Изучение процессов антропогенного загрязнения природных экосистем удаленных территорий чрезвычайно важно как для понимания сопутствующих природных явлений, так и с точки зрения оценки состояния окружающей среды, выявления источников и минимизации последствий загрязнения. Черный углерод (black carbon – ВС) – один из короткоживущих климатически значимых компонентов атмосферы [1] – образуется в результате неполного сгорания углеродсодержащих веществ, в частности органического топлива. В холодную часть года источники ВС в атмосфере преимущественно антропогенные (отопление, транспорт, энергетика и т.д.), тогда как летом к ним добавляются природные пожары, сильно модулирующие поле эмиссий ВС как в пространстве, так и в разные месяцы и годы. Влияние атмосферного ВС на климат обусловлено поглощением черными частицами солнечной радиации (прямые радиационные эффекты) и его физическими и химическими свойствами, меняющими состав и микрофизику атмосферы (косвенные эффекты) [2, 3].
Измерения концентрации ВС в атмосфере проводятся как в городах [4, 5], так и в труднодоступных районах [6–8], но редко непрерывно в течение года и более [8–10]. Кроме того, в последние годы очень расширилась сеть спутникового мониторинга параметров и состава атмосферы, выходные данные которой теперь включают и содержание ВС в приземной атмосфере [11].
Цель работы: анализ и обсуждение результатов непрерывного мониторинга концентрации ВС в приземной атмосфере, полученных в течение года (октябрь 2017 – сентябрь 2018) в новой точке наблюдений в центральной России (Печоро-Илычский биосферный заповедник), а также их сравнение с данными реанализа спутниковой информации.
Рис. 1. Положение пункта наблюдений (звёздочка) на схеме
Объект исследований, методы и подходы
Работы по отбору проб воздуха проведены вблизи поселка Якша на территории Печоро-Илычского государственного природного биосферного заповедника [12] (далее – ПИГПБЗ), вдали от крупных промышленных центров и больших городов (рис. 1). Климат этого района довольно суров – снег лежит больше полугода (с середины октября почти до конца апреля), средняя температура воздуха в январе –17,6 °С, в июле +16,5 °С.
Пробоотборник атмосферного аэрозоля сначала был установлен непосредственно в поселке Якша, а затем (примерно через два месяца) перенесен на 1,8 км восточнее в ближайший лесной массив. Высота размещения воздухозаборника над землей в обоих случаях составляет примерно 2 м. Пробы атмосферного аэрозоля отбираются путем непрерывного прокачивания воздуха через перхлорвиниловые фильтры АФА-ХП-20, длительность сбора каждой пробы одни сутки, смена фильтра производится около 8 часов по местному времени. Определение массы черного углерода, собранного на фильтр, производится в Москве фотометром, разработанным в ИФА им. А.М. Обухова РАН [9], по ослаблению экспонированным фильтром излучения в красной области спектра (0,6–0,8 мкм).
Результаты измерения концентрации ВС, перенос воздушных масс и источники ВС
На рис. 2 приведены результаты ежедневных измерений концентрации ВС в приземном воздухе в районе пос. Якша. Вертикальной чертой рисунок разделен на две области: когда наблюдения проводились в поселке и вне его. Средние (за первые 2 месяца и последующие 5 холодных месяцев) значения плюс-минус стандартное отклонение составляют (296 ± 172) нг/м3 и (175 ± 82) нг/м3 соответственно. Достоверность различия этих значений около 90 % (по критерию Стьюдента). Разницу в загрязнении воздуха черным углеродом в холодное время года между двумя пунктами – около 120 нг/м3 – можно отнести на вклад местных источников ВС, расположенных в самом поселке, где отопление дровяное. В теплую часть года концентрация ВС в воздухе (81 ± 38) нг/м3, что примерно вдвое ниже, чем в холодное время года. Относительное стандартное отклонение круглый год выше 40 %, что говорит о больших межсуточных вариациях измеряемой концентрации ВС.
Средние распределения направлений поступления воздушных масс к пункту отбора аэрозольных проб (по 5-суточным траекториям переноса воздушных масс, рассчитанным с помощью программы HYSPLIT на сайте [13]) представлены на диаграмме рис. 3. В целом в течение года воздух в пункт наблюдений поступал преимущественно из западного и южного секторов, особенно в холодную часть года. Однако условия циркуляции атмосферы сильно менялись от месяца к месяцу. Именно вариации процессов циркуляции атмосферы, при условии постоянства пространственного распределения мощностей источников эмиссии ВС в атмосферу (рис. 4) определяют колебания величины концентрации ВС в пункте наблюдений.
Зона влияния источников эмиссий ВС примерно охватывает территорию с географическими координатами в пределах (52–72) °с.ш., (46–66) °в.д. Средние эмиссии ВС в атмосферу от антропогенных источников и от пожаров в этой зоне показаны на рис. 4 – по данным [14, 15].
Рис. 2. Ежесуточные величины концентрации ВС в приземном воздухе пункта наблюдений. Вертикальная черта – время изменения положения точки отбора проб, красные горизонтальные прямые – средние значения для разных временных отрезков (см. текст)
Рис. 3. Средние распределения воздушных масс, приходящих к району отбора проб, по сторонам горизонта (З – запад, Ю – юг, В – восток, С – север): по месяцам, за год и за холодное и теплое полугодия
а) б)
в)
Рис. 4. Мощности эмиссий ВС в атмосферу в центре России на географической сетке 1°×1°: а – антропогенные (в среднем за 2010–2014 гг.); б – от пожаров (в июле – августе 2018 г.); в – шкала, т/мес/яч. Пункт наблюдений расположен в зеленой ячейке
Сопоставляя распределения траекторий, рассчитанных по программе HYSPLIT, с распределениями источников ВС, можно выявить основные удаленные от пункта наблюдений источники, ответственные за загрязнение изучаемого района. Для ПИГПБЗ это промышленные районы севера Свердловской области (Нижний Тагил, Красноуральск, Ревда, Алапаевск и др.) и Пермского края (Березники, Краснокамск, Соликамск, Красновишерск и др.), северо-западные районы ХМАО и ЯНАО (г. Салехард, Воркута, Нягань, Нарьян-Мар и др., а также факелы сжигания попутного газа при добыче нефти и газа), города и поселки Республики Коми (Троице-Печорск, Ухта, Сыктывкар и др.). Изредка в район наблюдений черный углерод поступает от источников Удмуртской Республики и Татарстана. Для конкретных дней лета 2018 г. с максимальными значениями концентрации ВС в заповеднике можно по рис. 4, б, также определить положение конкретных пожаров, ответственных за это загрязнение. Расположение и интенсивность пожаров сильно разнятся год от года, что должно сказываться на межгодовых вариациях концентрации ВС в теплое время.
В работе [16], где обсуждаются результаты измерений ВС в ПИГПБЗ только за холодное полугодие, приводится сводная таблица измеренных величин концентрации ВС в разных районах мира и России, из которой очевидно, что полученные в данном исследовании значения вполне реальны и закономерно отражают ситуацию, свойственную центральным непромышленным районам России. Результаты измерений ВС в приземном воздухе за год, которые обсуждаются в данной работе, также хорошо вписываются в общую картину распределения этого показателя по территории России.
Сравнение с данными реанализа спутниковой информации MERRA-2
Интересно сравнить полученные результаты непосредственного мониторинга концентрации ВС в приземном воздухе в пункте наблюдений с данными реанализа спутниковой информации (MERRA-2 [11]) – рис. 5. Видно, что средние месячные результаты сходятся в целом очень неплохо. Это можно считать взаимной верификацией спутниковых и измеренных данных и подтверждением их достоверности. Таким образом, для оценок сезонных и межгодовых вариаций концентрации ВС в приземной атмосфере можно пользоваться спутниковой информацией, которая открыта для использования в [11].
Рис. 5. Средние значения концентрации ВС по месяцам: ВС_ср – результаты измерения со стандартными отклонениями (ВС+СКО, ВС-СКО – вертикальные границы); M-2_min и M-2_max – минимальные и максимальные оценки реанализа MERRA-2
Выводы
– Представлена точка круглогодичного ежедневного мониторинга (с временным разрешением в одни сутки) концентрации ВС в приземном воздухе труднодоступного района Северного Урала (на территории Печоро-Илычского природного заповедника), где получены новые данные об уровне содержания черного углерода (ВС) в приземной атмосфере и об источниках этого загрязнения. Проведен анализ результатов измерений в течение года – с октября 2017 по сентябрь 2018 г. Средние значения концентрации ВС (плюс-минус стандартное отклонение) составляют в холодную половину года (296 ± 172) нг/м3 и (175 ± 82) нг/м3 в приземном воздухе в поселке Якша и вне его соответственно, а в теплую часть года (81 ± 38) нг/м3 вне поселка.
– Основные антропогенные источники ВС в атмосфере в районе Печоро-Илычского заповедника удалены от пункта наблюдений на расстояние не больше 500 км и расположены на территориях Свердловской области, районов добычи углеродсодержащего топлива ЯНАО и ХМАО, в городах и посёлках (с их промышленностью, транспортом и бытовым отоплением) Пермского края, Удмуртской Республики, Республики Коми. Результаты измерений ВС в приземном воздухе ПИГПБЗ, которые обсуждаются в данной работе, хорошо вписываются в общую картину распределения этого показателя по территории России.
– Сравнение среднемесячных результатов измерений концентрации ВС в приземном воздухе с оценками этой же характеристики по спутниковым данным (реанализ MERRA-2) показывает удовлетворительное соответствие, что можно считать их взаимной верификацией и подтверждением достоверности.
Работа была выполнена при финансовой поддержке РФФИ – грант № 17-05-00245. Авторы благодарят организаторов сайта Лаборатории воздушных ресурсов за возможность свободно использовать модель HYSPLIT.
Библиографическая ссылка
Виноградова А.А., Копейкин В.М., Смирнов Н.С. МОНИТОРИНГ КОНЦЕНТРАЦИИ ЧЕРНОГО УГЛЕРОДА В ПРИЗЕМНОМ ВОЗДУХЕ В РАЙОНЕ ПЕЧОРО-ИЛЫЧСКОГО БИОСФЕРНОГО ЗАПОВЕДНИКА // Успехи современного естествознания. – 2019. – № 11. – С. 64-69;URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37241 (дата обращения: 19.04.2024).