Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы и средства измерения газового состава атмосферы 12
1.1. Контактные методы измерения 12
1.1.1. Методы, использующие явления люминесценции 13
1.1.2. Метод поглощения УФ-излучения 16
1.1.3. Метод недисперсионного поглощения инфракрасного излучения (NDIR) 17
1.1.4. Метод спектроскопии внутрирезонаторного затухания сигнала во времени 18
1.1.5. Метод внеосевой спектроскопии с интегрированным выходом резонатора 21
1.1.6. Метод лазерной абсорбционной спектроскопии среднего ИК-диапазона, на базе генератора разностной частоты (DFG) 23
1.1.7. Прочие контактные методы 25
1.2. Дистанционные методы измерения 32
1.2.1. Оптическая абсорбционная спектроскопия 33
1.2.2. Лазерный метод 34
1.2.3. Метод дифференциального поглощения 35
1.3. Определение вертикального распределения МГС атмосферы 36
1.3.1. Высотное баллонное зондирование 37
1.3.2. Самолетное зондирование 38
1.3.3. Лидарное зондирование 39
1.4. Комплексы для мониторинга состава воздуха 40
Глава 2. Стационарные и мобильные комплексы мониторинга состава атмосферы 46
2.1. Стационарные посты комплексного мониторинга состояния атмосферы 46
2.1.1. TOR-станция 49
2.1.2. Обсерватории «Фоновая» и БЭК 53
2.2. Посты для мониторинга парниковых газов 66
2.3. Мобильные комплексы 73
2.3.1. Самолет-лаборатория 73
2.3.2. Мобильная станция 79
Глава 3. Метрологическое обеспечение измерений 83
3.1. Автоматическая калибровка газоанализаторов на сети мониторинга парниковых газов JR-STATION 87
3.2. Автоматическая система пробоподготовки и калибровки газоанализаторов СО, СО2 и СН4 на постах обсерваторий «Фоновая» и БЭК 94
3.3. Автоматическая система пробоподготовки и калибровки газоанализаторов химически активных газов на постах Обсерваторий «Фоновая» и БЭК 105
Глава 4. Результаты мониторинга состава воздуха 113
4.1. Вертикальное распределение парниковых газов 113
4.1.1. Углекислый газ 114
4.1.2. Метан 125
4.2. Тренды концентрации парниковых газов в приземном слое атмосферы на территории Западной Сибири по данным постов сети мониторинга JR-STATION 128
4.2.1. Углекислый газ 129
4.2.2. Многолетние тренды сезонных минимумов CO2 по данным сети JR-STATION 131
4.2.3. Метан 134
4.3. Многолетняя изменчивость малых газовых составляющих по данным измерений постов ИОА СО РАН 136
4.3.1. Приземный озон 138
4.3.2. Оксид углерода 141
4.3.3. Диоксид серы 145
4.3.4. Диоксид азота 147
4.3.5. Углекислый газ и метан 150
Заключение 153
Список литературы 155
- Метод спектроскопии внутрирезонаторного затухания сигнала во времени
- Обсерватории «Фоновая» и БЭК
- Автоматическая система пробоподготовки и калибровки газоанализаторов СО, СО2 и СН4 на постах обсерваторий «Фоновая» и БЭК
- Оксид углерода
Введение к работе
Актуальность работы
Состав атмосферы в значительной степени определяет климат Земли, состояние ее экосистем, здоровье человека и его хозяйственную деятельность. К основным целям мониторинга атмосферы можно отнести получение информации о качестве воздуха и переносе загрязнений, диагностику окружающей среды и получение данных для верификации и совершенствования климатических моделей.
В 50-х годах XX века Всемирная метеорологическая организация (ВМО) приняла решение о запуске программы по химии атмосферы и метеорологическим аспектам загрязнения воздуха с целью перехода от разрозненных нерегулярных наблюдений к непрерывному мониторингу. Примерно в то же время, независимо от этой программы, Ч.Д. Килингом были начаты систематические измерения концентрации углекислого газа на метеостанции Обсерватории Мауна-Лоа и в Антарктиде. Уже в 1960 году он забил тревогу о росте содержания CO2 в атмосфере и необходимости снижения антропогенных выбросов, показав, что скорость роста концентрации CO2 на Южном полюсе соответствует количеству ископаемого топлива, сжигаемого во всем мире за год.
На данный момент осуществляется множество непрерывных наблюдений, позволяющих с высокой точностью измерять содержание и многолетнюю изменчивость парниковых газов в атмосфере. Однако в целом климатическая система очень сложна, а атмосферу можно рассматривать как глобальный, постоянно действующий, химический реактор. Поэтому для составления более полной картины пространственно-временной изменчивости большинства климатически значимых параметров атмосферы необходимо проведение комплексных мероприятий, направленных на организацию мониторинговых измерений не только основных парниковых газов, но и других малых газовых составляющих (МГС) атмосферы.
Согласно обзору Росгидромета о состоянии и загрязнении окружающей среды в Российской Федерации за 2012 г. наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха проводились в 252 городах и населенных пунктах на 692 постах. Измерялись концентрации от 4 до 38 загрязняющих веществ. Для проведения измерений использовались автоматические и неавтоматические посты наблюдений, причем доля автоматизированных постов очень мала. Это связано с высокой стоимостью оборудования, способного длительное время работать без присутствия оператора, обеспечивая при этом качественные измерения. Наиболее широко на этой сети применяется ручной отбор разовых проб.
Что касается фонового мониторинга состава атмосферы то, согласно докладу, представленному в рамках четвертого национального собрания РФ, в конце 70-х – начале 80-х годов прошлого века на территории бывше-3
го СССР была сформирована система комплексного фонового мониторинга (СКФМ). Целью создания СКФМ было получение систематической информации о состоянии фонового загрязнения различных природных сред в районах, удаленных от урбанизированных зон. Важной составной частью программы СКФМ являются измерения газовых и аэрозольных составляющих атмосферы.
В 2012 г. на территории Российской Федерации наблюдения за фоновым загрязнением атмосферного воздуха проводились на четырех станциях СКФМ, обеспечивая необходимый объем информации только для составления картины регионального фонового загрязнения атмосферы в Центральных районах Европейской территории России (ЕТР).
Постоянное развитие и усовершенствование климатических моделей требует все большего количества данных натурных измерений, проводимых в различных регионах мира с использованием, как локальных, так и дистанционных средств мониторинга. В связи с этим Глобальная служба атмосферы (ГСА) и всемирная метеорологическая организация активно создают программы, направленные на обеспечение надежных долгосрочных наблюдений за химическим составом и физическими свойствами атмосферы, с целью более глубокого изучения химии атмосферы и изменения климата.
Территория Сибири, занимая около 10% земной суши, практически не охвачена современной наблюдательной сетью, что затрудняет диагностику и прогнозирование глобальных климатических изменений, именно это и определило актуальность данной работы.
Целью данной работы является создание на территории Западной Сибири сети автоматизированных постов мониторинга парниковых газов, и комплексного мониторинга параметров атмосферы. Организации с их помощью мониторинга МГС на территории Западной Сибири. Выявление многолетних тенденций изменения концентрации МГС.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
– Развернуть на территории Западной Сибири сеть автоматических постов мониторинга парниковых газов JR STATION (Japan-Russia Siberian Tall Tower Inland Observation Network);
– Разработать и создать на территории обсерваторий, принадлежащих ИОА СО РАН, автоматические станции (посты) комплексного мониторинга состава атмосферы;
– Разработать метрологическое и программное обеспечение для получения единства и точности измерений МГС на постах комплексного мониторинга состава атмосферы ИОА СО РАН;
– Определить сезонные и многолетние особенности динамики концентрации МГС по данным длительного мониторинга.
Основные положения, выносимые на защиту
Созданная сеть автоматических постов мониторинга парниковых газов позволяет проводить измерения концентрации CO2 с точностью < ± 0,15 млн-1 и CH4 с точностью от ±2 до ±7 млрд-1. Разработаны посты комплексного мониторинга, позволяющие измерять CO2, CH4, CO, O3, NOx, SO2 и характеристики атмосферного аэрозоля.
Разработанная система пробоподготовки и ежечасной калибровки газоанализаторов CO2, CH4 и CO, обеспечивает экономию поверочных газовых смесей (ПГС) более чем в 20 раз. Примененное схемное решение, позволяет с минимальными затратами расширять номенклатуру измеряемых МГС.
Анализ многолетних тенденций летних минимумов концентрации CO2 в нижней тропосфере над Западной Сибирью показал, что после 2004 года произошло ослабление поглощения углекислого газа лесными экосистемами зоны южной и средней тайги.
Полученные в результате многолетнего мониторинга усредненные темпы роста концентрации CO2 по всему слою тропосферы от 500 до 7000м над южной частью Западной Сибири, согласуются со среднеглобальными, однако характеризуются значительно большими амплитудами сезонных циклов.
Научная новизна
Впервые на территории Западной Сибири развернута автоматическая сеть мониторинга парниковых газов в приземном слое атмосферы, позволяющая вести непрерывные наблюдения за динамикой концентраций углекислого газа и метана и, соответственно, определять тенденции их изменения.
Определены многолетние тренды вертикального распределения концентрации парниковых газов над южной частью Западной Сибири.
Впервые получены многолетние ряды измерений концентрации малых газовых составляющих в районе г. Томска и в фоновом районе Томской области, позволившие оценить изменение качества воздуха.
Научная и практическая значимость результатов
Созданная сеть постов мониторинга парниковых газов может служить прообразом, для сетей мониторинга создаваемых в других регионах России.
Полученные результаты могут быть использованы при создании климатических моделей и принятии природоохранных мер.
Результаты многолетнего мониторинга были использованы при выпол
нении государственных контрактов Минобрнауки России №№
02.518.11.7153, 14.740.11.0204, 11.519.11.5009, 14.518.11.7045,
14.604.21.0100, 14.613.21.0013 и 14.613.21.0082 грантов РФФИ № 11-05-
00470, №11-05-93116-НЦНИЛ, № 14-05-93108 НЦНИЛ, № 14-05-00526,
программ Президиума РАН №4 и №18, программы ОНЗ РАН №5, интегра
ционного проекта СО РАН №35, Российско-французского проекта YAK-
AEROSIB «Крупномасштабные аэронаблюдения Сибирского региона»,
2002-2018 и Российско-японского проекта «Измерения парниковых газов, подвергшихся воздействию сибирских экосистем», 1997-2018.
Достоверность результатов подтверждается калибровкой оборудования поверочными газовыми смесями, отвечающими соответствующим международным стандартам качества, статистической обеспеченностью экспериментальных данных, их повторяемостью и соответствием аналогичным результатам, полученным другими исследователями.
Публикации автора
По материалам диссертации опубликовано 48 работ, в том числе 12 статей в журналах из списка рекомендованного ВАК. Основные результаты работы представлены в 36 докладах на российских и международных конференциях. Получено 8 патентов.
Апробация работы (доклады на конференциях)
Результаты исследований, представленные в диссертационной работе,
докладывались на VII, VIII, IX, X Сибирских совещаниях по климато-
экологическому мониторингу (Томск, 2007; 2009; 2011, 2013), VI Междуна
родном симпозиуме «Контроль и реабилитация окружающей среды»
(Томск, 2008); Международной конференции по измерениям, моделирова
нию и информационным системам для изучения окружающей среды:
ENVIROMIS (Томск, 2012); XVI, XVII, XIX, XXIII, XXIV заседаниях рабо
чей группы «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2009; 2010; 2012, 2016, 2017); VII
Всероссийском симпозиуме «Контроль окружающей среды и климата»
(Томск 2010), IX Международной конференция «Естественные и антропо
генные аэрозоли» (Санкт-Петербург, 2014); XIII, XV, XVII, XXIII Междуна
родных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы»
(Томск, 2006, 2011, 2017; Красноярск, 2008); VIII Международной научно-
практической конференции «Образовательные, научные и инженерные при
ложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments - 2009». (Мо
сква 2009), II Научно-практической конференции «Информационно-
измерительная техника и технологии» (Томск 2011), Международной науч
но-практической конференции «Климатология и гляциология Сибири»
(Томск 2012), European Geosciences Union General Assemblies (Vienna,
Austria 2009; 2011, 2013, 2014, 2015, 2016, 2017, 2018), ХХII Научной конференции стран СНГ «Дисперсные системы» (Одесса. 2006), Международной конференции «Физика атмосферы, климат и здоровье" (Кисловодск 2008), PACES Arctic Air Pollution Workshop (Helsinki 2015), The 1st Pan-Eurasian Experiment (PEEX) Science Conference & The 5th PEEX Meeting. (Helsinki 2015), Quadrennial Ozone Symposium 2016 (Edinburg 2016), Международной научно-технической конференция «Системы контроля окружающей среды» (Севастополь 2016), NOAA ESRL Global monitoring annual conference (Boulder 2017), The 2nd International Conference on Airborne Research
for the Environment (ICARE 2017, Oberpfaffenhofen), (Chiba 2017).
Личный вклад автора
Автор принимал участие в создании сети мониторинга парниковых газов JR-STATION, сети постов комплексного мониторинга атмосферы ИОА СО РАН. Алгоритм работы системы пробоподготовки и калибровки газоанализаторов для постов ИОА СО РАН разработан и апробирован автором лично. Автор осуществляет регулярное техническое обслуживание и контроль измерительного комплекса станций, а также проводит модернизацию и усовершенствование оборудования сети JR-STATION и постов ИОА СО РАН. Автор является постоянным участником большинства самолетных и полевых экспериментов по тематике работы. Анализ данных, представленных в работе, проводился автором лично.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Общий объем работы составляет 177 страниц, включая 27 таблиц и 63 рисунка. Список литературы включает 181 источник.
Метод спектроскопии внутрирезонаторного затухания сигнала во времени
В последнее десятилетие большое развитие получили газоанализаторы, основанные на методе спектроскопии внутрирезонаторного затухания сигнала во времени (Cavity Ring-Down Spectroscopy – CRDS). Данная технология основана на том, что молекулы практически всех малых газовых составляющих атмосферы, например, CO, CO2, CH4, H2O, NH3, N2O и многих др., имеют свои собственные полосы поглощения в ближнем ИК-диапазоне спектра. При пониженном давлении, этот спектр состоит из последовательности узких хорошо различимых линий, каждая из которых находится на определенной длине волны. Поскольку эти линии достаточно хорошо обособлены и их длина волны известна, то концентрацию каждого компонента можно определить путем измерения интенсивности поглощения, т.е. по высоте пика поглощения. Обычные инфракрасные газоанализаторы NDIR, рассмотренные выше, не обладают очень высокой чувствительностью, поскольку не способны детектировать небольшое изменение поглощаемого света. Технология же CRDS позволяет избежать этого ограничения за счет многокилометрового прохождения светового пучка через поглощающую среду внутри оптического резонатора. Это дает возможность определять концентрацию газовых примесей с временным разрешением 1 с и точностью на уровне млрд-1, а для некоторых газов и трлн1.
В газоанализаторах, основанных на технологии CRDS [16-18], луч от одночастотного лазера попадает в резонатор, состоящий из двух и более зеркал с высокой отражающей способностью (99,999%). Когда лазер включен, резонатор быстро заполняется светом циркулирующего лазерного пучка. Небольшая часть света, проникающего через одно из зеркал, регистрируется высокочувствительным фотодетектором, сигнал которого прямо пропорционален интенсивности света в резонаторе. Когда сигнал фотодетектора достигает некоторого порогового уровня (через несколько десятков мкс), лазер, генерирующий в непрерывном режиме, резко выключается (рис. 1.1а). После выключения лазерного источника, световой пучок, находящийся внутри резонатора, продолжает блуждать между зеркалами (до 100 тыс. раз). Однако из-за того, что отражательная способность зеркал все-таки ниже 100%, интенсивность света внутри резонатора падает до нуля с экспоненциальной зависимостью:
I(t,X) = I0e/T)
где t - время; т- константа затухания (или время затухания), т.е. характерное время, за которое интенсивность света в резонаторе уменьшается в e раз от первоначальной интенсивности 10, зависящее от механизмов потерь в резонаторе; Л - длина волны.
Скорость затухания в пустом резонаторе на заданной длине волны соответственно равна: R(A,0) = 1/T(A)
Если же в резонатор добавить газ (рис. 1.1б), поглощающий свет на той же длине волны, то тогда скорость затухания будет пропорциональна общим оптическим потерям в резонаторе и, соответственно, равна сумме скорости затухания в пустом резонаторе R (А,0) и коэффициента, зависящего от поглощения молекулами газа с концентрацией С:
R(A,C) = R(A,0) + cs(A)C
где с - скорость света; є - коэффициент экстинкции; С - концентрация поглощающего газа.
Эффективная протяженность оптической трассы внутри резонатора определяется выражением:
L eff=cr(A)
Если отражательная способность зеркал составляет 99,995 %, а потери за счет рассеяния 0,0005 %, то Leff должна быть более 10 км. Для резонаторной ячейки длиной 25 см Leff должна превышать 20 км.
Поглощение исследуемым газом можно записать в виде:
а(А) = є(А)С
Соответственно, если известны сечение и параметры формы линии поглощения исследуемого газа, то можно достаточно легко вычислить концентрацию газа в пробе.
Если в газоанализаторе использовать лазер, позволяющий регулировать длину волны, то таким образом можно измерять концентрацию нескольких газовых примесей одновременно. Именно по такому пути пошла компания Picarro Inc. (США), выпускающая в настоящее время целую серию CRDS газоанализаторов для одновременного измерения концентрации сразу 3-х, 4-х и 5-и МГС: G2301 (CO2, СЦ и H20), G2401 (СО, С02, СЦ и H2O) и G2508 (С02, СН4, N20, NH3 и H20).
Обсерватории «Фоновая» и БЭК
Для создания измерительных постов обсерваторий «Фоновая» и БЭК были задействованы уже имеющиеся метеорологические комплексы, которые были установлены на обоих полигонах Института. Оба комплекса представляли собой вантовые мачты «Унжа-2», оснащенные на четырех уровнях датчиками ветра, температуры и влажности воздуха. Конструктивные особенности комплексов описаны в [106-109].
Для размещения газоанализаторов, аэрозольных приборов, управляющей, записывающей и передающей аппаратуры на территории Обсерватории «Фоновая» было использовано кирпичное здание, расположенное в непосредственной близости от мачты. На БЭКе для этих целей был установлен 20-футовый контейнер (с габаритами 2,4x2,6x6,0 м), в котором сделана внутренняя перегородка, разделившая его на тамбур и аппаратный отсек.
В обоих помещениях были произведены работы по термоизоляции аппаратных отсеков. Также для комфортных условий работы измерительной аппаратуры при низких/высоких температурах окружающей среды были установлены кондиционеры, работающие в автоматическом режиме, способные поддерживать температуру и влажность в рабочем помещении в необходимых пределах. На рис. 2.3 приведено схематическое изображение мачт и аппаратных помещений на Обсерваториях «Фоновая» и БЭК с точным указанием высот, на которых установлены метеорологические датчики и пробоотборники воздуха.
Для более точного определения стратификации атмосферы метеорологические датчики установлены на четырех уровнях. Расположение пробоотборников МГС на двух уровнях позволяет определять не только концентрации газов, но и выявлять вертикальные градиенты концентраций, отражающие влияние удаленных и местных источников.
Структурная схема постов, расположенных на территориях Обсерваторий «Фоновая» и БЭК, представлена на рис. 2.4. В составе постов можно выделить несколько комплексов: аэрозольный, газоаналитический, метеорологический, а также блок коммутации воздушных трактов. Все приборы и датчики, за исключением аэрозольного комплекса подключены к персональному компьютеру (ПК) через аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Аэрозольный комплекс соединяется с ПК через COM-порты.
Программное обеспечение разработано в среде LabView 8.5. Оно позволяет работать комплексу как в автоматическом, так и в ручном режимах. Автоматический режим реализуется при помощи задания алгоритма измерений. Каждый шаг алгоритма содержит команду действия, и время, по которому должна выполняться последовательность действий. Предусмотрены такие команды как: включение/выключение клапанов, начать/закончить измерения, расчет калибровочных коэффициентов, сохранение и передача данных, а также ряд сервисных команд.
Отбор воздуха осуществляется с двух уровней - нижнего («10 м) и верхнего ( 30 м). Затем пробы воздуха подаются в блок коммутации воздушных трактов. Далее проба, опорная газовая смесь (ОГС) или поверочная газовая смесь (ПГС), в зависимости от текущего режима работы, подаются на вход приборов. АЦП оцифровывает аналоговые сигналы приборов и передает информацию в ПК. ПК управляет блоком коммутации воздушных трактов, выбирая режимы измерений – с 10 метров, с 30 метров или калибровки, выполняет необходимые расчеты и сохраняет результаты. Затем полученные данные отправляются на лабораторный сервер при помощи GSM-модема по сети Internet. Для обоих постов разработан общий алгоритм программного обеспечения для проведения мониторинга в автоматическом режиме (рис. 2.5), а также общая схема воздушных трактов, построенная с учетом особенностей калибровки каждого прибора, которая будет подробно рассмотрена в Главе 3.
При первом запуске ПО происходит проверка работоспособности внешних устройств. К внешним устройствам относятся АЦП, аэрозольный комплекс, метеокомплекс и газоаналитический комплекс. После успешной проверки, ПО открывает файл, в котором указаны последовательность действий и время, в которое это действие должно быть выполнено.
В режиме калибровки ПО включает клапаны, необходимые для подачи поверочной газовой смеси на вход приборов. Затем в течение заданного времени происходит регистрация показаний приборов. В конце калибровки полученные данные записываются в первичную базу данных (БД).
В режиме измерения параметров с верхнего уровня, ПО включает клапаны, необходимые для подачи пробы с заданного уровня на вход приборов. Затем в течение заданного времени происходит регистрация показаний приборов. В конце измерения полученные данные сохраняются. Одновременно происходит регистрация метеопараметров и аэрозольного состава атмосферы. Режим измерений с нижнего уровня идентичен предыдущему, за исключением того, что ПО включает клапаны, необходимые для подачи пробы уже с этого уровня.
В конце каждого цикла измерений происходит установка соединения с центральным сервером через мобильную сеть. После чего все данные, которые были получены на предыдущих этапах, передаются на удаленный сервер, где происходит их запись в основную БД.
На рис. 2.6 представлено окно интерфейса основной программы во время режима измерения газового состава атмосферы. В поле алгоритма измерений, оператор формирует последовательность действий – блок 1. Блок 2 – управление клапанами, предназначен для индикации состояния клапанов (вкл/выкл), а также для управления ими в ручном режиме. В блоке 3 отображаются текущие измерения, средние значения и СКО. Блок 4 – индикаторный, и предназначен для визуального отображения текущего режима работы системы. Другие вкладки управляют измерениями метеопараметров и аэрозольного состава и имеют схожий вид.
Из-за технических особенностей газоанализаторы были разделены на две группы: в первую вошли анализаторы CO, CO2, CH4,. во вторую -анализаторы SO2, NOx, О3.
Атмосферный воздух для измерения концентрации CO2, CH4, и CO подводится к блоку коммутации воздушных трактов и компрессору с помощью комбинированных металлопластиковых трубок Synflex 1300. Входные концы трубок присоединены к пробоотборникам из нержавеющей стали, закрепленным на двух уровнях мачты («10м и «30м). Подача проб воздуха с каждой высоты осуществляется насосами, между насосами и блоком коммутации воздушных трактов установлены водоотделители (ловушки конденсата).
Автоматическая система пробоподготовки и калибровки газоанализаторов СО, СО2 и СН4 на постах обсерваторий «Фоновая» и БЭК
При создании автоматической системы калибровки газоанализаторов СО, СО2 и СН4 на первом этапе, была проведена серия экспериментов по калибровке измерительной аппаратуры. В ходе экспериментов были использованы три ПГС (по аналогии с системой JR-STATION), изготовленные в Национальном институте исследований окружающей среды (NIES, г. Цукуба, Япония). Для этого был создан лабораторный макет системы коммутации воздушных трактов и определено расписание подачи ОГС и ПГС (таблица 3.4).
Результаты калибровки приведены в таблице 3.5. Расчет поправочных коэффициентов проводился в соответствии с инструкциями, изложенными в Руководствах по эксплуатации газоанализаторов.
На основе полученных данных с использованием трех ПГС был произведен расчет концентраций С02, ОД и СО в сформированной ОГС, которые составили 381,79 млн"1 (±0,12), 2009,2 млрд"1 (±2,6) и 115,7 млрд"1 (±17,9), соответственно. Результаты калибровки представлены в графическом виде на рис. 3.6, 3.7 и 3.8.
После этого было составлено промежуточное расписание режимов подачи атмосферной пробы воздуха, ОГС и ПГС (таблица 3.6) для проверки стабильности показаний газоанализаторов после калибровки.
Проверка стабильности показаний газоанализаторов после калибровки по расписанию, представленному в таблице 3.4, показала высокую воспроизводимость результатов и точность измерений концентрации CO2, CH4 и СО в ПГС и ОГС (рис. 3.9, 3.10 и 3.11).
В результате проведенных экспериментов по калибровке газоанализаторов CO2, CH4 и CO с применением трех ПГС было установлено, что показания приборов при разных уровнях подаваемых газовых смесей линейны. В связи с этим, было принято решение, что для ежедневной калибровки и определения концентраций CO2, CH4 и CO после формирования ОГС, достаточно использовать две ПГС с верхним и нижним уровнями концентрации. Схематическое изображение окончательного варианта системы пробоподготовки и калибровки газоанализаторов CO2, CH4 и CO применяемых на постах обсерваторий «Фоновой» и БЭК было показано на рис. 2.7.
Из рисунка 2.7 видно, что система пробоподготовки и калибровки газоанализаторов CO2 и CH4, по сути, является переработанным вариантом системы применяемой на постах JR-STATION. Основные отличия состоят в уменьшении количества ПГС и использовании одного баллона ОГС вместо двух, что в свою очередь приводит к упрощению и удешевлению системы. А применение в системе только двухпозиционных электромагнитных клапанов дает возможность для расширения набора подключаемых газоанализаторов (блок калибровки СО), позволяя с наименьшими затратами расширять номенклатуру измеряемых МГС. Возможность упростить схему закачки и подачи ОГС сократив количество используемых баллонов появилась благодаря использованию более мощного, по сравнению с применяемым в системе JR-STATION насоса (компрессора) Н1, который позволяет заполнить баллон в течение 30 минут.
Реализован следующий алгоритм работы системы: при запуске ПО программа начинает работать с 40 минут текущего или следующего часа (в зависимости от фактического времени запуска ПО). В первый момент времени с начала работы программы клапаны К2, К4, К6 и К8 (рис. 2.7) включаются в позицию подачи ОГС в газоанализаторы и одновременно происходит определение давления смеси в баллоне ОГС. При условии если давление в баллоне меньше или равно 1,3 бар, система запускает процесс заполнения баллона ОГС и калибровки газоанализаторов по ПГС. С ХХч 00мин до ХХч 20мин – подача ПГС низкой концентрации (ПГС1, ПГС3), с ХХч 20мин до ХХч 40мин – подача ПГС высокой концентрации (ПГС2, ПГС4). Одновременно с этим через клапаны К1 и К2 происходит сброс остаточного давления в баллоне ОГС, это необходимо для обеспечения так называемого «легкого» старта насоса Н1, и формирование новой ОГС.
При формировании ОГС осуществляется удаление влаги из воздуха с помощью осушителя мембранного ОМ 1 и химического осушителя Mg(ClO4)2 (рис. 2.7). Процесс формирования новой ОГС прекращается при достижении одного из двух условий: 1 – давление в баллоне достигло значения 5 бар, 2 – по времени окончания подачи ПГС высокой концентрации, т.е. ХХч 40мин. С ХХч 40мин до ХХч 00мин происходит подача вновь сформированной ОГС в газоанализаторы.
Далее, с 00мин следующего часа, проведение измерений происходит по сформированному расписанию (таблица 3.7). Ежечасная калибровка газоанализаторов в процессе проведения измерений с двух высотных уровней осуществляется по ОГС. Цикл калибровки с применением ПГС низкой и высокой концентраций осуществляется один раз в сутки, а также, после того, как давление в баллоне ОГС достигнет значения 1,3 бар. Если объем баллона для ОГС составляет 40 дм3 , а воздух в него закачан под давлением 5 бар то обеспечивается порядка 140 циклов калибровки по ОГС до следующего заполнения. Таким образом, заполненный баллон ОГС в нормальном режиме измерительного цикла расходуется примерно в течение семи дней.
После каждого измерения в базу данных записываются средние значения (за 10 мин) аналоговых сигналов газоанализаторов, среднеквадратические отклонения аналоговых сигналов, коэффициенты k,b и рассчитанные концентрации CO2, CH4 и CO. Одновременно с этим, на сайте, http://lop.iao.ru/ происходит отображение результатов измерения в online режиме. Пример графического отображения изменения концентрации CO2 на странице сайта за одни сутки показан на рисунке 3.13.
По сравнению с системой калибровки газоанализаторов применяемой на сети мониторинга NOAA (имеется в виду часть системы, обеспечивающая калибровку газоанализаторов CO2) система калибровки JR-STATION имеет выгодное отличие – меньшее количество используемых баллонов ПГС. В американской системе самый большой расход поверочной газовой смеси в баллоне REF, который применен в качестве опорного газа и баллоне C2 который используется для контроля базовой линии. В системе JR-STATION функцию баллона C2 выполняют баллоны ОГС, которые, как было описано выше, заполняются атмосферным воздухом, что гораздо дешевле изготовленных в лаборатории поверочных газовых смесей. Так же, баллоны ОГС, могли бы взять на себя функцию баллона REF в случае использования в российско-японском проекте в качестве газоанализатора CO2 LI-7000 вместо LI-820.
В свою очередь автоматическая система калибровки газоанализаторов СО, СО2 и СН4 на постах обсерваторий «Фоновая» и БЭК, на наш взгляд, имеет ряд преимуществ перед системой JR-STATION:
– применение только двух баллонов ПГС;
– применение только одного баллона ОГС;
– схемное решение позволяет с минимальными затратами расширять номенклатуру измеряемых МГС.
Оксид углерода
Окись углерода, в фоновой атмосфере присутствует в незначительном количестве, но играет важную роль в химии атмосферы. CO является частью последовательности фотохимических реакций, которая связывает метан, формальдегид, озон и гидроксильные радикалы (OH). В большей части фоновой тропосферы все химические потери CO приходятся на реакцию СО и ОН и около 75% составляют потери OH. Реакция с ОН является основным путем удаления некоторых парниковых газов, таких как CH4, поэтому тенденции в уровнях атмосферного СО должны иметь косвенное влияние на климат через его участие в регулировании OH. Оксид услерода также играет важную роль в качестве предшественника тропосферного озона, а также индикатора антропогенных выбросов и лесных пожаров.
Максимальная концентрация оксида углерода находятся в высоких широтах Северного полушария, а самая низкая в высоких широтах Южного. Ежегодно среднеширотный градиент отражает преобладание антропогенных выбросов в Северном полушарии. В обоих полушариях, реакция с OH приводит к минимуму летом. В северном полушарии максимальные концентрации в зимний период во многом обусловлены наращиванием антропогенных выбросов, в то время как в южном, сжигание биомассы приводит к максимальным концентрациям весной [13].
Перейдем к рассмотрению многолетней изменчивости концентрации угарного газа. На рис. 4.17 представлен многолетний ход среднесуточных концентраций CO, наблюдавшихся на TOR-станции в период с 2002 по 2017 гг. Измерения CO эпизодически проводись и раньше, однако, из-за проблем приборного характера уровень достоверности их невысок, и по этой причине они были исключены их из анализа.
Из рис.4.17 видно, что самые высокие концентрации ( 5 мг/м3) наблюдались в третьей декаде июля 2012 г., когда лесные пожары, охватившие значительную часть Западной и Восточной Сибири летом 2012 г., вплотную подступили к г. Томску, и наблюдалась практически штилевая погода (рис.4.18а), способствовавшая накоплению продуктов горения. Заметное же повышение концентрации CO весной и летом 2015 г. было обусловлено наложением двух факторов. А именно, на протяжении всего этого периода наблюдалась маловетреная погода, причем доля ветров южного и юго-юго-западного направления, преобладающих в районе TOR станции (рис.4.18б и 4.18в) и эффективно рассеивающих накапливающиеся примеси, была ниже обычной (рис. 4.18г). При этом доля ветров западного и восточного направлений увеличилась, что привело к увеличению влияния выбросов со стороны города и наложению дымовых шлейфов, приносимых от лесных пожаров из восточной Сибири. В самой же Томской области ситуация с лесными пожарами летом 2015 г. была относительно спокойной.
На рис. 4.19 показан многолетний ход среднесуточной концентрации оксида углерода по данным обсерватории «Фоновая». Как видно из рис.4.19 ситуация связанная с пожарами 2012 года полностью повторяет картину в районе поста TOR-станция. Из чего можно сделать вывод, что уровни концентрации CO, доходившие до значений 6 мг/м3, в городе и на значительном удалении, т.е. в фоновых районах были одинаковы. В тоже время если сравнить весенние и летние данные 2015 года, то можно обратить внимание на то, что кратковременное повышение концентрации CO до уровня 0.8 мг/м3 наблюдалось на обоих постах, однако на этом сходство заканчивается. Из чего можно констатировать, что повышение концентрации CO в районе поста TOR-станция весной и летом 2015 года связано, в основном, с местным антропогенным влиянием.
Несмотря на периодическое влияние лесных пожаров, которые приводят к экстремально высоким значениям концентрации CO, в целом отчетливо видно постепенное увеличение фонового уровня содержания CO в воздухе в районе поста TOR-станция (Рис 4.17), произошедшее за последние 10 лет связано с началом строительства и развития на территории Академгородка Томской особой экономической зоны. Если до этого момента концентрации CO в среднем находились в пределах регионального фона на уровне чуть более 0,1 мг/м3 [172], то в настоящий момент они уже превышают его вдвое.