Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Экспериментальное исследование изменчивости концентрации сажевого аэрозоля в городской атмосфере

ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Экспериментальное исследование изменчивости концентрации сажевого аэрозоля в городской атмосфере"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ФИЗИКИ АТМОСФЕРЫ им. А.М. ОБУХОВА

На правах рукописи УДК 551.510.42

Копейкин Владимир Михайлович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЧИВОСТИ КОНЦЕНТРАЦИИ САЖЕВОГО АЭРОЗОЛЯ В ГОРОДСКОЙ АТМОСФЕРЕ

04.00.23 - физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1998

Работа выполнена в Институте физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН

Научный руководитель

Официальные оппоненты -

Ведущая организация

доктор физико-математических наук Горчаков Геннадий Ильич доктор физико-математических наук Каллистратова Маргарита Александровна кандидат физико-математических наук Загайнов Валерий Анатольевич Институт оптики атмосферы СО РАН

Защита диссертации состоится " 1998 г. в // на

заседании Специализированного ученого совета К.003.18.01 Института физики атмосферы РАН (109017, Москва, Пыжевский пер. 3).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики атмосферы РАН.

Автореферат разослан " ' ' " ^_1998 г.

Ученый секретарь Специализированного совета ИФА РАН

кандидат географических наук А^СлаКраснокутская Л.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационной работы определяется тем, что рост эмиссии антропогенного аэрозоля с развитием промышленности и транспорта ведет к ухудшению экологической обстановки в городах и промышленных регионах. Одной из основных составляющих антропогенного аэрозоля является сажевый аэрозоль или сажа, которая опасна для здоровья человека не только сама по себе, но и как носитель полиароматических канцерогенных соединений. Не менее актуально исследование сажевой компоненты атмосферного аэрозоля и для теории современного климата, поскольку сажа является важнейшей поглощающей компонентой атмосферного аэрозоля в коротковолновой области спектра. В настоящее время очень актуальны исследования сажевого аэрозоля в городах и промышленных районах, где уровень аэрозольной нагрузки атмосферы может быть значительным. Поскольку большие города (мегаполисы) отличаются не только высоким уровнем загрязнения атмосферы, но и масштабностью влияния на режим пограничного слоя атмосферы, что проявляется, например, в образовании острова тепла, задачу исследования загрязнения воздушных бассейнов больших городов приходиться рассматривать как самостоятельную геофизическую задачу. В частности, возникает необходимость детального изучения закономерностей временной изменчивости и пространственного распределения сажевого аэрозоля в воздушных бассейнах городов и их окрестностях в зависимости от метеорологических условий и синоптической обстановки. Несмотря на высокую актуальность экспериментальных исследований вариаций содержания сажевой компоненты атмосферного аэрозоля до сих пор опубликованных данных явно недостаточно для выявления основных закономерностей изменчивости сажевого аэрозоля. В частности, явно недостаточно данных о вариациях массовой концентрации сажи в мегаполисах и, в том числе, в г. Москве. Кроме того, широко используемые в настоящее время в России методики измерения сажи не обеспечивают получения данных о концентрации сажи в режиме оперативного мониторинга и не предусматривают проведения идентификации сажи.

Целью работы является экспериментальное исследование закономерностей временной и пространственной изменчивости массовой концентрации сажевого аэрозоля в воздушном бассейне большого города (на примере г. Москвы).

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать методики и создать аппаратуру для идентификации сажи в пробах аэрозоля.

2. Разработать методики и создать аппаратуру для проведения регулярных измерений массовой концентрации сажи.

3. Выполнить регулярные измерения массовой концентрации сажевого аэрозоля в г. Москве и московском регионе.

4. Проанализировать закономерности временной изменчивости концентрации сажевого аэрозоля в большом городе.

5. Осуществить экспериментальное исследование закономерностей пространственного распределения сажевого аэрозоля.

6. Изучить влияние синоптических и метеорологических факторов на сажевое загрязнение приземного слоя атмосферы в большом городе.

7. Получить оценку суммарной мощности источников сажевого аэрозоля в г. Москве.

8. Выявить статистические закономерности изменчивости концентрации сажевого аэрозоля.

9. Разработать предложения по организации мониторинга сажевого загрязнения воздушных бассейнов городов.

Научная новизна работы.

1. Разработана и реализована методика определения массовой концентрации сажевого аэрозоля на основе измерения ослабления света пробами аэрозоля и идентификации сажевого аэрозоля термооптическим методом и методом комбинационного рассеяния света.

2. Выполнены многолетние измерения массовой концентрации сажевого аэрозоля в воздушном бассейне г. Москвы.

3. Изучена временная изменчивость массовой концентрации сажи в воздушном бассейне г Москвы: установлены закономерности сезонного хода, прослежена междугодичная изменчивость уровня сажевого загрязнения атмосферы в г. Москве, выявлены основные особенности синоптической и внутрисуточной изменчивости концентрации сажи.

4. Выявлены следующие особенности пространственного распределения сажевого аэрозоля в городах и вблизи городов: согласованный суточный ход концентрации сажевого аэрозоля в двух районах г. Москвы, многократное превышение уровня сажевого загрязнения вблизи автострад над средним уровнем для города в целом, существенное превышение уровня сажевого загрязнения воздушного бассейна г. Москвы над региональным фоном, влияние мезомасштабных процессов на загрязнение пригородной зоны (на примере влияния горно-долинной циркуляции вблизи г. Душанбе).

5. Проанализировано влияние метеорологических параметров пограничного слоя атмосферы на уровень сажевого загрязнения воздушного бассейна большого города. Показано, что массовая концентрация сажевого аэрозоля в приэемнсм слое определяется метеорологическими параметрами пограничного слоя атмосферы, включая бокс-фактор, конкретный тип и длительность режима пограничного слоя городской атмосферы.

6. Получена оценка суммарной мощности источников сажевого аэрозоля в г. Москве по данным измерений массовой концентрации сажевого аэрозоля и параметров городского погранслоя.

На защиту выносятся следующие положения и результаты диссертационной работы:

1. Методика измерения и комплекс аппаратуры для определения массовой концентрации сажевого аэрозоля в воздушных бассейнах городов, включая методику автоматизированного отбора проб аэрозоля, методику термооптической идентификации сажевого аэрозоля, методику идентификации сажи с помощью комбинационного рассеяния света, автоматизированный пробоотборник для обеспечения регулярных измерений концентрации сажевого аэрозоля, монохроматический измеритель (фотометр) поглощения света аэрозольными пробами, устройство для термооптического анализа проб и лазерный спектрометр комбинационного рассеяния для идентификации сажевого аэрозоля.

2. Закономерности долгопериодной (больше месяца) изменчивости концентрации сажевого аэрозоля в приземном слое атмосферы большого города по данным многолетних дневных измерений в г. Москве:

- сезонный ход массовой концентрации сажевого аэрозоля, характеризующийся летним минимумом концентрации и зимним максимумом;

- междутодичная изменчивость массовой концентрации сажевого аэрозоля в период с 1989 г. по 1998 г., основными особенностями которой является наблюдавшийся в 1989-1991 гг. рост концентрации сажи со скоростью примерно 0,85 мкг/м3 в год и стабилизация среднего уровня концентрации в период с 1992 г. по 1998 г.

3. Закономерности короткопериодной (меньше месяца) временной изменчивости массовой концентрации сажевого аэрозоля по данным круглосуточных измерений в г. Москве:

- синоптический максимум в диапазоне периодов 4-6 суток; суточная гармоника и внутрисуточные колебания с периодами вариаций концентрации сажевого аэрозоля примерно 12 час., 8-9 час. и 6 час;

- средний суточный ход концентрации сажевого аэрозоля, отличающийся ночным минимумом и дневным максимумом, с зависящей от сезона амплитудой суточных колебаний.

4. Особенности пространственного распределения приземной массовой концентрации сажевого аэрозоля в г. Москве и в других районах:

- согласованность суточного хода концентрации сажевого аэрозоля в двух районах г. Москвы;

- существенное превышение сажевого загрязнения в г. Москве над уровнем регионального фонового загрязнения;

- значительное превышение (в среднем) уровня сажевого загрязнения приземного воздуха вблизи автострад по сравнению со средним городским уровнем по данным измерений в г. Кисловодске;

- влияние горно-долинной циркуляции на уровень загрязнения приземного воздуха вблизи больших городов (на примере г. Душанбе).

5. Уровень сажевого загрязнения приземного слоя атмосферы в значительной степени определяется режимом пограничного слоя атмосферы над городом:

- минимальные значения концентрации сажи зимой наблюдаются, как правило, при безразличной стратификации, а летом - при конвекции;

- наибольшие концентрации сажевого аэрозоля наблюдаются при приземных и приподнятых инверсиях;

- приземная концентрация сажевого аэрозоля растет с увеличением длительности существования инверсии.

6. С помощью бокс-модели переноса примесей в воздушном бассейне города оценена суммарная мощность источников сажевого аэрозоля в г. Москве.

Научная ценность работы.

Данные регулярных измерений и установленные в работе закономерности изменчивости массовой концентрации сажевого аэрозоля могут быть использованы для оценки радиационных характеристик атмосферного аэрозоля при решении задач теории климата.

Предложенные в диссертации методика и аппаратура могут найти широкое применение при контроле аэрозольного поглощения на станциях геофизического мониторинга и в экспедициях.

Практическая значимость результатов работы.

Разработана эффективная методика определения массовой концентрации сажевого аэрозоля в воздушных бассейнах городов и фоновых районов.

Создана аппаратура для оперативного контроля сажевого загрязнения приземного слоя атмосферы, которая может быть использована при проведении мониторинга сажевого загрязнения воздушных бассейнов городов и фоновых районов и, в том числе, на станции комплексного контроля воздушного бассейна г. Москвы ИФА РАН.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обеспечивается тщательно проработанной методой измерений, использованием специальных методов идентификации сажевого аэрозоля, большим объемом наблюдений и соответствием полученных результатов и выводов установленным ранее геофизическим закономерностям и данным измерений других авторов.

Личный вклад автора.

Автор принимал непосредственное участие в постановке задач на всех этапах работы, в разработке методик и измерениях, самостоятельно изготовил аппаратуру для идентификации и измерения концентрации сажи, выполнил обработку и обобщение полученных данных измерений .

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции по трансформации и дальнему переносу газовых и аэрозольных примесей в атмосфере и созданию моделей загрязнения (Вильнюс, 1986 г.), Всесоюзном совещании по состоянию и охране воздушного бассейна курортных районов (Кисловодск, 1990 г.), Всесоюзной аэрозольной конференции (Москва, 1993 г.). Международном аэрозольном симпозиуме (Москва, 1994 г.), Технологической конференции по окружающей среде (Москва, 1994 г.), 3 Международном аэрозольном симпозиуме (Москва, 1996 г.), 5 Международной конференции "Атмосферные науки и сообщения о качестве воздуха" (Вашингтон, США, 1996 г.) и семинарах Отдела контроля атмосферы оптическими методами Института физики атмосферы (ИФА) РАН.

По теме диссертации опубликовано 13 статей и сделано 7 докладов на Всеросийских и Международных конференциях.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Она содержит 161 страницу машинописного текста, включая список литературы из 93 наименований, 52 рисунка и 5 таблиц.

Содержание работы

Во введении сформулированы защищаемые положения, цель и основные задачи работы, охарактеризована их научная новизна, достоверность выводов и результатов, описана структура диссертации, изложены основные результаты и указана научная значимость и практическая ценность диссертационной работы.

В первой главе приводится обзор публикаций, посвященных различным методам анализа содержания элементарного углерода (сажи) в атмосферном аэрозоле.

Дано описание аппаратуры и методики отбора проб атмосферного аэрозоля на подложки: 1) импактором на металлические подложки, 2) с помощью аэрозольных пробоотборников на кварцевые (или фильтры АФА-ХП-20) волокнистые фильтры. Подробно описан сконструированный

нами автоматический аэрозольный пробоотборник, собирающий на 1 фильтр 12 аэрозольных проб с продолжительность сбора одной пробы 1 или 2 часа.

Дано описание аппаратуры и методики измерения концентрации сажевого аэрозоля в пробах. Применяемая нами методика измерения сажевого аэрозоля заключалась в следующем: а) проводился отбор атмосферного аэрозоля на подложки, б) осуществлялся анализ полученных проб оптическим методом, в) вычислялась массовая концентрация сажевого аэрозоля в воздухе, г) проводилась идентификация сажи в пробах. Минимально обнаружимая концентрация сажи в отобранной пробе аэрозоля составляет 0,1 мкг/м3. При этом точность измерения концентрации сажи не хуже ±20%.

Описана применяемая нами аппаратура и методики идентификации сажи в пробах: комбинированный термооптический метод, монохроматический измеритель поглощения света аэрозольными пробами и лазерный спектрометр комбинационного рассеяния.

Вторая глава посвящена результатам исследования временных вариаций массовой концентрации сажи в атмосфере г. Москвы.

Проведен анализ изменений содержания сажевого аэрозоля в воздухе г. Москвы, наблюдавшихся в дневное время в течение 10 лет (1989 - 1998 гг.). Значения концентрации сажи для разовых измерений при длительности отбора проб 3 часа сильно варьируют и лежат в диапазоне 0,4 - 29 мкг/м3.

В результате роста влияния антропогенных факторов (увеличение автотранспорта) уровень загрязнения сажей атмосферы в г. Москве возрос. За период измерений в 1989 - 1990 гг. среднее значение концентрации сажи равно 4,2 мкг/м3 , в 1991 - 1998 гг. - 6,4 мкг/м3, что сравнимо с уровнем сажевого загрязнения г. Нью-Йорка. По дневным среднемесячным значениям концентрации сажи за 10 лет определен тренд концентрации сажи. Тренд хорошо выражен в период 1989 - 1991 годов, когда прирост концентрации сажи в год составил 0,85 мкг/м3.

В результате осреднения по месяцам среднемесячных значений концентрации сажи за 9 лет получен сезонный ход концентрации сажи: минимальные значения наблюдались в летний период, а максимальные в

осенне-зимний период и они отличаются друг от друга примерно в 1,5 раза.

Проведен анализ вариаций содержания сажи в атмосферном аэрозоле по данным круглосуточных измерений. Значения разовых концентраций сажи лежат в диапазоне 0,4 - 40 мкг/м3, а среднесуточных - в диапазоне 1,0 - 10 мкг/м3, что значительно ниже разовых и среднесуточных предельно допустимых концентраций (ПДК) сажи в воздухе, равных 150 мкг/м3 и 50 мкг/м3, соответственно.

Показано, что распределение значений концентраций сажи (С) для разовых измерений в разные месяцы года сильно меняется. Проведен анализ числа наблюдений для 5 диапазонов изменения концентрации сажи для 6 месяцев (февраль-июль, октябрь). Показано, что ситуации наибольшего загрязнения приземного воздуха сажей ( С > 12 мкг/м3) наблюдались в феврале в 10% случаев, в марте-апреле - 3-5% случаев, в мае-июне, октябре - менее чем 2% случаев. Построены гистограммы для 6 месяцев круглосуточных наблюдений концентрации сажи. Определены параметры аппроксимирующих логнормальных распределений.

Проведен статистический анализ данных концентрации сажи для четырех сезонов (по одному месяцу). Анализ поведения автокорреляционных функций показал, что происходит быстрое уменьшение автокорреляции до уровня 0,5: для июня за 5 час., для февраля - за 8 час. и для октября - за 12 час. Максимумы спектральной плотности концентрации сажи наблюдаются на частотах соответствующих периодам 46 суток (синоптическая изменчивость), одни сутки (определяются суточным ходом изменения источников сажи и параметров погранслоя), а также на периодах 12 час., 8-9 час. и 6 час.

Получен средний суточный ход концентрации сажи для четырех разных сезонов (по одному месяцу),а также средний суточный ход количества автомобилей (основного источника сажевого аэрозоля), проезжающих мимо пункта наблюдения. Наиболее сильно выражено влияние источников сажи на средний суточный ход ее концентрации в весенний период (коэффициент вариации \г=34%), зимой коэффициент вариации У=13%, летом У=19% и осенью У=23%.

Одновременно с измерениями содержания сажи в воздухе Москвы осуществлялся контроль концентрации газов, выбрасываемых в основном автомобилями (N0, N02 и СО), массовой концентрации сухой основы

субмикронного аэрозоля и счетной концентрации частиц с диаметром более 0,4 мкм. Расчеты показали, что коэффициенты корреляции ( г ) для концентраций этих примесей с концентрацией сажи составляют 0,6 - 0,8.

В третьей главе рассмотрено влияние метеорологических факторов на уровень загрязнения сажевым аэрозолем приземного слоя атмосферы.

Были изучены вариации концентрации сажи в Москве и на Звенигородской научной станции (ЗНС) ИФА РАН при смене воздушных масс в разные сезоны года.

Изучена зависимость концентрации ' сажи от направления ветра в пограничном слое атмосферы. В летний и осенний периода уровни загрязнения атмосферы сажей в Москве близки по величине, а минимальные концентрации сажи соответствуют северному направлению ветра. Зимой наблюдается совсем другая картина: значения концентрации сажи в целом значительно выше осенних и летних уровней, а минимальные концентрации сажи соответствуют западному направлению ветра.

Во все сезоны наблюдалась зависимость концентрации сажи в атмосфере от скорости ветра. Установлена корреляционная связь среднесуточных значений концентрации сажи и обратной к скорости ветра величины: коэффициент корреляции равен 0,6 (лето 1990 г.), - 0,5 (зима 1991 г.).

Проведены исследования статистических связей концентрации сажи с конкретным типом температурной стратификации атмосферного пограничного слоя (АПС). В летний сезон максимальные значения концентрации сажи преимущественно наблюдались при наличии приземных инверсий в утренние часы и в первой половине дня при приподнятых инверсиях; для зимнего периода - при приземных инверсиях, а также и при приподнятых инверсиях в дневное время. Минимальные значения концентрации сажи зимой, как правило, соответствовали безразличной стратификации и наблюдались в период 15-16 часов, а летом - при конвекции в 15-17 часов.

Изучен средний суточный ход концентрации сажи для разных режимов погранслоя или типов стратификации зимой, летом и осенью. Показано, что средние значения концентрации сажи в разное время су-

ток при существовании приземных и приподнятых инверсий для вышеуказанных трех сезонов приблизительно вдвое превышают средние значения концентрации сажи при конвекции и нейтральной стратификации.

Для осеннего сезона получена зависимость концентрации сажи для разных типов стратификации атмосферы в течение суток от высоты слоя перемешивания. Анализ показал:

концентрация сажи во всем диапазоне изменения высоты слоя перемешивания при инверсиях в целом больше, чем при конвекции и нейтральной стратификации;

статистическая связь между концентрацией сажи и высотой слоя перемешивания в целом оказалась существенно нелинейной.

Максимальное содержание сажи наблюдалось при сочетании приземной инверсии высотой 100-200 м и слабого ветра, когда существенно ослаблено вертикальное перемешивание и горизонтальный перенос в приземном слое атмосферы.

При вычислении средней концентрации сажи с использованием простейшей бокс-модели распространения примесей в пограничном слое атмосферы в стабильных условиях учитывается характерный линейный размер города, скорость эмиссии примеси с единицы поверхности и бокс-фактор (В^У-Нщл - произведение высоты слоя перемешивания и средней в этом слое скорости ветра).

Проведено сопоставление параметров слоя перемешивания, определенных методом акустического зондирования с значениями концентрации сажи. Оно показало, что простейшие бокс-модели могут даа'ь только грубую оценку изменчивости концентрации сажи. Так, коэффициент корреляции трехчасовых значений концентрации сажи и обратных величин бокс-фактора не превышает 0,4. Корреляция между среднесуточными значениями концентрации сажи и соответствующими обратными величинами бокс-фактора сравнительно высокая для лета 1990 г. (г = 0.7) и зимы 1991 г. (г =0,6) и относительно низкая для осени 1993 г. (г = 0,4) .

Для учета влияния конкретного состояния температурной стратификации атмосферы при расчете среднесуточных значений концентрации сажи нами введен коэффициент:

Кср.срт==(24 + Тинв — Тконв — 1нейтр)/24 ,

где Тинв ~ время существования приподнятых и приземных инверсий, Тгонв - время существования конвекции, ТТОЙТр - время существования нейтральных ситуаций (в часах).

Коэффициент корреляции среднесуточных значений концентрации сажи и метеорологического параметра Кср.сут/В для лета 1990 г. (0,7) остался таким же как и коэффициент корреляции между концентрацией сажи и В"1, а для зимы 1991 г. и осени 1993 г. он увеличился и стал равен, соответственно, 0,8 и 0,6.

Коэффициент корреляции трехчасовых значений концентрации сажи и обратных величин бокс-фактора для тех же трех периодов измерения не превышает 0,4.

Поскольку время непрерывного существования состояний температурной стратификации АПС, как способствующих накоплению сажи (приземные (НИ) и приподнятые инверсии (ПИ)), так и ведущие к удалению сажи (конвекции (КВ) и нейтральные ситуации (НС)) довольно часто превышает продолжительность единичного измерения сажи (3 часа), то при расчете содержания сажи необходимо учитывать состояние АПС и продолжительность непрерывного существования состояний АПС.

С учетом выше сказанного, мы задали функцию источников 1„ в виде:

t 0,5 при ПИ и НИ

Г„ = С + £(!„ к„), где К = •!

n=t-ti -0,5 при КВ и НС

С = Спах/2 , Сдау - максимальное значение концентрации сажи для определенного периода измерения, t - номер интервала измерения, ti -число учтенных дополнительных интервалов измерения, in - мощность источников n-го интервала. Значения in примерно пропорциональна значению интенсивности движения автотранспорта.

Были рассчитаны коэффициенты корреляции между трехчасовыми значениями концентрации сажи, измеренными в зимний период, и рассчитанными по формуле 1П/В. Они составляют: 0,6; 0,7; 0,7 и 0,7 соответственно для интервалов накопления сажи, равных 3 час., 6 час.,9 час. и 12 час. Таким образом, наибольший вклад дал учет влияния состояния АПС (коэффициент корреляции увеличился до 0,6) . Увеличение интервала накопления повысило коэффициент корреляции до 0,7. Полученное удовлетворительное согласие измеренных и рассчи-

танных величин подтверждает правомерность учета конкретного типе стратификации АПС и введение нами интервала накопления сажи, превышающего время единичного измерения.

В четвертой главе изучается пространственное распределение сажевого аэрозоля. Рассмотрено пространственное распределение сажевого аэрозоля в г. Москве (в центре города и на его северозападной окраине). Измерения в двух пунктах г. Москвы проведены в течение мая - июня 1990 года и в течение февраля 1991 года. В обоих случаях концентрация сажи в центре и на окраине г. Москвы имеет подобный ход, о чем свидетельствует существование довольно высокой корреляции трехчасовых значений концентрации сажи в двух пунктах наблюдения (летом г = 0,8; зимой г = 0,85). При этом в центре Москвы средняя концентрация сажи (летом 3,6 мкг/м3, зимой 7,2 мкг/м3) превышает ее уровень на северо-западе города не более чем на 14%.

Приняв во внимание, что уровень загрязнения сажей воздушного бассейна г. Москвы практически одинаков, а интервал накопления сажи осенью 1993 года не превышает продолжительность единичного измерения концентрации сажи (о чем свидетельствует подобие поведения суточного хода концентрации сажи суточному ходу эмиссии сажи городскими источниками), используем бокс-модель для оценки мощности источников сажи в г. Москве. Она составляет 880 кг/час (или 20. т/сут), что совпадает с оценкой по сжигаемому в Москве топливу -(840 кг/час) . Для сравнения укажем, что в атмосферу г. Лос-Анджелеса за сутки поступает 17 тонн сажи.

Для г. Москвы нами был определен региональный фоновый уровень загрязнения приземного воздуха сажевым аэрозолем по данным измерений в Подмосковье на Звенигородской научной станции (ЗНС), для г. Кисловодска - по данным измерений Высокогорной научной станции (ВНС) ИФА и в Таджикистане - по данным измерений на метеостанции Эсамбай. Из данных одновременных круглосуточных измерений концентрации сажи на ЗНС и в г. Москве, проведенных во все сезоны (по 12 месяца), следует, что значения, полученные на ЗНС, с хорошим приближением могут рассматриваться как региональные фоновые, характерные для слабозагрязненных районов. При этом средние значения концентрации сажи составляют: 1,3 мкг/м3 (весна, 1.3-29.4.93), 1,1 мкг/м3 (лето, 15.5-15.6.90), 1,0 мкг/м3 (осень, 8.10-11.93) и 2,5

мкг/м3 (зима, 30.1-28.2.91).В те же сроки в г. Москве мы получили 4,5 мкг/м3, 3,6 мкг/м3, 3,3 мкг/м3 и 7,2 мкг/м3, соответственно. Существенно, что для всех четырех сезонов в г. Москве сажа может рассматриваться как индикатор антропогенного загрязнения атмосферы.

В Таджикистане метеостанция Эсамбай находится приблизительно на том же расстоянии от г. Душанбе, что и ЗНС от г. Москвы (70 км), но за счет существования горно-долинной циркуляции содержание сажи на станции Эсамбай повышается во время прихода загрязненных воздушных масс со стороны г. Душанбе и поэтому все измерения концентрации сажи на этой станции без учета направления ветра и времени суток нельзя использовать в качестве региональных фоновых.

В качество региональной фоновой станции в районе Кисловодска нами использовалась ВНС ИФА на горе Шаджатмас (2100 м над уровнем моря). Измерения показали, что концентрации сажи в г. Кисловодске зимой выше, чем на ВНС, а летом они сравнимы. Следовательно, для г. Кисловодска сажа является индикатором антропогенного загрязнения атмосферы только в зимний сезон.

По данным измерений, проведенным в разных частях г. Кисловодска в пунктах, удаленных от автодорог, содержание сажи составляет зимой 0,3 - 4,2 мкг/м3, в то же время вблизи автодорог оно значительно выше и варьирует в пределах 2,4 - 31,0 мкг/м3.

С целью изучения сажевого загрязнения Евроазиатского материка проведены измерения концентрации сажи по маршруту поезда Москва-Хабаровск и обратно: весной 1997 года (1.4-15.4) и зимой 1998 года (17.2-7.3). Если исключить измерения, проведенные в крупных городах, то получим, что максимальные значения концентрации сажи на Европейской части достигают 5 мкг/м3, в то время как для Азиатской части - 10 мкг/м3. В весенний период 1997 года выявлены крупномасштабные области загрязнения сажевым аэрозолем (около 1000 км), обусловленные травяными пожарами. В зимний период 1998 года в Восточной Сибири наблюдались крупномасштабные неоднородности (с размерами порядка 500 км) концентрации сажи при движении поезда в обоих направлениях. Выявленная нами крупномасштабная изменчивость сажевого аэрозоля, в частности , связана с синоптическими процессами. На участке трассы Омск-Иркутск (в оба года), когда воздушные

массы перемещались медленно (со скоростью 3 м/с на высоте 700 м) содержание сажи . в среднем в два раза выше, чем на трассе Иркутск-Смск (в оба года), когда скорость перемещения воздушных масс составляла 3-12 м/с. Факт существования более высокого содержания сажи на Азиатской части Евроазиатского континента подтверждается нашими измерениями в г. Пекине (по одному месяцу) в ноябре 1996 г. и ноябре 1997 г., когда наблюдались концентрации сажи 1-65 мкг/м3 и данными сети постов общегосударственной службы наблюдения и контроля за загрязнением атмосферы (ОГСНКА) в 51 городе бывшего СССР, в частности, за 1989 г.

В заключении сформулированы основные результаты работы. 1. Разработана методика измерения и идентификации сажевого аэрозоля. Методика термооптического анализа проб аэрозоля позволяет раздельно определять сажевую и пылевую (минеральную) компоненты поглощающего свет аэрозоля. Метод комбинационного рассеяния света дает возможность идентифицировать сажевый аэрозоль и определить его массовую концентрацию.

2. Создан лазерный спектрометр комбинационного рассеяния света и аппаратура для термооптического диагноза поглощающего аэрозоля. Разработан и изготовлен комплекс аппаратуры для проведения регулярных измерений массовой концентрации сажевого аэрозоля, включающий автоматизированный пробоотборник и оптический анализатор проб аэрозоля.

3. По данным многолетних измерений (1989-1998 гг.) в дневное время суток массовой концентрации сажевого аэрозоля в приземном слое атмосферы г. Москвы проанализирована долгопериодная изменчивость концентрации сажи.

Изучена междугодичная изменчивость концентрации сажевого аэрозоля в воздушном бассейне г. Москвы. С 1989 г. по 1991 г. наблюдался положительный тренд со скоростью изменения примерно 0,85 мкг/м3. В период с 1992 г. по 1997 г. тренд практически нулевой.

Выявлен сезонный ход концентрации сажевого аэрозоля, характеризующийся летним минимумом (примерно 4,6 мкг/м3) и зимним максимумом ( в среднем 6, 4 мкг/м3) .

4. По данным б одномесячных циклов круглосуточных измерений концентрации сажи проанализирована короткопериодная изменчивость концентрации сажи.

Получен средний суточный ход концентрации сажевого аэрозоля, характеризующийся дневным максимумом и ночньм минимумом. Наибольшие изменения в суточном ходе концентрации наблюдаются весной, а наименьшие - зимой.

Методом спектрального анализа месячных рядов наблюдений выявлен синоптический максимум вариации концентрации сажевого аэрозоля с периодом 4-6 суток.

5. Показано, что с помощью бокс-моделей можно получить лишь очень грубую оценку концентрации сажевого аэрозоля по данным измерений высоты слоя перемешивания и средней скорости ветра в слое перемешивания.

Более надежная оценка среднесуточной концентрации сажевого аэрозоля может быть получена при учете суточной изменчивости типов стратификации пограничного слоя атмосферы над городом.

Для повышения точности восстановления трехчасовых значений концентрации сажевого аэрозоля необходимо учитывать не только величину бокс-фактора, но также суточный ход мощности общегородского источника сажевого аэрозоля и типов стратификации АПС и их длительности существования.

6. Выявлена согласованность вариаций концентрации сажевого аэрозоля в двух районах г. Москвы. Получено, что содержание сажи в центре г. Москвы незначительно превышает содержание сажи в северозападной части города (среднемесячные значения отличаются не более чем на 14%) .

Показано, что уровень сажевого загрязнения атмосферы в г. Москве для всех сезонов существенно выше уровня регионального фона.

7. Получена оценка суммарной мощности источников сажи для г. Москвы: она составляет примерно 20 тонн в сутки.

8. Проведенные измерения пространственного распределения сажи в приземном слое атмосферы на Евразийском континенте вдоль транссибирской магистрали с помощью вагона-лаборатории в весенний 1997 г. и зимний 1998 г. сезоны показали, что уровень сажевого загрязнения

атмосферы существенно возрастает с уменьшением скорости перемещения воздушных масс.

Уровень сажевого загрязнения Азиатской части материка по данным наших измерений примерно в два раза выше, чем уровень сажевого загрязнения Европейской части России.

В приложении даны предложения по организации мониторинга сажевого загрязнения воздушных бассейнов городов.

Основные результаты диссертации содержатся в следующих работах:

1. Ю.С. Георгиевский, В.М. Копейкин. Лазерный спектрометр комбинационного рассеяния. Изв. АН СССР, ФАО, 1983, т. 19, N 5, с. 546-549.

2. Ю.С. Георгиевский, В.И. Иванов, В.М. Копейкин, И.Я. Сергеев. Исследование тонкодисперсной фракции атмосферного аэрозоля. Тезисы доклада на Всесоюзной конференции по трансформации и дальнему переносу газовых и аэрозольных примесей в атмосфере, Вильнюс, ноябрь, 1986 г.

3. Копейкин В.М., Капустин В.Н., Дьячков А.Ф. Сажевый аэрозоль в воздушном бассейне Кисловодска. Сб. докладов: Всесоюзное совещание. Состояние и охрана воздушного бассейна курортных районов, 12-13 апреля 1989 г., г. Кисловодск, 1990, с. 47-52.

4. Т. Хансен, Капустин В.Н., Копейкин В.М., Д. Жилет, Б. Бо-дейн. Оптическое поглощение аридным аэрозолем в регионах Средней Азии. Советско-американский эксперимент по изучению аридного аэрозоля, Санкт-Петербург, 1992.

5. Корниенко В.И., Копейкин В.М., Капустин В.Н. Исследование суточной изменчивости приземного аэрозоля в характерных районах Таджикистана. Советско-американский эксперимент по изучению аридного аэрозоля, Санкт-Петербург, 1992.

6. Копейкин В.М. Анализ содержания сажи в аэрозоле,- Контроль состояния воздушного бассейна г. Москвы. Препринт ИФА АН СССР ч.

I, 1991, с. 59-64.

7. Копейкин В.М., Капустин В.Н., Полиссар A.B. Углеродосодержа-щий (сажевый) аэрозоль в атмосфере города Москвы. - Контроль состояния воздушного бассейна г. Москвы. Препринт ИФА РАН N 9, ч.

II, 1992, с. 38-57.

8. Копейкин В.М., Капустин В.Н., Пекур М.С. Контроль сажевого аэрозоля в атмосфере города Москвы., Изв. АН, ФАО, т. 29, N 2, 1993 г., с. 213-217.

9. V.M. Kopeikin, M.S. Pekour. Mesurements of atmospheric aerosol in Moscow, SPIE - The Internatinol Society for Opticol Engineering, V. 2107, 1993, pp. 194-202.

10. В.М. Копейкин. Сажевый аэрозоль в атмосфере города Москвы. -Контроль состояния воздушного бассейна г. Москвы. Препринт ИФА РАН N 2,ч. III, 1995, с. 64-81.

11. V.M. Kopeikin, M.S. Pekour. Atmospheric soot aerosol measurements in Moscow. The 5th intermational conference "Atmospheric Sciences and Applications to Air Quality", 18-20 june 1996, Washington, USA.

12. Белов H.H., Горчаков Г.И., Копейкин В.М. и др. Получение аэрозоля из частиц фуллереновой сажи./ кн. "Аэрозоли", с. 6, Труды Международного аэрозольного симпозиума, г. Москва, декабрь 1996 г., 1996, М. : Aerosol Technology LXD.

14. Копейкин В.М. Сажевый аэрозоль в атмосфере города Москвы. Изв. РАН, ФАО, т. 34, N 1, 1998 г., с. 104-110.

Подписано к печати 04.11.98 г. Заказ № 189. Тираж 100 экз.

ТОО "Фирма БЛОК" 107140 г. Москва, ул. Русаковская, д.1, т. 264 - 30 - 73

Изготовление брошюр, авторефератов и переплет диссертаций.