Содержание к диссертации
Введение
1. Автоматизированный интегрированный комплекс аппаратуры для наблюдений газовых примесей атмосферы 14
1.1. Состав комплекса и характеристики приборов 14
1.2. Автоматизация измерений и регистрации данных 23
1.3. Калибровки приборов комплекса 29
1.4. Железнодорожный вагон-лаборатория и система энергообеспечения измерительной аппаратуры . 35
2 Пространственное и временное распределение газовых примесей над территорией россии вдоль железнодорожных магистралей . 37
2.1. Эксперименты TROICA: трансконтинентальные наблюдения состава атмосферы, радиационных и метеорологических характеристик 37
2.1.1. Наблюдения вдоль Транссибирской магистрали7 (Москва - Хабаровск - Владивосток - Москва) 37
2.1.2. Наблюдения на маршруте Москва - Мурманск.- Кисловодск. 38
2.2. Общий характер пространственного распределения и крупномасштабные вариации концентраций примесей над континентом... 54
2.2.1. Распределение озона над континентом. Сезонная и суточная изменчивость концентраций озона .55
2.2.2. Общий характер распределения концентраций оксида и диоксида азота 58
2.2.3. Распределение концентрации оксида и диоксида углерода. .61
2.2.4. Вариации концентраций метана в приземном слое атмосферы .63
2.31 Мезомасштабная пространственная изменчивость примесей. .65
2.3.1. Характер вариаций концентрации озона и оксидов азота в шлейфах городов. 65
2.3.2. Загрязнение атмосферы оксидами азота и углерода в городах и промышленных центрах 66
2.3.3. Состав воздуха на железнодорожных станциях и участках дороги с тепловозной тягой. 70
2.4. Статистический анализ локальных вариаций концентраций примесей. 71
2.4.1. Высоковольтные линии электропередачи как источники озона в атмосфере 71
2.4.2. Утечки метана из газопроводов 76
3. Вариации газовых примесей по наблюдениям на стационарных обсерваториях 78
3.1. Наблюдения в фоновых атмосферных условиях 78
3.1.1. Наблюдения на станции Ловозеро (Кольский п-ов) 78
3.1.2. Наблюдения на Кисловодской высокогорной научной станции .79
3.2. Наблюдения в условиях наличия источников загрязняющих атмосферу примесей 80
3.2.1 .Наблюдения в Москве с территории ИФА им.А.М.Обухова РАН.80
3.2.2. Наблюдения на Звенигородской научной станции 81
3.2.3, Наблюдения в г.Кисловодске. 81
3.3. Анализ данных круглосуточного круглогодичного мониторинга примесей в экологической лаборатории МГУ (Москва, Воробьевы горы) .83
3.3.1. Общая характеристика станции наблюдений. 83
3.3.2. Сезонная и суточная изменчивость концентраций измеряемых примесей. .84
3.3.3. Влияние аномальных метеоусловий на режим газовых примесей (по данным наблюдений лета 2002 г.) 87
Заключение 89
Список литературы. 92
- Железнодорожный вагон-лаборатория и система энергообеспечения измерительной аппаратуры
- Распределение озона над континентом. Сезонная и суточная изменчивость концентраций озона
- Загрязнение атмосферы оксидами азота и углерода в городах и промышленных центрах
- Влияние аномальных метеоусловий на режим газовых примесей (по данным наблюдений лета 2002 г.)
Железнодорожный вагон-лаборатория и система энергообеспечения измерительной аппаратуры
Полученные в период с 1995 по 2003 годы данные наблюдений малых газовых примесей на стационарных станциях и на железнодорожном вагоне-лаборатории представляют ценный научный материал для последующего теоретического моделирования фотохимических процессов трансформации примесей и процессов их переноса. Это позволит существенно улучшить научное понимание процессов изменений химических и радиационных свойств атмосферы, и связанных с этим глобальных изменений климата Земли.
Достоверность результатов проведенных измерений обеспечена регулярно проводимыми калибровками применяемых приборов по стандартизованным методикам и с использованием стандартов, предоставленных такими зарубежными институтами, как Институт химии атмосферы Макса Планка (г. Майнц, Германия), Национальная администрация по атмосфере и океану (США), Институт прикладных исследований окружающей среды (г. Стокгольм, Швеция).
Исследования по оценке качества данных, получаемых на передвижной станции наблюдений (движущемся вагоне), показали, что погрешности, вносимые движением вагона и влиянием состава поезда, не превышают собственных погрешностей измерительных приборов, и не влияют на качество данных.
Данные наблюдений согласуются с существующими в настоящее время: представлениями о характере пространственного и временного распределения газовых примесей атмосферы, и с результатами численного моделирования. Личный вклад автора по данной работе заключается в следующем. Автором создан автоматизированный интегрированный комплекс аппаратуры измерения газовых примесей; Автором полностью разработано программное обеспечение комплекса, разработаны и изготовлены аппаратные средства автоматизации измерений. Автором проводились все без исключения практические наблюдения с помощью созданного комплекса, монтаж и демонтаж оборудования комплекса в местах проведения наблюдений, все калибровки и техническое обслуживание приборов, предварительная обработка и представление данных для анализа. Автором проведен начальный статистический анализ данных и выявление основных крупномасштабных, мезомасштабных и локальных вариаций концентраций примесей. Автор принимал участие в подробном анализе данных и выявлении основных особенностей режима газовых примесей над континентом; На защиту диссертации выносятся следующие положения. 1. Созданный автоматизированный интегрированный комплекс аппаратуры позволяет одновременно, в автоматическом непрерывном режиме, измерять концентрации основных климатически и химически активных газовых примесей в приземном слое атмосферы. Данные измерений предоставляются и передаются в реальном масштабе времени. Обеспечивается уровень качества и достоверности измерений, соответствующий требованиям международных стандартов и требований, предъявляемых для обсерваторий мировой сети Global Atmospheric Watch. 2. Среднерегиональные концентрации озона над континентом, по данным измерений автоматизированным комплексом, примерно однородны по регионам. Сезонные вариации озона над континентом подчиняются известной закономерности годового хода с минимумом в ноябре-декабре и максимумом в апреле-мае, а суточные вариации имеют различный характер в зависимости от сезона, объясняющийся различной интенсивностью процессов фотохимической генерации и стока озона в зависимости от сезона. 3; Основной характерной особенностью распределения концентрации оксидов азота и оксида углерода является близкое к однородному распределение этих примесей над всей территорией континента вне городов и промышленных центров, с резким возрастанием концентраций загрязнения в городах, также сопровождающимися понижением концентрации озона. От городов распространяются шлейфы повышенных концентраций, характер и протяженность которых определяются текущими синоптическими условиями. 4. Крупномасштабные вариации концентрации метана над территорией России, по данным наблюдений, характеризуются крупными областями повышенной концентрации в зонах биогенных и антропогенных эмиссий» в частности в Западной Сибири ив Центральном регионе страны. Повышенные концентрации метана возникают также в результате переноса воздушных масс из районов его эмиссий. Кроме этого, наблюдаются локальные вариации концентраций, связанные с утечками из газопроводов и систем газоснабжения. 5. Вблизи высоковольтных линий электропередачи (ЛЭП) формируются устойчивые области повышенного (до 7...10% от среднего уровня) содержания озона. Уровень этого превышения существенно зависит от концентраций остальных загрязняющих атмосферу примесей и метеорологических условий; 6. В условиях мегаполиса (Москва), по данным круглосуточного круглогодичного мониторинга газовых примесей, суточные вариации озона, оксидов азота и углерода объясняется интенсивностью антропогенной деятельности в городе, метеорологическими условиями и характером приземных инверсий. В определенных метеорологических условиях в загрязненном городском воздухе может существенно активизироваться фотохимическая генерация озона, приводящая к резкому возрастанию его приземной концентрации: Материалы диссертации неоднократно обсуждались на научных семинарах в ИФА РАН, ПГИ КНЦ РАН. Отдельные результаты диссертации неоднократно докладывались на российских и международных научных конференциях: второй и третьей Международных конференциях "Состояние и охрана, воздушного бассейна и водно-минеральных ресурсов курортно-рекреационных регионов" (г.Кисловодск, 2000 и 2003 гг), на Международном рабочем совещании "Развитие наземной сети наблюдений двуокиси азота в стратосфере" (г.Звенигород, 2001 г.), Симпозиуме по атмосферному озону (г.Саппоро, Япония, 2000 г.)
Распределение озона над континентом. Сезонная и суточная изменчивость концентраций озона
В общем случае калибровка (поверка) любого газоанализатора заключается в подаче на его вход в качестве анализируемого воздуха специальной газовой смеси, концентрация измеряемой примеси в которой известна с определенной (как правило, весьма малой) погрешностью. Измеренное прибором значение фиксируется в протоколах калибровки, и в дальнейшем используется при обработке данных измерений.
Различают два вида калибровки: по двум значениям: нулю (zero) и эталону (span), и многоточечную.
При калибровке по двум значениям на прибор сначала подают газ (газовую смесь) с "нулевой" концентрацией измеряемой примеси (меньшей порога обнаружения газоанализатора), т.н. "нулевой" воздух (zero air). Затем на прибор подают газовую смесь с достаточно высокой концентрацией измеряемой примеси (как правило, 60-80% от максимально допустимой для измерения данным прибором).
Калибровка по двум значениям позволяет проводить оперативную оценку достоверности измерений калибруемым прибором, а также компенсировать при дальнейшей обработке данных его систематическую погрешность, но только при условии сохранения линейности показаний прибора, в пределах его собственной общей погрешности.
При многоточечной калибровке используются оба указанных калибровочных газа, которые перед подачей на прибор смешиваются между собой в заданной пропорции. Для этого каждый газ перед смешиванием пропускается через специальное электронно-пневматическое устройство -контроллер потока.
Как правило, при проведении многоточечной калибровки задают достаточное количество п (п=10 и более) различных концентраций подаваемой на прибор газовой смеси. Для этого, как правило, управление контроллерами потока, равно как и регистрация показаний калибруемого прибора, осуществляется: с помощью персонального компьютера с применением соответствующих интерфейсных устройств и надлежащего программного обеспечения,
Многоточечная калибровка, в отличие от калибровки по двум значениям, позволяет определить фактическую нелинейность прибора, если последняя превышает общую погрешность измерений.
Перед проведением калибровки обеспечивают условия работы прибора (температура и влажность окружающей среды, напряжение питания и пр.) соответствующим условиям, требуемым для нормальной работы прибора фирмой-изготовителем. Также обеспечивают предварительный прогрев прибора и установление режимов его работы в течение не менее 2-3 часов, а при для некоторых приборов и более, если это указано фирмой-изготовителем.
Периодичность поведения калибровок и их вид во многом определяется стабильностью характеристик конкретного прибора, а также характером задач проведения измерений. В частности, в составе комплекса применены приборы производства ведущих зарубежных фирм-производителей оборудования для мониторинга окружающей среды. Опыт эксплуатации этих приборов (с 1995 г.) показал, что не наблюдается сколь-нибудь значительного изменения их калибровочных параметров при непрерывной круглосуточной эксплуатации в течение месяца и более.
В то же время при проведении измерений на железнодорожном вагоне-лаборатории, при непрерывном следовании по трассе Транссибирской железнодорожной магистрали, калибровки каждого прибора; по крайней мере, по двум значениям, проводились ежедневно. . Это определялось исключительной важностью задач измерений, проводимых во время движения вагона-лаборатории.
Для калибровок измерителей концентрации озона в процессе эксплуатации комплекса с 1999 г., один из измерителей, прибор DASIBI-1008RS зав.#6394, был принят за эталонный, а калибровка всех остальных приборов проводилась путем сравнения с показаниями выбранного прибора.
В свою очередь, прибор DAS1BI-1008RS зав.#6394, выбранный в качестве эталонного, в декабре 2001 г. был прокалиброван по т.н. вторичному эталону Европейской программы EUROTRAC. Таким эталоном являлся озонометр 41М #1298, калиброванный в свою очередь 26/04/2001 по первичному стандарту SPR #11, находящемуся в Институте прикладных исследований окружающей среды (Стокгольм, Швеция). Собственно указанный вторичный эталон находится в Институте глобального климата и экологии Гидромета РФ и РАН (г. Москва), где и выполнялась калибровка.
Методика этой калибровки не отличалась от общей, описанной выше для измерителей концентрации озона. Многоточечная калибровка проводилась по числу значений п=7. Значение регрессионного коэффициента калибровочной прямой составляет 0,996 + 0,001, что соответствует общей погрешности прибора менее 1%.
В 1995 г. этот же прибор калибровался фирмой-изготовителем, по числу значений п=3. Значение регрессионного коэффициента калибровочной прямой составляет 0,9936 ±0,0002.
Сравнение результатов калибровок 1995 и 2001 "гг, позволяет сделать вывод об исключительно высокой стабильности параметров прибора DASIBI-1008RS зав.#6394, и о правильности сделанного выбора этого прибора как эталона для периодической калибровки остальных измерителей концентрации озона, входящих в состав комплекса.
Многоточечные калибровки прибора TE42CL по концентарции NO проводились в 2000, 2001 и 2002 гг. Анализ данных проведенных калибровок позволяет заключить, что прибор TE42CL устойчиво сохраняет значение калибровочного коэффициента. Изменение этого коэффициента за весь период эксплуатации прибора не превышает 1 %, что соответствует общей погрешности прибора, указанной в спецификации фирмы-изготовителя:
Методика, калибровки приборов по концентрации N02 отличается от методики калибровки по концентрации NO. Как известно, стабильных газовых смесей с заданной концентраций NO2 не существует. Для калибровки в этом случае применяется специальный газовый эмиттер (permeation device). Это устройство представляет собой: элемент, непрерывно эмитгирующий N02 с известной скоростью. Для; калибровки газовый эмиттер помещается в термостатированную камеру, через которую прокачивается "нулевой" воздух. При известном расходе воздуха возможно вычислить объемную концентрацию NO2 в получаемой калибровочной газовой смеси.
Загрязнение атмосферы оксидами азота и углерода в городах и промышленных центрах
При анализе к крупномасштабным вариациям были отнесены вариации концентраций примесей с характерным пространственным периодом в 1000 км и более.
Весь пространственный ряд значений был разделен на крупные регионы, для проведения анализа в пределах каждого региона. Разбиение ряда на регионы было выполнено с учетом естественных различий географического и климатического характера вдоль маршрута экспедиции, Кроме этого, для анализа особенностей суточных вариаций границы регионов выбирались так, чтобы каждый регион проходился вагоном, примерно, в течение одних суток,
С учетом указанных особенностей, разделение маршрута экспедиции на регионы представлено в таблице 10 В каждом регионе, кроме этого, был выделен также дневной либо ночной режим измерений, определяемый по значению зенитного угла Солнца. Кроме этого, по каждому региону была выполнена выборка значений, с исключением областей городов, промышленных зон и других источников загрязнения атмосферы.
Далее, для каждого региона были вычислены среднее значение по выборке и среднеквадратичное отклонение от среднего, для концентраций озона, оксидов азота, оксида и диоксида углерода и метана.
Средние значение и среднеквадратичные отклонения для концентрации озона по регионам показаны на рис.12. Концентрация озона характеризуется в целом заметной однородностью по регионам. Практически, средняя концентрация озона ни по одному из шести выбранных регионов не отличается в пределах среднеквадратичных отклонений от остальных. Исключение составляет регион 1, для которого практически во всех экспедициях получены сниженные концентрации озона. Это может быть объяснено наличием в регионе крупных промышленных предприятий.
В то время как концентрация озона практически однородна по регионам, она отличается существенной сезонной неравномерностью. Максимальные концентрации (порядка 40 ppb) были зарегистрированы в весенний период, а минимальные (порядка 15 ppb) - в зимний;
Также хорошо заметны сезонные особенности суточного хода озона, который можно разделить на два режима - летний (с большим различием между дневными и ночными концентрациями) и зимний (с меньшими различиями). Для экспедиции 3 хорошо заметен переход от зимнего режима к летнему для? прямого рейса между регионами 3 и 4, а для обратного рейса - между регионами 2 и 3. Это объясняется изменением сезонных условий весной в течение времени рейса экспедиции. Для экспедиции 4, относящейся к более раннему сезону, чем экспедиция 3, летний режим реализуется только для регионов 5 и 6. Может быть сделан вывод о последовательном переходе поведения озона от зимнего режима к летнему от восточных регионов к западным при наступлении весны в Сибири.
Показанные на графиках среднеквадратичные отклонения дают возможность оценить степень вариации концентрации озона по регионам. Возможно сделать вывод о том, что большие вариации озона характерны для его летнего режима. В дневное время происходит интенсивная фотохимическая генерация озона, приводящая к сильному возрастанию его концентрации. Ночью в летнее время при отсутствии снежного покрова озон разрушается на подстилающей поверхности.
Зимой эти процессы идут весьма слабо, вследствие малой солнечной освещенности и слабого разрушения озона на подстилающей поверхности при наличии снежного покрова. Весной освещенность растет, и увеличивается генерация озона, а сток озона при этом не возрастает, поскольку снежный покров уже сошел, а зеленая растительность еще не появилась. Это приводит к росту средних концентраций озона. Летом, при наличии зеленой растительности, увеличивается сток озона, и средняя концентрация озона несколько снижается. Полученные результаты анализа подтверждают наличие описанного механизма сезонных изменений концентрации озона.
Еще одной причиной повышенных вариаций озона являются локальные загрязнения тропосферы оксидами азота, проявляющиеся только в определенных условиях, в частности, при наличии приземных инверсий: На полученных результатах это иллюстрируется поведением вариаций озона для регионов 3 и 4 на обратном рейсе экспедиции 4.
Для: дополнительного анализа сезонного хода концентраций озона и вычислим средние значения этих концентраций по всем регионам и рейсам всех экспедиций. Соответствующий график представлен на Рис.13. Анализ этого графика еще раз подтверждает приведенные выше выводы о сезонном ходе концентраций озона Для зимнего и весеннего периодов годовой ход озона даже для выборочных измерений всего в одном рейсе в данный сезон оказывается соответствующим среднестатистическому.
Средние значение и среднеквадратичные отклонения для концентрации N0 и N02 по регионам показаны на рис.14 и рис.15. Для этих концентраций характерен заметный сезонный ход - существенное снижение значений в летнее время и возрастание их в зимнее. Зимой высокие концентрации окислов азота объясняются с одной стороны, слабой солнечной освещенностью и низким уровнем фотодиссоциации NO2 , а с другой стороны - повышенной интенсивностью антропогенных источников окислов азота - котельных и ТЭЦ.
Из характерных региональных вариаций окислов азота следует отметить повышенные концентрации для региона 1, с большим количеством промышленных предприятий. Также обнаруживаются повышенные концентрации для регионов 3 и 4 в обратном рейсе экспедиции 4, что в условиях приземных инверсий привело к большим вариациям озона в этих условиях.
Влияние аномальных метеоусловий на режим газовых примесей (по данным наблюдений лета 2002 г.)
Практически для всех экспедиций наиболее ярко выраженной особенностью пространственной изменчивости концентраций озона и оксидов азота является следующая. Вне населенных пунктов сохраняется относительно постоянный уровень концентраций, для озона - на уровне, примерно, сред нерегионального значения (15-40 ppb, в зависимости от региона и сезона измерений), а для оксидов азота - на уровне минимальной чувствительности используемого измерителя (0-Г ppb). Каждый населенный пункт, или промышленная зона, дают, как правило, резкий всплеск концентрации оксидов азота и соответствующий ему провал в концентрации озона.
Описанный характер вариаций иллюстрирует рис.20, на котором изображены графики концентраций озона и окислов азота на участке маршрута Алзамай-Залари (регион 4) протяженностью 500 км. На графике хорошо видно, что концентрация озона не испытывает заметных вариаций, кроме как в населенных пунктах (Нижнеудинск, Тулун, Зима), в которых озон снижается с 38 до 20 ppb и менее. Концентрации N0 и ИОг, в этих населенных пунктах, наоборот повышаются от фонового уровня (0-1 ppb) до значений в 5-10 ppb и более. Характерный пространственный размер области возмущенных концентраций примесей от каждого населенного пункта не превышает 8-10 км.
Вариации такого характера, как уже отмечалось, проявляются на протяжении всех рейсов всех экспедиций и определяют общую картину распределения концентраций малых газовых примесей в тропосфере над континентом;
На рис.21, показан профиль концентрации озона и окислов азота на участке Новосибирск - Тяжин прямого рейса экспедиции 1 в ночных условиях при попутном ветре. В наветренной зоне г.Новосибирска концентрации примесей соответствовали среднерегиональным фоновым условиям; В пределах города вследствие влияния внутригородских источников оксида азота, концентрация озона снизилась до значений в единицы ppb, соответственно концентрация NO2 возросла примерно на ту же величину. После выезда из города при попутном ветре на протяжении около 500 км наблюдался т.н. шлейф повышенной концентрации N02 и- пониженной концентрации озона, с постепенным восстановлением их фоновых значений.
Сохранение высокой концентрации NCb в описанном случае обусловлено слабой его фото диссоциацией в ночных условиях.
На рис.22 и рис.23 показаны профили концентрации озона и окислов азота для участка Хабаровск-Архара (регион 6) для обратных рейсов экспедиций 2 и 4 соответственно. На графиках хорошо заметен шлейф повышенной концентрации N02, протяженностью около 400 км. Концентрация NO остается, как и в рассмотренном выше случае, низкой, и испытывает только всплески, соответствующие населенным пунктам и антропогенным источникам загрязнения тропосферы в них.
Поведение концентраций 03, NO и N02 для участка маршрута Тулун-Иркутск (регион 4) показаны на рис.24 и рис.25 соответственно для прямого рейса экспедиции 3 и обратного рейса экспедиции 4. Характер вариаций соответствует описанному выше и согласуется с фотохимической моделью. На рис.25 хорошо заметна высокая отрицательная корреляция между концентрациями N02 и озона.
Следует отметить, что образование описанных шлейфов населенных пунктов будет существенно зависеть от синоптических условий в данной местности, в частности, от приземных инверсий и направления ветра.
Анализ имеющихся рядов данных показывает, что практически для всех крупных городов концентрация озона при проезде города падает, причем тем сильнее, чем крупнее город. Минимальные ее значения приходятся на железнодорожную станцию.
Для самых крупных городов, имеющих большую протяженность, окрестности представляют собой промышленные районы с высокими выбросами N0. Примером такого индустриального мегаполиса является Иркутск. Здесь вдоль железной дороги на- большом ее протяжении сосредоточены десятки крупных промышленных предприятий и ТЭЦ; выбрасывающих в атмосферу большое количество N0. Соответственно, воздух непосредственно в промышленной зоне Иркутска более загрязнен, чем в его центре [29].
Анализ имеющихся рядов данных показывает, что, в частности, концентрация оксидов азота на железнодорожных станциях достигает наиболее высоких значений, в сравнении со значениями в черте города. Диоксид азота, как продукт реакции N0 и Оз, должен иметь максимум концентрации на некотором удалении от источников N0. В среднем этот максимум приходится на центр города, где обычно находится железнодорожная станция [30].
Оксид углерода имеет примерно те же источники, что и N0. Но максимум его концентрации соответствует центру города (железнодорожной станции) даже в крупных городах, поскольку из-за большого времени жизни он может переноситься практически без разрушения на значительные расстояния.
Концентрация метана, измеренная на железнодорожной станции, также превышает среднее ее значение по городу. В крупных городах уровень метана везде резко повышенный относительно фоновых значений и примерно одинаков от центра города до окраины.
Для участков железной дороги с тепловозной тягой, когда вагон оказывается в шлейфе загрязненного локомотивом воздуха, резко снижается концентрация озона из-за его разрушения оксидом азота, концентрация которого возрастает от 0 до 700 ppb. Концентрация диоксида азота существенно меньше (не превышает 24 ppb), поскольку его содержание в выхлопных газах мало, а для его образования при взаимодействии NO с О3 не хватает озона. По ходу движения за локомотивом регистрировались значения N0, достигающие 1500 ppb. Также резко возрастала концентрация СО, до 9 ррт.
При движении вагона-лаборатории в хвосте поезда, состоящего из 15 пассажирских вагонов, влияние выбросов локомотива на концентрацию NO и СО также велико. Анализ показал, что концентрация оксида углерода в конце состава находится на уровне от 2 до 5 ррш.
