдения состава атмосферы 2. Эксперименты TROICA 2.1. Организация экспериментов TROICA Изменение состава атмосферы и климата континента и продемонстрировала высокую Земли имеют региональные особенности. эффективность наблюдений состояния атмос В отчете IPCC (2007) приводятся результаты феры с передвижной платформы при условии исследований, которые говорят о том, что в её проезда по электрифицированным железным последние десятилетия наиболее интенсивно дорогам [Крутцен и др., 1996;

Еланский, 2002].

потепление климата происходило в Сибири. Подобные эксперименты продолжались Изменения в климатической системе сопро- на вагоне-лаборатории ВНИИЖТ до 2001 г вождалось изменениями газового и аэрозоль- (табл.2.1.2). При этом от экспедиции к экспе ного состава атмосферы и её взаимодействия диции совершенствовалась измерительная с земными экосистемами. Быстрое развитие система и росло число измеряемых параметров.

глобальной системы мониторинга атмосферы Благодаря активному участию в этих работах в 1990-е годы, к сожалению, почти не косну- д-ра К.А.М. Бреннинкмайера и сотрудников лось России. Более того, в эти годы дегради- его лаборатории (MPIC) были начаты измерения ровала национальная метеорологическая сеть. концентрации и изотопного состава СО и СН4.

Прекратила своё существование сеть фоновых Участие специалистов НИФХИ (руководитель станций, измерявшая ключевые атмосферные работ к.ф.-м.н. А.В. Андронова) существенно составляющие О3, NOx, SO2 и аэрозоли. расширило аэрозольные исследования.

Впоследствии к работам также присоединились специалисты ESRL (США);

UH и FMI (Финляндия).

До 2001 г. эксперименты проводились ежегодно.

За исключением одного все они проходили на Транссибирской магистрали между Москвой и Владивостоком. В 2000 г. была выполнена сложная научная программа наблюдений от Мурманска до Кисловодска со стационарными наблюдениями на Кольском полуострове, в Цен тральном районе, в районе г. Кисловодска и в горах Северного Кавказа в весенний период, когда атмосфера переходила от зимнего режима к летнему. Это позволило разделить антропоген ные и природные биогенные источники СН4, СО, Г.С. Голицын П.Й. Крутцен СО2, летучих органических соединений. В ходе В этот критический период профессор этих работ был совершен троекратный проезд с П.Й. Крутцен предложил директору ИФА РАН измерениями от Мурманска до Кисловодска.

академику Г.С. Голицыну провести наблюде ния приземного озона с пассажирского поезда вдоль Транссибирской железной дороги.

Девять месяцев спустя в ноябре–декабре г. был проведен первый эксперимент TROICA (TRanscontinental Observations Into the Chemistry of the Atmosphere) с использованием специали зированного вагона-лаборатории ВНИИ желез нодорожного транспорта, который был обору дован приборами для измерения концентрации О3, NOx, солнечной радиации и метеорологи ческих параметров. Научным руководителем этого и всех последовавших экспериментов был профессор Н.Ф. Еланский, заведующий отделом Н.Ф. Еланский исследований состава атмосферы ИФА РАН.

Первая экспедиция дала уникальные сведения Затем последовал 2-х летний перерыв, об особенностях распределения и изменчиво- когда строилась новая передвижная лабо сти этих примесей над обширной территорией ратория. В марте-апреле 2004 г. был проведен Эксперименты TROICA Вагон-лаборатория ВНИИЖТ, на котором Экспедиция TROICA-1. А.С. Елохов, Н.Ф. Еланский и проходила экспедиция TROICA-1 И.Б. Беликов Вагон-лаборатория, на котором проходили Участники экспедиции TROICA- экспедиции TROICA-2 – TROICA- эксперимент TROICA-8, в ходе которого испы- Табл. 2.1.1. Система наблюдений передвижной лабо тывались новый вагон-лаборатория для непре- ратории TROICA для регулярных измерений рывных измерений, новые приборы и устрой ства отбора проб воздуха и аэрозолей, а также Концентрации O3, NO, NO2, CO, CO2,222Rn, CH4, SO приземных газов NH3, THC, ЛOC, новое программное обеспечение для управле Распределение частиц (2 нм-10 мкм), ния измерительным комплексом, регистрации и Приземный коэффициент рассеяния, массовая аэрозоль архивации данных. концентрация, сажевый аэрозоль Общее содержание O3 и NO2 и вертикальный профиль (инверси Дистанционное онный экспресс прибор), стратос зондирование ферный и мезосферный профили O3 (микроволновый прибор), NO в пограничном слое (MAX-DOAS) Солнечная ра- Интегральная, UV-A, UV-B, скорость диация фотодиссоциации J (NO2) Метеорологи- Давление, температура, влажность, ческие параме- ветер (скорость и направление), тры профиль температуры (0-600 м) Парниковые газы и ЛОС;

химический, К.А.М. Бреннинкмайер элементный, и морфологический Отбор проб состав аэрозоля, изотопный состав В 2006 г. был реализован уникальный проект CO, CO2 и CH по исследованию состояния воздушной среды в Московском мегаполисе. Был выполнен Данные GPS, изображения с 3х-кратный объезд мегаполиса по областной видеокамеры окрестностей электрифицированной кольцевой железной железной дороги и облачности, концентрации других газов, дороге (протяженность её 550 км) и 2х-кратное Другие измерения аэрозольные частицы и раз пересечение от центра города до ст. Икша. личные атмосферные харак Впервые были получены подробные данные теристики, измеряемые не регулярно о составе атмосферы на границах города и о трансграничных потоках загрязнений. В 2007 2009 гг. были продолжены наблюдения вдоль Транссиба в разные сезоны (табл. 2.1.1) Эксперименты TROICA Табл. 2.1.2. Эксперименты TROICA: периоды и маршруты Эксперимент Дата Маршрут 17.11 – 02. TROICA-1 Н. Новгород – Хабаровск – Москва 26.07 – 13. TROICA-2 Н. Новгород – Владивосток – Москва 01.04 – 14. TROICA-3 Н. Новгород – Хабаровск – Москва 17.02 – 07. TROICA-4 Н. Новгород – Хабаровск – Н. Новгород 26.06 – 13.07 Н. Новгород – Хабаровск – Москва.

TROICA- 1999 Наблюдения вдоль р. Обь Москва – Мурманск – Кисловодск.

06.04 – 25.06 Кисловодск – Мурманск.

TROICA- 2000 Мурманск – Москва.

Наблюдения на 4-х станциях 27.06 – 10. TROICA-7 Москва – Хабаровск – Москва 19.03 – 01. TROICA-8 Москва – Хабаровск – Москва 04.10 – 18. TROICA-9 Москва – Владивосток – Москва 04.10 – 07. TROICA-10 Объезд Московского мегаполиса и пересечение г. Москвы 22.07 – 05. TROICA-11 Москва – Владивосток – Москва 21.07 – 04. TROICA-12 Москва – Владивосток – Москва 4.10 – 5.10 Москва – Мичуринск – Москва.

TROICA- Москва – Владивосток – Москва 9.10 – 23. Эксперименты TROICA 2.2. Передвижная лаборатория для наблюдений состояния окружающей среды Назначение и решаемые задачи • Калибровка приборов, действующих на станциях (ГСА ВМО и ГСМ РФ), валидация Состав. Передвижная лаборатория данных мониторинга.

состоит из двух специализированных ваго- • Выявление и комплексное обследова нов, оборудованных в соответствии с требо- ние экстремальных экологических ситуаций и ваниями Глобальной службы атмосферы (ГСА техногенных воздействий на природную среду.

ВМО) и Государственной сети мониторинга • Контроль загрязнения территории природной среды (ГСМ РФ): железнодорожного транспорта, оценка влия 1ый вагон – модуль (лаборатория) для атмос- ния работы железнодорожного транспорта на ферных наблюдений. экологическое состояние окружающей среды.

2ой вагон – модуль (химическая лаборато- • Комплексное обследование состояния рия) для радиационно-химических наблюде- окружающей среды в городах и промышлен ний, отбора и анализа проб воздуха, аэрозо- ных районах, оценка воздействия на природ лей, воды, грунта и растительности. ную среду различных отраслей и объектов Назначение. Наблюдения состава атмос- хозяйственной деятельности (промышлен феры и определение эмиссий газовых и аэро- ных и электроэнергетических предприятий, зольных загрязняющих веществ, измерение коммунальных служб, автотранспорта, газо- и радиационных и термодинамических параме- нефтепроводов и т.д.).

тров атмосферы. • Экологическое образование и повы шение квалификации специалистов-экологов.

Решаемые задачи. Лаборатория решает широкий круг научных, природоохранных Разработчики:

и прикладных задач, связанных с воздей- – Институт физики атмосферы им.

ствием человеческой деятельности на окру- А.М. Обухова РАН (ИФА РАН), жающую среду: – Всероссийский научно-исследова • Наблюдения газового и аэрозольного тельский институт железнодорожного транс состава атмосферы, ее термодинамических и порта (ВНИИЖТ), радиационных характеристик на обширной – Научно-технический центр (НТЦ) “РАДЭК” территории России, СНГ и других стран. Изготовитель: Торжокский вагонострои • Инвентаризация природных и антро- тельный завод.

погенных источников атмосферных приме сей, определение особенностей их переноса, Организации, внесшие вклад в обору химической трансформации и удаления из дование передвижной лаборатории:

атмосферы. Институт физики атмосферы им. А.М. Обу • Контроль исполнения Международ- хова РАН, Всероссийский научно-исследова ных экологических соглашений (Киотский и тельский институт железнодорожного транс Монреальский протоколы, Конвенции о транс- порт, Научно-технический центр “РАДЭК”, граничном переносе загрязнений, об опустыни- Научно-исследовательский физико-химический вании территорий и др.), обоснование распре- институт им Л.Я. Карпова, Институт прикладной деления квот на выбросы парниковых газов. физики РАН, Институт химической кинетики и горения СО РАН (Россия), Институт химии Макса Вид новой железнодорожной лаборатории Внедорожник для отбора проб и измерений (TROICA-8 – TROICA-13 и т.д.) Эксперименты TROICA Планка (Max Planck Institute for Chemistry – MPIC, Германия), Лаборатория исследований земной системы (Earth System Research Laboratory NOAA – ESRL, CША), компании Horiba, Kipp & Zonen, АТТЕХ, Университет г. Хельсинки (University of Helsinki – UH, Финляндия), Финский метеороло гический институт (Finish Meteorological Institute - FMI, Финляндия).

Оборудование. Оба вагона имеют одно типные автономные системы энергоснабжения, отопления, кондиционирования воздуха, водо снабжения и могут эксплуатироваться в составе пассажирских, грузовых и специальных поездов.

Системы энергоснабжения обеспечи вают электрической энергией всех потреби телей от разных источников: аккумуляторной батареи 110В, подвагонного генератора мощ ностью 28 кВт, высоковольтного машинного преобразователя, дизель-генераторной уста новки, поездной магистрали 110В, внешнего источника трехфазного переменного тока.

Электропитание переменным током напря жением 220В обеспечивает блок инверто ров, преобразующих постоянный ток напря жением 110В от аккумуляторной батареи, которая используется в качестве буфера.

Обсерватория оснащена современным нави гационным (GPS) и телекоммуникационным оборудованием, которое обеспечивает точ ную привязку данных измерений к местности и их передачу в реальном времени в центр данных, расположенный в г. Москве.

В состав химической лаборатории входит автомобиль УАЗ, переоборудованный для про ведения измерений и отбора проб воздуха, Внешний вид лаборатории мониторинга аэрозолей, воды, почвы и растительности. атмосферы Для работы и отдыха операторов в каждом из • приборы для непрерывных изме вагонов есть два купе на 4 места, кухня с холо рений концентрации и микрофизических дильником, электрической плитой и микровол свойств аэрозолей: счетчики частиц, нефе новой печью, душевая кабина, биотуалет.

лометры, аэрозольный спектрометр, аэтало Измерительный комплекс. Основной метр, ловушка для биоаэрозолей, радиометр режим работы обсерватории – использование спектрометр гамма-излучения;

• приборы для дистанционного зон двух вагонов в составе единого комплекса. Для дирования состава тропосферы и верхней решения специальных задач (оценка загряз нения природной среды в городах и про- атмосферы: фотометр, УФ, видимый и инфра мышленных центрах, определение эмиссий красный, спектрофотометры, микроволновой примесей от различных объектов и т.д.) вагоны- спектрорадиометр;

• приборы для определения вспомога лаборатории могут работать раздельно.

тельных радиационных, термодинамических, Штатное научное оборудование по состоя нию на 01.01.2009 г. подразделяется на следу- оптических и метеорологических характеристик атмосферы: спектрометр, измерители потоков ющие группы:

солнечной радиации в УФ, ИК и видимой обла • приборы для непрерывных измерений концентрации газов в приземном воздухе: стях спектра, измерители скоростей фотодиссо газоанализаторы и хроматографы, протонный циации J(NO2), J(O( D)), температурный профиле мер, акустоанемометр, метеодатчики;

масс-спектрометр;

Эксперименты TROICA • система для отбора различных проб 1008RS и 1008AH производства фирмы Dasibi на химический, элементный, изотопный и (США). В приборах используется фотометриче морфологический анализ и приборы для опе- ский метод. Прибор измеряет концентрацию ративного исследования химического состава озона в диапазоне от 1 до 1000 ppbv с погреш воздуха и аэрозолей: газовые хроматографы, ностью ±1 ppbv. Калибровки измерителя кон масс-спектрометр и др.;

центрации озона проводятся периодически, • единаякомпьютеризированнаясистема по вторичному эталону – прибору O3-41M регистрации данных, совмещенная с ГИС;

№ 1294, ежегодно калибруемому по эталону • вспомогательное оборудование: теле- SRP № 38, находящемуся во Всероссийском и аудиосистемы, радиостанция и др. научно-исследовательском институте метро логии им. Д.И. Менделеева (ВНИИМ).

Для проведения отдельных эксперимен- Для измерения концентрации NO и NO тов эпизодически в состав оборудования в различные периоды использовались при включались следующие измерительные при- боры TE42C-TL производства компании Thermo боры: многоканальный газовый хроматограф Electron Corp. (США) и M200AU производства АСАТ-IV для измерения озонразрушающих компании Teledyne Corp. (США). В этих прибо примесей и парниковых газов (NOAA-ESRL);

рах используется хемилюминесцентный метод протонный масс-спектрометр PTR-MS (MPIC), измерения. Минимальная обнаруживаемая анализатор подвижности частиц, спектро- концентрация NO и NO2 для этих приборов метр аэроионов, анализатор подвижности составляет 0,05 ppbv, что позволяет проводить частиц в жидкой фазе с ионным хроматогра- измерения фоновых концентраций в отсут фом, аэталометр (FMI) и др. ствие антропогенных источников загрязнения.

Для постоянных наблюдений состава Для измерения концентрации CO применен атмосферы, как на подвижной, так и на стаци- прибор TE48S производства компании Thermo онарных обсерваториях создан специализи- Electron Corp., в котором используется улуч рованный автоматизированный интегриро- шенный метод измерения с т.н. корреляцией ванный комплекс аппаратуры (рис. 2.2.1). газовых фильтров. Прибор позволяет измерять Для измерения концентрации озона в ком- фоновые концентрации CO на уровне менее плексе применены газоанализаторы типа 100 ppbv с общей погрешностью ±10 ppbv.

Концентрация CO2 измеряется прибором LI-6262 производства компании LiCor (США).

В приборе используется известный метод недисперсионной инфракрасной спектроме трии (NDIR). Диапазон измерения концентра ций 0–3000 ppmv, прибор характеризуется высокой стабильностью показаний.

Концентрации CH4 и неметановых угле водородов (NMHC) измеряются прибором APHA-360 производства компании Horiba (Япония). В этом газоанализаторе применен принцип разделения метана и NMHC с помо щью селективных каталитических поглотите лей, с последующим измерением концентра ции пламенно-ионизационным детектором.

Погрешность измерения концентраций CH и NMHC не превышает ±5 ppbv. Для питания пламенно-ионизационного детектора необ ходимым для его работы водородом в составе комплекса имеются генераторы водорода различных типов.

Для измерения содержания SO2 использу ется прибор APSA-360 также производства компании Horiba (Япония). В приборе реали зуется метод поглощения УФ излучения SO2.

Рис. 2.2.1. Схема автоматизированного измеритель Генератор нулевого воздуха используется для ного комплекса для мониторинга концентраций проведения периодических калибровок.

газов в атмосфере, радиационных и метеорологи ческих параметров Эксперименты TROICA Концентрация NH3 измеряется прибором M201A производства компании Teledyne Corp.

(США). В приборе используется принцип преоб разования NH3 в NO с помощью каталитического конвертера, с последующим измерением кон центрации NO хемилюминесцентным методом.

Калибровки всех вышеперечисленных приборов проводятся периодически по поверочным газовым смесям, поставляемым производителями приборов. Используемые в комплексе приборы характеризуются высо кой чувствительностью и стабильностью. Представление новой передвижной лаборатории Большинство типов используемых приборов на Международной конференции по изменениям климата 1 октября 2003 г.

приняты как стандартные на международной сети станций ГСА BMO. рению спектра рассеянного из зенита солнеч Для измерений вертикального профиля ного излучения (разработаны в ИФА РАН).

температуры в приземном слое атмосферы до Концентрация радона и продуктов его высоты 600 м используется метеорологический распада измеряется прибором типа LLRDM температурный профилемер МТП-5 производ- производства компании TracerLab (Германия).

ства компании «АТТЕХ» (Россия, г. Долгопруд- Для измерений характеристик атмосферного ный). Данные прибора позволяют определять аэрозоля в составе комплекса применен при характеристики приземных инверсий. бор типа TEOM 1400a производства компании В состав оборудования комплекса входят Thermo Electron Corp. (США) и счетчики аэро также приборы для измерения стандартных зольных частиц производства российских метеорологических параметров (атмосфер- компаний и компании Grimm (Германия).

ного давления, температуры и влажности воз- Также в состав комплекса входит газовый духа, направления и скорости ветра): акустиче- хроматограф HP 6890 для измерения некото ские анемометры АЦАТ-3М (Россия), «Сканэкс» рых органических примесей в атмосфере.

(Россия), Driesen&Kem (Германия) и Vaisala (Фин- Измерения всеми приборами и датчиками ляндия). Все эти приборы позволили получить полностью автоматизированы. Надлежащие практически непрерывные ряды метеороло- аппаратные средства сопряжения измеритель гических параметров с осреднением 1 мин. ных приборов с персональными компьютерами Также в составе оборудования имеются дат чики интегральной и ультрафиолетовой (UV-A и UV-B) солнечной радиации (производства компании Kipp & Zonen, Нидерланды).

Протонный масс-спектрометр типа Compact PTR-MS производства компании Ionicon (Австрия) включен в состав комплекса в г. Это уникальный прибор, позволяющий в непрерывном режиме и в реальном масштабе времени определять концентрации целого ряда летучих органических соединений (ЛOC).

Минимальная измеряемая концентрация составляет 0.5 ppbv. Перечень измеряемых прибором ЛOC составлен на основе известных публикаций по применению подобного при бора для измерений в атмосфере. В настоящее время измеряются концентрации с молекуляр ным весом от 42 до 163.

Для измерений общего содержания и вер тикального распределения О3 и NO2 в верти кальном столбе атмосферы применены спек трометры MS260i производства компании «Oriel» (США). Реализуются методики опреде ления содержания NO2 в атмосфере по изме Система MAX-DOAS Эксперименты TROICA двух анализаторов с полупроводниковыми сенсорами на основе оксида цинка и индия в режиме непрерывных измерений концен трации приземного озона с периодическим контролем нулевой линии. Измерения прово дились синхронно с фотометрическим газоа нализатором озона Dasibi 1008-RS.

Испытания показали хорошее соответствие показаний тестируемых анализаторов и газо анализатора Dasibi 1008-RS. Пример результатов И.Б. Беликов представляет автоматизированный пяти дней измерений приведен на рис. 2.2.2.

измерительный комплекс для экспериментов С помощью полупроводникового анализа TROICA на экономическом форуме в Санкт тора озона удалось установить влияние мно Петербурге (2006 г.) гочисленных промышленных выбросов на обеспечивают подключение практически всех концентрацию приземного озона.

источников данных к одному компьютеру. В Измерительная система включает газо базу данных вводятся как показания приборов, вый измерительный комплекс (центральный так и параметры, характеризующие их работу.

элемент системы);

аэрозольный комплекс, Для измерения малых газовых примесей в комплекс дистанционного зондирования и атмосфере (озон и др.) разработан портатив систему отбора проб.

ный недорогой сенсорный анализатор [Бели ков И. Б и др., 2008;

Obvintseva et al., 2005;

Газовым комплексом измеряются сле Obvintseva et al., 2008].

дующие параметры:

В состав анализатора входят полупрово • концентрации озона, окислов азота дниковый сенсор, электронный блок и блок (NO и NO2), окислов углерода (CO), двуокиси питания. Управление анализатором осущест углерода (CO2), метана (CH4) и суммы немета вляется в автоматическом режиме с помощью новых углеводородов (NMHC), двуокиси серы персонального компьютера. Длина кабеля (SO2), радона (222Rn) и продуктов его распада;

передачи данных может достигать 300 м. Общая • атмосферное давление, температура и влаж масса блоков анализатора не превышает 0.5 кг.

ность воздуха, направление и скорость ветра;

Полупроводниковый сенсор изготовлен на • интегральная солнечная радиация, изолирующей подложке размером 1,51,5 мм, ультрафиолетовая солнечная радиация в диа на стороны которой нанесены Pt-нагреватель пазонах UV-A и UV-B, скорости фотодиссоциа и измерительные электроды (см. рис. 2.2.2).

ции J(NO2) и J(O(1D));

Поверх измерительных электродов наносится • вертикальные профили температуры;

пленка полупроводникового оксида металла:

• географическая широта и долгота, ZnO, In2O3, WO3 и др. Сопротивление сенсора высота места, скорость и курс;

пропорционально концентрации исследуемой • видеоснимки облачности и окружаю примеси. Чувствительность и быстродействие щей территории.


сенсора зависят от температуры. Рабочая тем пература от комнатной до 500 °С выбирается по оптимуму чувствительности и быстродействия сенсора. Сенсор помещен во фторопластовой камере объемом 1 см3, через которую про качивается анализируемый воздух. На сопро тивление чувствительного слоя также влияют другие газовые примеси в вохдухе: NOx, Cl2, HCl и т.д. Полупроводниковые сенсоры раз личных типов могут быть использованы для измерения концентрации и этих примесей.

Прибор проходил полевые испытания на станции наблюдения состава атмосферы Гео графического факультета МГУ им. М.В. Ломо носова и ИФА им. А.М. Обухова РАН а также в Рис. 2.2.2. Полупроводниковый сенсор ряде экспедиций. Летом 2008 г. в экспедиции и его сравнение с Dasibi 1008RS.

на железнодорожном вагоне-обсерватории 1 – электронное устройство, 2- источник питания, 3- сенсорная камера, 4- изолирующая подложка с вдоль Транссибирской магистрали (Москва – чувствительным слоем, 5- измерительные электроды, Владивосток) были проведены испытания 6- нагреватель Эксперименты TROICA ных примесей, в том числе динамику атмосфер ного загрязнения в г. Москве. К примеру, летом и осенью 2002 года в Подмосковье бушевали лесные и торфяные пожары, дым от которых в отдельные дни полностью накрывал Москву (рис. 2.2.3). Пожары сильно ухудшили экологиче скую ситуацию, т.к. концентрации газовых при месей часто превышали предельно допустимые значения, и видимость уменьшалась до 200 м.

Выделения угарного газа, летучих органических соединений и метана от горящих лесов способ ствовали генерации над Москвой других опас Станция мониторинга состава атмосферного воз ных примесей, например, озона (рис. 2.2.4).

духа (Воробьевы горы, МГУ) В связи с потеплением регионального кли Отличительные особенности газового мата, резким увеличением парка современных измерительного комплекса: автомобилей, использующих высокооктановые – полная автоматизация измерений, марки бензинов, новые масла и присадки, в получение единого набора данных от различ- московском воздухе увеличилась концентрация ных приборов;

реактивных компонентов. Соответственно, акти – соответствие требованиям качества визировались химические процессы и, в част данных, предъявляемых к станциям мировой ности, в последние годы в летнее время концен сети GAW, все входящие в комплекс приборы трация озона стала чаще достигать предельно являются стандартными для мировой сети;

допустимых значений. По составу воздушной – проведение периодических калибро- среды город становится похожим на загрязнен вок приборов по стандартам международных ные города США и Южной Европы.

программ мониторинга состава атмосферы;

– возможность интегрирования в состав комплекса приборов для специальных видов исследований (хроматографов, масс спектрометров и др.);

– передача как предварительных, так и обработанных суточных данных наблюдений через мировую сеть Internet.

Описание параметров, измеряемых дру гими системами, приведено в п. 2.3.

Московская база передвижной Рис. 2.2.3. Спутниковый снимок 3 сентября 2002 г., лаборатории красными точками отмечены очаги пожаров Базой для передвижной лаборатории является станция экологического мониторинга, созданная на территории метеообсерватории географиче ского факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Здесь в промежутках между рейсами часть приборов, которыми оборудована лаборатория, задействованы в программе комплексных наблю дений состояния воздушной среды над Москвой, а также приборы проходят необходимое техни ческое обслуживание, поверки и калибровки.

С 1 февраля 2002 г. на станции ведутся непре рывные наблюдения измерения концентраций O3, NO, NO2, CO, CO2, CH4, SO2, общего содержания углеводородов (THC), некоторых летучих орга нических соединений, аэрозолей, метеороло- Рис. 2.2.4. Вариации средних суточных концен гических и радиационных параметров. Анализ траций озона и СО в период с февраля 2002 г. по февраль 2009 г. в г. Москве во время 2-х эпизодов полученных данных позволил исследовать вну лесных и торфяных пожаров тригодовую и суточную изменчивость атмосфер Эксперименты TROICA 2.3. База данных и контроль качества данных База данных данных. При проектировании TROICA-DB были пройдены все основные этапы проектирова Структура базы данных TROICA-DB. ния, такие как: системный анализ предметной области, инфологическое проектирование, База данных TROICA предназначена для выбор Системы Управления Базами Данных ввода, хранения и удобного использова (СУБД), даталогическое проектирование и ния информации о газовом и аэрозольном физическое проектирование. База работает составе атмосферы, ее динамическом состо под управлением СУБД Firebird (WI-V6.3.1. янии, радиационных и метеорологических Firebird 1.5, www.firebirdsql.org), основанная характеристиках, получаемой в экспери на ядре Borland InterBase (www.borland.com).

ментах TROICA и на научных станциях ИФА В случае необходимости TROICA-DB может РАН, расположенных в различных регионах быть перенесена на другие более мощные (табл. 2.3.1). В базу также включается вся СУБД, например, MS SQL Server или Oracle.

доступная дополнительная информация, Администрирование базы осуществляется необходимая для анализа и интерпретации с помощью программы IBExpert 2004.09. наблюдений в экспериментах TROICA и в (www.ibexpert.com).

сети станций ИФА РАН: дневники операто ров, траектории движения воздушных масс, Данные TROICA-DB.

спутниковые данные о полях влажности, Все данные, содержащиеся в базе дан температуре и т. д. Доступ к базе данных осу ных TROICA-DB, можно подразделить на ществляется с помощью системы запросов.

несколько групп: данные измерительных База данных согласуется с системой хране комплексов, данные наблюдений оператора, ния информации, получаемой на мировой данные экспедиционной видеосистемы и дан сети мониторинга атмосферы.

ные сторонних организаций. Данные изме Программное обеспечение для обра рений (измерительных комплексов) подраз ботки данных экспедиций позволяет избе деляются на исходные данные, получаемые жать анализа огромных объемов текстовых через 10 секунд с основного измерительного листов, электронных писем и www-сайтов, комплекса, с аэрозольного комплекса и дру предоставляющих информацию в различ гих измерительных комплексов (рис. 2.3.1).

ных форматах. Она предоставляет простой Дополнительно в базу данных TROICA-DB интерфейс для доступа к данным измерений были также внесены усредненные данные:

и механизмы для быстрого их сравнения.

по времени – по 1, 10 минутам и по 1 часу, по Позволяет работать с базой пользователям расстоянию – по 1, 10 и 50 километрам.

без навыков программирования и увеличить скорость прохождения запросов и объем обрабатываемой информации.

В каждом вагоне установлена точка доступа радиоканала TrendNet TEW410APB, которая обеспечивает беспроводную пере дачу данных с суммарной скоростью в канале 54 Мбит/сек, как внутри вагона, так и между вагонами-лабораториями. Эти устройства позволяют подключать к локальной сети компьютеры, оборудованные сетевыми адаптерами Wi-Fi, в том числе ноутбуки опе раторов. Наличие спутникового терминала Inmarsat TT-3080A обеспечивает внутрен нюю локальную сеть вагона выходом в глобальную сеть Интернет.

Информационная система TROICA-DB раз работана на основе реляционной базы данных, Рис. 2.3.1. Структура базы данных TROICA-DB удобной в использовании в тех случаях, когда необходимо обрабатывать большие массивы Эксперименты TROICA Табл. 2.3.1. Станции мониторинга состава атмосферы Набор данных газового измерительного Института физики атмосферы им. А.М. Обухова комплекса содержит данные о концентра Координа ции газов, вертикальном распределении О3 № Станция Регион ты и NO2, вертикальном профиле температуры, метеопараметрах, солнечной радиации, ско- Кисловодск Северный 1. (2070 м. над 43.73° с.ш., рости фотодиссоциации NO2, концентрации Кавказ уровнем моря) Rn и продуктов его распада (табл. 2.3.2).

Центральная В таблице 2.3.3 представлены наборы данных 2. Зотино 60.75° с.ш., Сибирь аэрозольного измерительного комплекса.

Подобные наборы данных были созданы Московский 55.69° с.ш., 3. Звенигород регион 36.77° в.д.

и для остальных измеряемых параметров (рис.2.3.1). В отдельных наборах данных хра 55.56° с.ш., 4. Москва Г. Москва нятся данные измерений, полученные ино- 37.55° в.д.

странными участниками экспедиций TROICA.

Табл. 2.3.2. Набор параметров газового измерительного комплекса (ИФА) TROICA- TROICA- TROICA- TROICA- TROICA- TROICA- TROICA- TROICA- TROICA- TROICA- TROICA- TROICA- Параметр Прибор DASIBI-1008AH +++++ +++++ O DASIBI-1008RS ++++ +++++ ++ AC-30M +++++ + CLD770ppt + + Параметры газового комплекса NO, NO TE42C-TL +++ M200AU + ++ СО TE48S ++ ++++++ ++ СО2 LI6262 ++++++ ++ GC-8A ++ +++ CH APHA-360 +++ + + NMHC APHA-360 +++ + + SO2 APSA-360 +++ + + NH3 M201A + + MDR-41 + вертикальный профиль О3, NO2 MDR-23 ++++ Oriel MS -260i +++++ Rn LLRDM ++++++++ "Scan" датчик ++++++ солнечная радиация CM6B +++++ Солнечная радиация скорость фото - J(NO2) датчик +++++++++ диссоциации NO UV-A Sci-Tec датчик ++++ UV-B Sci-Tec датчик ++++ "Scan" датчик +++++++ HMP233 ++ +++++++ Метеопараметры давление, влажность и температу ра воздуха на поверхности PTA427 ++ ++++++++ ACAT-3M +++++ вертикальный профиль MTP 5 ++++++++ температуры (0 – 600 м) H50 + ветер на остановках ACAT-3M +++++ Эксперименты TROICA Табл. 2.3.3. Набор параметров аэрозольного измерительного комплекса (ИФА, НИФХИ) TROICA- TROICA- TROICA- TROICA- TROICA- TROICA- TROICA- TROICA- TROICA- TROICA- TROICA- TROICA- Параметр Прибор пробы аэрозоля (ИФА) ++++++ сажа AE-16 аэтолометр (ИФА) +++++ нефелометр (ИФА) +++++ массовая концен трация и коэффи- GRIMM-1.412 (ИФА) +++++ циент рассевания Phenix (НИФХИ) +++++++++ AZ-6 (ИФА) ++++ LAS-P (ИФА) ++++ OEAS-05 (ИФА) ++++ ROICO (ИФА) + счетная концен трация аэрозоля ADB (ИФА) ++++ + (0.002 – 10 мкм) LAS-P (НИФХИ) ++++++++ + Roico (НИФХИ) ++ +++++ + GRIMM (НИФХИ) ++ + DAES (НИФХИ) химический состав и микрофизиче- пробы аэрозоля (НИФХИ, +++++++++ ские свойства ИФА) аэрозоля ИФА: НИФХИ:


AE-16 – аэталометр TM, (10 - 105 нг/м3) Phenix – нефелометр (1 – 105 мкг/м3) AZ-6 – фотоэлектрический анализатор размера LAS-P – лазерный аэрозольный спектрометр (0. частиц аэрозоля (0.3 – 1,0 мкм) – 1.5 мкм) GRIMM-1.412 - нефелометр (5 - 1,5*104 мкг/м3) Roico – фотоэлектрический анализатор размера ADB – Автоматическая диффузионная батарея частиц аэрозоля (0.3 – 15 мкм) (1,6 – 200 нм) GRIMM – фотоэлектрический анализатор размера частиц аэрозоля (0.5 – 20 мкм) DAES – электростатический анализатор аэрозоль ных частиц (0.005 – 1.0 мкм) Эксперименты TROICA Качество данных Принципиальное значение для правиль ной интерпретации данных измерений с под вижной платформы имеет ответ на вопрос – насколько сильно искажаются измеряемые параметры под влиянием движения поезда с вагоном-лабораторией и встречных поездов.

Влияние собственного поезда.

При изменении скорости движения и тор можении перед остановкой на показания при боров могут действовать различные факторы.

На рисунке 2.3.2 показаны изменения кон центрации О3, NO, NO2, а также метеопараметров и градиента температуры в слое 0-50 м до и после остановок в виде осредненных отклоне ний от средних их значений на каждом участке, с учетом суточных изменений. На графиках приведены удвоенные значения среднеква дратичных значений. В целом изменения всех величин очень малы. Замечено лишь неко торое увеличение в границах населенных пунктов концентрации NOx. Концентрация озона в пределах абсолютной погрешности приборов несколько возрастает при торможе нии и снижается во время стоянки. Меньшие отклонения получены для случаев, когда тор Рис. 2.3.3. Вариации концентраций газовых можение и остановка поезда проходили вне составляющих до и после остановок поезда в населенных пунктов. Также незначительные незагрязненных регионах (TROICA-7, Восточная Сибирь) изменения в пределах погрешности изме рений отмечались при изменении скорости движения поезда, но без его остановки. Изме нение концентраций CO, CO2 и CH4 и радиаци онных характеристик не зарегистрировано.

Из-за ремонта железной дороги в Восточ ной Сибири в 2001 г на маршруте Иркутск Хабаровск было сделано большое число остановок вне расписания вдали от жилых поселений и промышленных предприятий.

Были отобраны 18 таких «зеленых остано вок» и оценены изменения концентраций основных измеряемых примесей на участ ках торможения и ускорения поезда. На рис. 2.3.3. показаны осредненные за 1 мин.

значения концентрации газов во временном интервале ± 6 мин относительно остановки поезда (продолжительность стоянки не учи тывалась). Из рисунка видно, что вариации концентраций газов не выходят за пределы удвоенной дисперсии, которая отмечена на рисунке вертикальными линиями. Средние профили концентрации примеси по своей структуре и значениям близки к приведен ным на рис. 2.3.2. Вероятно, непосредственно перед остановкой и сразу после начала дви Рис. 2.3.2. Вариации измеряемых параметров до жения, когда скорость поезда мала, воздух из и после остановок при отсутствии (а) и наличии (б) системы вентиляции двигателей электровоза инверсий Эксперименты TROICA частично попадает в заборники (выброс его не обнаружено. Концентрации химически производится под корпусом электровоза), более устойчивых примесей, CO, CO2, CH4, что создает некую «волну» в профилях О3 и изменяются в еще более малых пределах. В NOx. Однако эти изменения, также как изме- то же время, встречные поезда в отсутствие нения СО и СО2, малы и, практически не вли- снежного покрова заметно меняют концен яют на результаты анализа и интерпретации трацию аэрозолей. Причем меняется в основ данных измерений. ном содержание крупных частиц ( 0.1 мкм).

Влияние встречных поездов. В среднем область повышенных концентра Для оценки влияния встречных поездов ций распространяется на 2-3 км пути после рассматривались участки пути продолжи- встречи поездов. Эти области исключаются тельностью ±10 мин. относительно прохож- из анализа аэрозольных данных.

дения встречного поезда. На рис. 2.3.4 при ведены вариации содержания примесей и Основной вывод состоит в том, что изме метеопараметров с учетом их суточных изме- рения с движущейся по электрифицирован нений в районе встреч поездов при отсут- ной железной дороге платформе в основном ствии и наличии инверсий. Заштрихованная отражают фоновое состояние атмосферы.

область соответствует реальному времени Однако на интенсивных участках пути, при прохождения встречных поездов. наличии ночных температурных инверсий В отсутствие инверсий встречные поезда и в отсутствии ветра, загрязнение воздуха в среднем вызывают небольшое, в пределах может быть значительным, и транспорт 1 ppbv, уменьшение содержания озона. Кон- ная магистраль может рассматриваться как центрация NO2 тоже несколько снижается. загрязняющее атмосферу предприятие.

Однако эти уменьшения не являются значи- Исходя из этого, все данные были разде мыми. Практически не меняется содержание лены на несколько групп: данные, получен NO, что говорит об отсутствии эмиссий от ные в загрязненных (городских и промыш встречных поездов на электрической тяге. В ленных) регионах, сельской местности и на инверсионных условиях каких-либо значи- фоновых железнодорожных станциях. Про мых изменений содержания примесей, темпе- странственные и временные особенности ратурной стратификации и влажности также вариаций газовых составляющих атмосферы анализируются, как правило, индивидуально для каждой группы.

Рис. 2.3.4. Вариации измеряемых параметров при прохождении встречных поездов при наличии (а) и при отсутствии (б) инверсий Эксперименты TROICA 3. Газовые примеси и аэрозоли над континентом 3.1. Озон и окислы азота в приземном воздухе Приземный озон Озон играет в атмосфере важную роль.

Как сильнейший окислитель он определяет химический состав воздуха. Как парниковый газ оказывает влияние на климат. Кроме того, озон обладает токсичными свойствами.

В течение ХХ столетия концентрация озона в приземном воздухе Северного полушария выросла в 2 раза. Более неоднородным стало Рис.3.1.1. Распределение озона вдоль трансси его распределение. В отдельных промыш- бирской железной дороги на участке Москва ленных районах концентрация O3 достигает Владивосток (TROICA-9, черная линия – часовое опасных для человека значений. Контроль осреднение) за его содержанием в приземном воздухе становится одной из основных экологических вают широкую полосу между 48° и 58° с.ш. и задач. В России такие наблюдения ведут лишь 37° и 135° в.д. (исключая участок Хабаровск несколько станций, что не дает представления Владивосток).

о его пространственном распределении [Елан- Несмотря на то, что в ходе экспедиций ский, 2009]. Передвижная лаборатория решает поезд пересекал множество крупных горо эту задачу наиболее эффективным образом дов и промышленных центров, значительная [Крутцен и др., 1996;

Elansky et al., 2001b]. В часть пути (в зимних условиях более поло ходе проведения экспериментов TROICA впер- вины) находится в незагрязненных условиях.

вые была получена информация о континен- В ходе исследования все полученные дан тальных особенностях распределения озона, ные были разделены на две самостоятельные переносе его предшественников и фотохими- группы: те, которые получены в чистых усло ческих процессах его образования и разру- виях (в городах и промышленных центрах) и те, шения. Пример распределения концентрации которые получены в незагрязненных условиях озона над континентом приведен на рис. 3.1.1. (сельские районы). Критерием отбора данных были пороговые концентрации NO ниже чем Пространственные и временные вари- 0.4 ppbv и CO менее 0.2 ppmv. Такие значения ации. Большинство наблюдений (десять из моноокиси азота и углерода характерны для экспедиций TROICA) было выполнено вдоль горных районов и станций, расположенных Транссибирской железнодорожной маги- вдали от источников загрязнений.

страли. Наблюдения покрывают значитель- Полный ряд наблюдений, данные, получен ную территорию северной Евразии и охваты- ные в незагрязненных условиях, а также Табл. 3.1.1. Вариации приземной концентрации озона (ВСЕ данные и данные, полученные в незагрязненных усло виях – ФОН) вдоль Транссибирской железной дороги (Москва-Владивосток, 1995 – 2008 гг.) Персентили Кол-во Ст.

Сезон Условия Среднее отклон Медиана Мода Min Max данных 10% 90% ВСЕ 18825 32.5 10.0 34.7 42.0 1.5 77.7 18.6 42. Зима ФОН 9899 36.5 7.1 38.6 42.0 10.1 66.3 25.3 43. ВСЕ 34546 39.8 11.0 41.0 50.3 0.6 82.8 25.0 51. Весна ФОН 13413 43.9 8.9 45.0 50.3 8.3 81.5 32.1 53. ВСЕ 82912 23.7 12.2 23.2 21.0 0.1 166.1 7.9 39. Лето ФОН 29890 24.1 11.6 24.3 19.0 0.1 80.9 9.5 39. ВСЕ 17978 24.3 12.5 25.3 30.8 0.1 157.2 6.8 39. Осень ФОН 7861 27.0 9.0 28.0 30.8 0.1 56.3 15.1 37. Газовые примеси и аэрозоли над континентом Рис. 3.1.2. Отклонение концентрации озона от сред него значения для экспедиций TROICA-5 – TROICA- ( 10-минутное осреднение) Рис. 3.1.3. Среднее О3 (цифрами обозначены номера экспедиций TROICA) в сравнении с содержанием О Рис. 3.1.4. Суточный ход озона на участке Москва на станциях Хоенпайсенберг, Мейс Хед и Зотино:

Владивосток (a) все данные и (б) незагрязненные условия воздушных масс из Китая, интенсивным обме средние и экстремальные значения призем ном между стратосферой и тропосферой над ной концентрации озона по всем экспеди восточными областями континента и некото циям TROICA, проведенным вдоль Транссиба, рыми другими факторами [Crutzen et al., 1998;

представлены в табл. 3.1.1. Минимальные кон Elansky et al., 2001b].

центрации озона наблюдались при условии Средние значения концентрации озона для ночных температурных инверсий, когда озон экспедиций TROICA, проведенных в разное разрушается при взаимодействии с окис время, выявляют сезонный ход над северной лами азота и подстилающей поверхностью.

Евразией в полосе 48° – 58° с.ш. (рис. 3.1.3).

Максимальные концентрации озона отмеча Полученный сезонный ход хорошо согласуется лись летом в дневные часы, когда максимален с сезонным распределением озона на фоно поток солнечной радиации и идет активная вых станциях Мейс Хед (Ирландия, 53.3° с.ш., фотохимическая генерация озона.

9.9° з.д.) и Зотино (Россия, Центральная Сибирь, Были выявлены и пространственные осо 60.8° с.ш., 89.4° в.д.). Пик концентрации озона бенности распределения концентрации озона наблюдается в весенние месяцы, когда наи над континентом. Наблюдается увеличение более активен стратосферно-тропосферный концентрации озона в восточном направле обмен. Минимум отмечается летом. На терри нии в среднем 0.47±0.02 ppbv на 10 градусов тории Сибири (как по данным TROICA, так и на долготы (рис. 3.1.2). Такой градиент обусловлен станции Зотино) этот минимум выражен более биогенными эмиссиями СН4 и ЛОС в Сибири, четко из-за частых и хорошо выраженных лесными пожарами, адвекцией загрязненных Газовые примеси и аэрозоли над континентом температурных инверсий, которые на при- (cutoff lows). Богатый озоном стратосферный брежной станции Мейс Хед практически отсут- воздух в системе таких нисходящих потоков ствуют. В то же время на немецкой станции может достигать поверхности земли и обра Хоенпайсенберг (48° с.ш., 11° в.д.) максимальная зуются области повышенных концентраций концентрация озона достигается летом, что озона, часто имеющие вид полос, вытянутых характерно для загрязненных условий и гово- вдоль атмосферных фронтов [Хргиан и др.,1973;

рит о большем вкладе фотохимической гене- Еланский, 1975].

рации озона в его временную изменчивость. Наиболее мощное вторжение стратосфер Все эти процессы влияют и на суточный ного воздуха наблюдалось 19 февраля ход озона. Для экспедиций TROICA он пока- года вблизи Екатеринбурга;

другое, менее зан на рис. 3.1.4. В холодный и теплый сезоны выраженное – 7 апреля 1997 г. в Забайкалье распределение озона сильно отличается. Для на участке железной дороги от станции Маг лета ночью характерно разрушение озона дагачи до г. Биробиджан. Кроме того, в летней на поверхности земли в условиях темпера- экспедиции TROICA-2 на участке грозового турной инверсии, а днем его генерация из-за фронта 27 июля 1996 г. от Новосибирска до интенсивной солнечной радиации и наличия Мариинска была также определена область предшественников озона (главным образом СО малоинтенсивного стратосферного вторже и ЛОС) в приземном слое воздуха. Измерения ния небольшого масштаба при сильной кон озона с передвижной лаборатории позволяют вективной деятельности (рис. 3.1.6).

оценить скорость сухого осаждения по значи тельному пространству: 0.08 и 0.65 см/сек на заснеженных и свободных от снега террито риях, соответственно [Elansky et al.., 2001b].

На концентрацию приземного озона ока зывают влияние различные динамические процессы. Изменения концентрации озона могут использоваться как средство выявле ния таких процессов в атмосфере и, в част ности, образования внутренних гравитаци онных волн в слое температурной инверсии.

Пример таких колебаний показан на рис. 3.1.5.

Рис.3.1.6. Изменения концентрации озона в райо Рис.3.1.5. Пример вариации температуры на нах влияния стратосферно-тропосферного пере разных уровнях в пограничном слое атмосферы носа. Зоны влияния отмечены заштрихованными и концентрация озона вблизи поверхности земли прямоугольниками (TROICA-7) Стратосферно-тропосферные вторже- Для характеристики динамических процес ния. Перенос озона из стратосферы происхо- сов в тропосфере были использованы данные дит в областях нисходящих потоков, которые оперативного объективного анализа, выпол локализованы в так называемых активных (с няемого в Гидрометцентре России в узлах гео выраженным фронтогенезом) участках фрон- графической сетки с шагом 2.5*2.5°. По этим тальных зон и струйных течений. Нисходя- данным рассчитывались поля и строились раз щие потоки, охватывающие мощные слои резы эквивалентной температуры и потенци тропосферы и нижней стратосферы, приво- ального вихря. Кроме того, был применен ряд дят к характерным опусканиям тропопаузы авторских расчетных методик для вычисления (складки, воронки, стримеры), которые часто полей максимального ветра и струйных тече связаны с высотными циклонами отсечения ний, границ слоя динамической тропопаузы Газовые примеси и аэрозоли над континентом как поверхностей заданного значения потен а) циального вихря (PV), верхней границы кон вективных облаков [Shakina et al., 2001].

На рис. 3.1.7 показан вертикальный разрез полей эквивалентной температуры и потен циального вихря Эртеля (через области, где были зафиксированы повышенные концен трации озона) Увеличение озона в виде серии скачков от 7 до 20 ppbv (19 февраля 1998г.), охваты вающие области вдоль пути поезда от 5 до км отмечалось в условиях низких температур (-25° С) над снежной поверхностью. Этот слу чай связан с вторжением арктического воз б) духа далеко к югу в тылу глубокого циклона, центр которого располагался над северной частью Западной Сибири (рис. 3.1.7a).

6-7 апреля 1997 года наблюдалась довольно протяженная область повышен ного содержания озона. На вертикальном разрезе (рис. 3.1.7б) виден язык воздуха с субстратосферными PV, опускающийся круто вниз в тыловой части бароклинной зоны холодного фронта.

Крупномасштабная структура атмосфер ных движений первого и второго случая схожи, однако на разрезах и картах вторже в) ние воздуха с повышенными PV не выглядит таким мощным, как в феврале, и не достигает земли. Но при этом высокие концентрации озона вдоль железной дороги регистрирова лись практически непрерывно (рис. 3.1.7).

В июле 1996 года увеличение содержания озона наблюдалось на фоне его вечернего спада и потому оно не выглядит значитель ным. В ряде отношений ситуация сходна с предыдущими: холодный фронт на восточ ной периферии области холода, далеко про двинувшийся к югу в системе циклона. В этом случае поступление стратосферного воздуха могло осуществляться в процессе интенсив- Рис. 3.1.7. Вертикальный разрез полей эквивалентной температуры (прерывистые линии, в °К) и потенциаль ного конвективного перемешивания при ного вихря Эртеля (сплошные линии, в pvu) над райо пониженной тропопаузе, располагавшейся ном, где отмечались высокие концентрации озона.

примерно на 3 км ниже уровня конвекции. а) Характеристики эпизода 19 февраля 1998 г., разрез через 57.5° с.ш.

б) Характеристики эпизода 6 – 7 апреля 1997 г., разрез через 52.5° с.ш.

При этом сама глубокая конвекция спо- в) Характеристики эпизода 27 июля 1996 года, Разрез через 55° с.ш.

собна генерировать устойчивые нисходящие Горизонтально заштрихована область конвективной неустойчивости потоки в достаточно мощных слоях.

С помощью термодинамических построе ний теории конвекции можно оценить тол- Серия экспериментов, охватывающих щину и положение слоев, питающих эти нис- большую территорию, выявила разнообраз ходящие потоки. Для 27 июля мы получили ные проявления стратосферных вторжений толщину слоя, равную 4 км, с нижней грани- в концентрации озона у земли. Все они соот цей на высоте около 5 км. ветствуют уже известным механизмам, но, что Таким образом, нисходящие потоки в обла- является важным, показывают наличие значи ках в среднем формировались в стратосфер- тельных неоднородностей в структуре дина ном воздухе или в воздухе слоя тропопаузы. мических процессов [Shakina et al., 2001].

Газовые примеси и аэрозоли над континентом Характерные особенности распределения Шлейфы загрязненного воздуха от этих горо приземного озона над континентом в широт- дов тянутся на несколько десятков, а иногда ной зоне 48 – 58 северного полушария: и на сотни километров.

• На распределение озона влияют глав ным образом метеорологические процессы.

• Фотохимические процессы в атмос фере над Сибирью (сельская местность) суще ственно менее активны, чем в Европе.

• Влияние приземных температурных инверсий на концентрацию озона более выражено над территорией Сибири, чем над Европой.

Рис.3.1.8 Средние для экспедиций TRIOCA вдоль • Концентрация озона возрастает в восточ- Транссиба значения NO (a) и NO2 (б) на участке ном направлении, в среднем 0.47 ± 0.02 ppbv на Москва-Владивосток (TROICA-9, черная линия – 10 градусов долготы. часовое осреднение) • Стратосферные вторжения приводят к увеличению концентрации озона вблизи зем- В целом же, если сравнивать все данные ной поверхности. При этом распределение экспериментов TROICA и только те, которые озона в зоне вторжения довольно неодно- получены в фоновых условиях, антропоген родное. Наиболее активно стратосферно- ный вклад в распределение NO и NO2 стано тропосферный обмен действует на востоке вится хорошо заметен и составляет в среднем континента, в районе прохождения субтропи- 5-7 ppbv. При этом разница концентрации NO ческого струйного течения. в загрязненных и фоновых условиях несколько меньше, чем для NO (рис. 3.1.9).

Окислы азота Окислы азота (NO и NO2) являются ключе выми элементами окислительных процессов в атмосфере. От их концентрации зависит содержание свободных радикалов и интенсив ность стока органических соединений. При высоких концентрациях (несколько десятков ppbv) они оказывают прямое негативное воз действие на здоровье человека.

Основными источниками окислов азота являются все виды транспорта, ТЭЦ, промыш ленные предприятия. Ежегодная эмиссия на территории России составляет около 4 млн.

тонн. Их влияние не распространяется на большие расстояния от источника, поскольку они быстро разрушаются в атмосфере.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.