CC BY
154
УДК 528.9:[502+613]
К.П. Куценогий
ИХКГ СО РАН, Новосибирск
Л.К. Трубина
СГГА, Новосибирск
КОМПЛЕКСНЫЙ МОНИТОРИНГ АТМОСФЕРНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ СИБИРИ
Атмосферные аэрозоли (АА) играют решающую роль во многих атмосферных процессах (облако- и осадкообразование, радиационный теплообмен, видимость). Они оказывают существенное влияние на качество окружающей среды, климат, химию и физику атмосферы [1]. Поэтому в последние годы внимание к изучению атмосферных аэрозолей неуклонно растет. Свойства атмосферных аэрозолей определяются спектром размеров, концентрацией, химическим составом и структурой частиц. Диапазон размеров атмосферных аэрозолей охватывает 5 порядков величины, концентраций - более 10 порядков. Чрезвычайно сложен химический состав атмосферных аэрозолей. Поэтому проекты по исследованию АА носят с необходимостью комплексный характер и используют специальную аэрозольную аппаратуру и современную аналитическую технику. В последнее десятилетие крупные комплексные международные проекты, связанные с изучением глобальных изменений, как правило, содержат в своем составе блоки взаимодействия атмосфера - океан - суша, где значительное внимание уделяется изучению свойств атмосферных аэрозолей и их роли в различных биогеохимических циклах биосферы. Примером крупных комплексных международных исследований, проведенных во второй половине 90-х годов прошлого столетия, могут служить проекты АСЕ 1 [2] и АСЕ 2 [3], связанные с изучением взаимодействия морских и континентальных аэрозолей в Атлантике. Характерной особенностью этих проектов стало объединение усилий различных стран и использование всего арсенала средств, включающих наземные, надводные, воздушные и космические наблюдения, позволяющие изучать пространственно-временную изменчивость различных характеристик АА локального, регионального и глобального масштабов.
С начала третьего тысячелетия (2001 г.) начался крупный международный проект АСЕ-Asia, целью которого является изучение образования континентальных аэрозолей и их взаимодействие с морскими АА в азиатских странах Тихоокеанского региона [4]. Согласно современным представлениям о механизме образования АА, их можно разбить на три класса: морские, континентальные и смешанные. Последние два в настоящее время наименее изучены. Особо следует обратить внимание на атмосферные аэрозоли Арктического региона. В начале семидесятых годов прошлого столетия начался широкомасштабный комплексный международный проект "Арктическая дымка". Он связан с проблемой дальнего транспорта АА из крупных промышленных центров северного полушария и оценкой техногенной нагрузки таких эмиссий на Арктический бассейн. В настоящее время изучение Арктического бассейна имеет приоритетное значение для
международного сообщества [5]. Это определяется особым влиянием этого региона на климат Земли, его громадными минеральными и углеводородными ресурсами, слабой изученностью полярной биосферы, усиливающимся загрязнением Арктического бассейна техногенными продуктами.
Сейчас уже накоплена значительная информация о том, что в Арктику переносятся АА как техногенного, так и природного типа. Значительная часть таких аэрозолей образуется в Сибири. Это связано с тем, что Сибирь имеет огромную границу с Арктическим бассейном и разнообразные природноклиматические зоны. Здесь интенсивно развивается промышленность и сельское хозяйство, поэтому Сибирь является источником различных типов АА. В то же время в Сибири имеются территории, удаленные на значительные расстояния от крупных сильно загрязненных индустриальных центров. Эти регионы относят к категории "фоновых", где значительная масса аэрозолей образуется в результате естественных процессов, с небольшой примесью загрязняющих веществ. Города и многие регионы юга Сибири сильно загрязнены тяжелыми металлами. Уровень такого загрязнения заметно выше, чем в промышленно развитых странах Европы и Америки. Локальные загрязнения АА могут представлять серьезную опасность для здоровья людей, проживающих в этих районах. С другой стороны, гигантские точечные источники промышленных выбросов достаточно просты для изучения многих вопросов химии окружающей среды, поэтому здесь можно получить важные научные результаты с минимальными затратами. Многочисленные исследования характеристик АА в различных точках земного шара показывают, что значительную часть атмосферных поллютантов составляют частицы, образующиеся при ветровой эрозии поверхности земли и на поверхности морей и океанов. Это пылевые частицы и частицы, состоящие из морских солей. Содержание других частиц природного и антропогенного происхождения в АА, как правило, заметно меньше [1, 6]. Центральная Сибирь удалена на несколько тысяч километров от крупных источников почвенно-эрозионных аэрозолей. В зимний период в Сибири земля покрыта снегом, а водоемы, включая моря и океаны, скованы льдом. Таким образом, этот период крайне благоприятен для изучения дальнего транспорта промышленных выбросов [7-9].
Значительная часть территории Сибири покрыта лесом, который является мощным источником биогенных аэрозолей: первичного типа (например, пыльца растений) [10] и вторичных, образующихся в результате эмиссии реакционно-активных газов, которые в результате химических и фотохимических процессов конвертируются в аэрозольные частицы [11, 12]. Мощным источником атмосферных аэрозолей в Сибири являются лесные пожары [13].
Проект «Аэрозоли Сибири». Учитывая важность Сибири, как источника материалов для дальнего переноса в Арктику с начала 90-х годов параллельно международному проекту «Арктическая Дымка» начался интеграционный проект «Аэрозоли Сибири».
Целями проекта "Аэрозоли Сибири" являются:
- Изучение закономерностей образования, трансформации и переноса аэрозолей в Сибирском регионе на локальном, региональном и глобальном уровнях для выявления их основных источников и стоков;
- Оценка влияния атмосферных аэрозолей на качество атмосферного воздуха, уровни загрязнения растительности, почвы и воды, скорости миграции различных веществ и элементов в объектах окружающей среды;
- Выяснение воздействия атмосферных аэрозолей различной природы на атмосферные процессы, здоровье людей и животный мир.
Методика и результаты. К моменту начала проекта "Аэрозоли Сибири" в Северном полушарии Международным сообществом была образована развитая система наземного мониторинга аэрозолей, состоящая из 22 пунктов наблюдений. В то же время на территории бывшего СССР не было ни одной наблюдательной точки.
В настоящее время в Сибири организована наземная система мониторинга АА, охватывающая территорию Западной и Восточной Сибири с удалением точек наблюдений до 1500 км. В большинстве случаев для этого используются стационары различных Институтов СО РАН, что позволяет проводить исследования круглогодично. Кроме наземных наблюдений, развивается система космического мониторинга, собрана важная информация о масштабах лесных пожаров в бореальных лесах Сибири (рис. 1). Данные космического мониторинга обеспечивают только часть необходимой информации для описания экологических последствий лесных пожаров. Для получения недостающих сведений наблюдения из космоса сопровождаются наземными экспериментами на специальном полигоне, где, в частности, определяется величина газо-аэрозольных эмиссий в зависимости от типа лесных горючих материалов и режимов горения. Получены первые экспериментальные данные, позволяющие определить коэффициенты эмиссии основных радиационно активных газовых и аэрозольных эмиссий по массе сгоревшего лесного горючего материала, а также химическому составу образующихся аэрозолей субмикронной и грубодисперсной фракции.
Выгоревшая площадь леса в инфракрасном диапазоне
Дымовые шлейфы от лесных пожаров в видимом диапазоне
Рис.1. Космический мониторинг газоаэрозольных эмиссий при лесных
пожарах
Эти результаты позволяют оценить влияние газообразных и аэрозольных эмиссий на климатические и экологические последствия лесных пожаров в бореальных лесах Сибири.
По результатам наземного и самолетного мониторинга в период с 2000 по 2002 год впервые получены данные о составе биокомпоненты АА Сибири и ее пространственно-временной изменчивости [14].Для пыльцевой компоненты АА Западной Сибири выявлены закономерности суточной и сезонной изменчивости массовой и счетной концентрации, а также видового состава.
Комплексный мониторинг позволил:
А. По данным многоэлементного состава АА в зависимости от размера частиц
- Выявить три класса частиц: почвенно-эрозионные, характеризуются элементами, у которых 98% массы находится в грубодисперсной фракции ^>1мкм); техногенные аэрозоли, характеризующиеся элементами, у которых 64 % массы находится в субмикронной фракции ^<1мкм); аэрозоли смешанного типа, характеризуются элементами, массовые доли которых примерно поровну распределены между грубодисперсной и субмикронной фракциями [15].
На рис. 2 приведены экспериментальные данные по относительной среднемесячной концентрации (XFe) многоэлементного состава атмосферных аэрозолей (отношение концентрации i-го элемента, указанных на горизонтальной оси, к значению концентрации Fe) в зимний период в двух пунктах наблюдений на севере Западной Сибири. Удаление пунктов наблюдения друг от друга - около 250 км. Экспериментальные точки в одном пункте - Самбурге - обозначены кружками, для пункта - Тарко-Сале -квадратиками. Жирной линией указаны кларки этих элементов (относительные содержания элементов в почве). Это соответствует коэффициенту обогащения EFC, равному единице. Считается, что значения EFC<10 указывают на элементы, источником которых является почвенноветровая эрозия.
— ЕИс ф СпмЬург ■ Тарко-Салс
ЕРо = 10 ЕРс = 1
Ре К Ті & Сг № РЬ Мо
Рис.2
Те элементы, для которых EFc>10, связывают с антропогенными источниками. Кривая ввиде тонкой линии соответствует значению EFC = 10, поэтому в зону ниже тонкой линии попадают элементы от источников почвенно-эрозионной природы, а элементы выше этой линии обусловлены антропогенными источниками. Видно, что на обоих графиках квадратики и кружки для каждого из определенных элементов расположены достаточно близко друг к другу. Это означает, что многоэлементный состав в каждой из почвенно-климатических зон примерно одинаков. Расстояния между точками наблюдения более 100 км. Это указывает на постоянство многоэлементного состава АА в региональном масштабе. Такая методика позволяет разделить все элементы на два класса. Анализ изменения массовой концентрации в зимний сезон на севере и на юге Западной Сибири (табл. 1) выявляет следующую картину.
Таблица 1. Массовая концентрация различных элементов АА Западной
Сибири
Регион Места отбора проб Антропогенные элементы, нг/м3
V 2п № Си РЬ Лб Ое
Север Тарко-Сале 16 18 5 9 40 6 1
Самбург 13 27 4 7 9 1 0,3
Юг Ключи 21 38 2 7 15 1 0,7
Почвенно-эрозионные элементы, нг/м3
Са Ті Мп Бг 2г ЯЬ У Бе
Север Тарко-Сале 380 17 8 0,7 0,2 0,7 0,2 190
Самбург 120 18 6 1,2 0,8 0,3 0,2 130
Юг Ключи 2400 300 90 21 12 6 1,2 1800
Для элементов от антропогенных источников массовые концентрации на юге и севере близки друг к другу. Это означает, что загрязнение от этих источников носит глобальный характер. Для элементов почвенно-эрозионной природы массовая концентрация на севере в 6-60 раз ниже, чем на юге.
Поэтому загрязнение от почвенно-эрозионных источников АА носит региональный характер. Отношение числа элементов от антропогенных и почвенно-эрозионных источников может служить мерой антропогенной нагрузки. Это отношение для разных сезонов года приведено в табл. 2. Из нее видно, что для северных районов, удаленных от крупных промышленных центров, относительная доля элементов антропогенного типа выше, чем доля элементов почвенно-эрозионной природы. Поэтому уровень техногенной нагрузки в удаленных ("фоновых") территориях сильнее, чем на юге, где сосредоточены крупные промышленные центры. Более детальные сведения о типе источников можно получить с использованием факторного анализа временной изменчивости среднесуточных значений массовой концентрации различных элементов.
Таблица 2. Относительные концентрации для оценки техногенной нагрузки
на северные и южные регионы Западной Сибири
Место отбора Число элементов Отношение ^/^
почвенноэрозионных, N1 техногенных, N2
Зима
Север 9 8 0,9
Юг 15 6 0,4
Весна
Север 10 7 0,7
Юг 18 3 0,2
Лето
Север 10 6 0,6
Юг 20 1 0,05
Осень
Север 10 7 0,7
Юг 18 4 0,2
Б. По данным ионного состава АА:
- Сопоставление ионного состава водорастворимой части аэрозолей и мокрых выпадений позволяет выяснить вклады газофазных и почвенноэрозионных составляющих в процессах их формирования с учетом соотношения ионов атмофильных и литофильных элементов. Эти данные имеют самостоятельное значение в связи с проблемой "кислотных дождей", причиной которых является дефицит катионов, нейтрализующих анионы, генерируемые в атмосфере из газовой фазы или поступающие с летучими кислотами. Газофазные процессы генерации 1САА дополняются реакциями нейтрализации с катионами солей из наземных источников и морских солей, что приводит к отсутствию кислотных выпадений на юге Западной Сибири [16]. На рис. 3 приведен пример изменения ионного состава (катионов и
анионов) в зимний период на юге Западной Сибири для атмосферных аэрозолей и мокрых выпадений (снег). Видно, что катионный состав АА в основном определяется №Н4+ (газофазного происхождения), Са2++ М§2+ (почвенно-эрозионный источник) и №+ (морской источник). Анионная компонента определяется газофазными продуктами SO4--, N03 (летучие кислоты), С1- (морской источник), НС03 (адсорбция С02 в жидкую фазу АА). Установлено, что изменчивость ионного состава АА существенно отличается от ионного состава мокрых выпадений. Это говорит о более сложном механизме формирования ионного состава мокрых выпадений, нежели захват АА.
- Временное изменение соотношения нитратов и сульфатов позволяет выделить периоды существенного влияния на состав АА эмиссии наземных лесных пожаров [13, 17].
На специальном полигоне в бореальных лесах Сибири получены экспериментальные данные о коэффициентах газоаэрозольной эмиссии при лесных пожарах в зависимости от сгоревшей массы лесных горючих материалов и режима горения. Определен химический состав ряда газообразных продуктов и аэрозольных частиц [18]. Газообразные продукты горения, наряду с окисью углерода, оказывают существенное влияние на химические процессы в атмосфере и в ряде случаев приводят к образованию аэрозольных частиц. В табл. 3 приведены экспериментальные данные по эмиссии газообразных продуктов горения в пробах, отобранных на экспериментальном полигоне на земле и с вертолета.
- Разработана методика цифровой фотограмметрической обработки получения эквивалентного диаметра, поверхности и объема частиц неправильной формы, а также геометрических размеров аэрозольного облака при распространении в условиях термической и динамической неоднородности подстилающей поверхности [19, 20]. Компьютерная модель аэрозольного облака, полученная методом цифровой стереофотограмметрии, приведена на рис. 4. Эта методика позволяет моделировать в реальных условиях неоднородной подстилающей поверхности закономерности поведения аэрозольного облака от различных типов источников с известной мощностью и спектром размеров аэрозольных частиц. Такая информация необходима для тестирования существующих и разрабатываемых математических моделей распространения аэрозолей в реальной атмосфере в условиях неоднородной подстилающей поверхности. Проведена апробация применения цифровой фотограмметрической технологии для выявления влияния лесных пожаров на лесные биоценозы.
Таблица 3. Состав и мощность газообразных продуктов при лесных пожарах
в бореальных лесах Сибири
Место отбора Число элементов Отношение N2/^
почвенноэрозионных, N1 техногенных, N
Зима
Север 9 8 0,9
Юг 15 6 0,4
Весна
Север 10 7 0,7
Юг 18 3 0,2
Лето
Север 10 6 0,6
Юг 20 1 0,05
Осень
Север 10 7 0,7
Юг 18 4 0,2
С, нг-экв/мЗ
Зима Лето
—♦—N144 -—804
— СІ
12345 12345
—♦— Са+Мд -*-НС03
Условные обозначения:
1 - п. Самбург 4 - п. Ключи
2- п.Тарко-Сале 5 - п. Карасук
3 - п. Красноселькуп
Рис.3
Рис. 4. Изучение распространения аэрозольного облака в условиях динамической и термической неоднородности подстилающей поверхности по
цифровым стереоизображениям
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Seinfeld J.H., Pandis S.H. Atmospheric chemistry and physics. From Air Pollution to Climate Change. John Wiley & Sons Inc., 1998, 1326 pp.
2. Weber R.I. et al. A study of new particle formation and growth involving biogenic trace gas species measured during ACE-1. J. Geophys. Res., 1998, v. 103, p. 16385 - 16396.
3. Raes F., Bates T., McGovern F.M., Liederkerke M. The Second Aerosol Characterization Experiment (ACE-2): General overview and main results. 2000, Tellus B52, p. 111.
4. Symposium on Asian Dust Storm and Its Impact on Climate: ACE-Asia. Sixth International Aerosol Conference September 9-12, 2002, Taipei.
5. SEARCH. Study of Environmental Arctic Change. Science Plan 2001, Polar Science Center, Applied Physics Laboratory, University of Washington, Seattle, 91 pp.
6. Whitby K.T. The physical characteristics of sulfur aerosols. Atm. Envir., 1978, v. 12, P. 135-159.
7. Куценогий К.П., Куценогий П.К. Мониторинг химического и дисперсного состава атмосферных аэрозолей Сибири. Химия в интересах устойчивого развития. 1997, т. 5, с. 457 -471.
8. Куценогий К.П., Куценогий П.К. Аэрозоли Сибири. Итоги семилетних исследований. Сибирский экологический журнал. 2000, т. VII, № 1, с. 11-20.
9. Куценогий К.П., Куценогий П.К. Комплексный мониторинг атмосферных аэрозолей Сибири. В кн.: Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. Т. XIX, 2003, Санкт-Петербург, ГИМИЗ, с. 256 - 293.
10. Головко В.В. Исследование пыльцевой компоненты атмосферного аэрозоля юга Западной Сибири. Автореферат диссертации к.б.н., 2001, Новосибирск, 16 с.
11. Koutsenogii P. Measurements of Remote Continental Aerosol in Siberia. Ph.D. Dissertation, Johannes_Gutenberg University in Mainz, 1992, p. 106.
12. Куценогий П.К. Сезонная изменчивость суточного цикла массовой концентрации субмикронной фракции континентального атмосферного аэрозоля удаленных территорий. Химия в интересах устойчивого развития, 2002, т.10, № 5, с. 627 -635.
13. Koutsenogii K.P., Makarov V.I., Kovalskaya G.A., Smirnova A.I., Smolyakov B.S., Pavlyuk L.A. The chemical Composition of the Aerosol Particle Produced by the Forest Fires in Siberia. Proceeding from: The Joint Fire Science Conference and Workshop, Grove Hotel, Boise, Idaho, June 15-17, 1999. "Crossing the Millennium: Integrating Spatial Technologies and Ecological Principles for a New Age in Fire Management". 2000, v. II, p. 219 - 222.
14. Андреева И.С., Бородулин А.И., Буряк Г.А. и др Биогенная компонента атмосферного аэрозоля на юге Западной Сибири. Химия в интересах устойчивого развития. 2002, т. 10, № 5, с. 547 - 561.
15. Koutsenogii P.K., Boufetov N.S., Smirnova A.I., Koutsenogii K.P. Elemental composition of atmospheric aerosols in Siberia. Nuclear Instr. Method.Phys. Res., 1998, A405, p. 546 - 549.
16. Смоляков Б.С. Проблема кислотных выпадений в Западной Сибири. Химия в интересах устойчивого развития. 2002, т. 10, № 5, с. 521 - 545.
17. Смоляков Б.С., Куценогий К.П., Макаров В.И., Ковальская Г.А., Смирнова А.И., Павлюк Л.А., Филимонова С.Н. Влияние лесных пожаров на химический состав аэрозоля. Оптика атмосферы и океана. 1999, т.12, № 6, с. 523 - 527.
18. Koutsenogii K., Samsonov Y., Makarov V., Churkina T., Ivanova G., Ivanov A., Conard S., Baker S., Hao W., Mc Rae D., Smirnova A., Kovalskaya G., Smolyakov B., Chankina O., Savchenko T., Ecological consequence wildland fire in Siberian boreal forest. Macro and Trace Elements. Workshop, October, 18th and 19th, 2002. Main Building of the Friedrich Schiller University. Jena, 2002, p. 364 - 370.
19. Головко В.В., Куценогий К.П., Киров Е.И., Трубина Л.К., Гук А.П. Использование фотограмметрии для определения характеристик пыльцы. Оптика атмосферы и океана. 2000, т. 13, № 9, с. 882 - 885.
20. Куценогий К.П., Макаров В.И., Самсонов Ю.Н., Киров Е.И., Гук А.П., Трубина Л.К., Черемушкин А.В. Экспериментальное исследование поведения аэрозольного облака в условиях динамической и термической неоднородности. Труды международной конференции RDAMM-2001, 2001, т. 6, ч. 2, Спецвыпуск, с. 255 - 260.
© К.П. Куценогий, Л.К. Трубина, 2005
