Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Исследование временной и пространственной изменчивости характеристик арктического аэрозоля

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Исследование временной и пространственной изменчивости характеристик арктического аэрозоля"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК РГ6 ОД ИНСТИТУТ ФИЗИКИ АТМОСФЕРЫ

Специализированный совет К 003.18.01

ПОЛИССАР Александр Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВРЕМЕННОЙ И ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ХАРАКТЕРИСТИК АРКТИЧЕСКОГО АЭРОЗОЛЯ

.. 04.00.22 - геофизика .

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

.■г Москва .1994

Работа выполнена в Институте физики атмосферы РАН Научный руководитель - доктор физико-математических наук

Г.И. Горчаков . •

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук

В.Н. Арефьев

кандидат физико-математических наук A.A. Волох

Ведущая организация - ДАО Росгидромета

N „

Защита диссертации состоится " " ь^ЛСи^ 1994 г. на

заседании Специализ1фованного ученого совета К.003.18.01 Института физики атмосферы, РАН (109017, Москва, Пыжевский пер. 3).

•• С диссертацией мсашо ознакомиться в - библиотеке Института физики-атмосферы РАН.

Автореферат разослан 1994 г..

Ученый секретарь

Специализированного совета ИФА РАН ..

кандидат географических наук ЛМСуу л.д. Краснокутская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Настоящая работа поевлегка экспериментальному исследованию временной и пространственкой изменчивости характеристик арктического атмосферного аэрозоля, главным образом сажевого.

Наличие сажевого аэрозоля в атмосфере связано с процессами сжигания различных видов топлив. Сажевый аэрозоль оказывает непосредственное влияние на химию атмосферных процессов и радиационный баланс атмосферы. Одним из регионов Земли, где влияние сажевого аэрозоля может быть наиболее существенным, является Арктика - как за счет большего времени жизни частиц в атмосфере этого региона, так и за счет изменения альбедо снежного покрова при осуждении на него сажевых частиц Ш. . .

Для решения климатических задач, наряду с теоретическими, необходимы _ также и экспериментальные.исследования арктического атмосферного аэрозоля. Актуальность подобных исследований обусловлена возможными климатическими и экологичесгаии последствиями накопления аэрозольных загрязнений в Арктике £2].

Рель работы состоит в экспериментальном исследовании временной и пространственной изменчивости содержания арктического сажевого аэрозоля й в изучении влияния дальнего переноса на содержание этого аэрозоля в районах наблюдений.

Лля достижения этой цели решены следующие задачи:

1. Разработана аппаратура и методика отбора проб атмосферного аэрозоля и измерения концентрации сажевого аэрозоля в воздухе-и проведена апробация этой методики.

2. Проведены измерения концентрации сажевого аэрозоля в ат-

мосфере Арктики и получены даяние об элементном составе арктического аэрозоля.

3. Исследовано влияние дальнего переноса на концентрацию сажевого аэрозоля, элементный состав аэрозоля и распределение частиц по размерам.

4. Исследована временная изменчивость характеристик атмосферного арктического аэрозоля, оценено время жизни сажевого аэрозоля в атмосфере Арктики.

5. Исследована пространственная (вертикальные профили и горизонтальное распределение) изменчивость характеристик атмосферного аэрозоля в Арктике.

Основные положения и результаты, выкос-имые на защиту

1. Результаты систематических измерений массовой концентрации сажевого аэрозоля в различных регионах Арктики, включая Северную Атлантику, арх. Северная Земля, о. Четырехстолбовой, о. Врангеля.

2. Закономерности временной изменчивости характеристик атмосферного арктического аэрозоля, а именно

- сезонный ход концентрации сажевого аэрозоля в атмосфере российской Арктиш с максимумом в зимний - весенний сезоны и минимумом - в летний сезон;

- зависимость уровня сажевого загрязнения атмосферы Арктики, элементного состава аэрозоля и распределения частиц по размерам от типа переноса воздушных масс в районы наблюдений.

3. Экспериментальная оценка времени жизни сажевого аэрозоля в атмосфере Арктики.

4. Закономерности пространственной изменчивое?» характеристик атмосферного арктического аэрозоля, такие как

• - слоистая структура вертикальных распределений сакевого аэрозоля и ядер конденсации над российской Арктикой в перш существования арктической дымки;

- высокий уровень аэрозольного загрязнения тропосферы российской Арктики до высот 3 - 4 км в период существовали арктической дымки и оценка общего содержания сажи в столбе тропосферы;

- горизонтальное распределение сажевого аэрозоля над восточной частью российской Арктики и Аляской в период существования арктической дымки, характеризующееся в среднем более высокой концентрацией сажевого аэрозоля в атмосфере западных районов по сравнению с восточными.

■ 5. Методика измерения концентрации сажевого аэрозоля в атмосфере.

Научная новизна работы

1. Впервые получены экспериментальные данные о концентрации сажевого аэрозоля в атмосфере российской Арктики.

2. Получены результаты об элементном составе атмосферного аэрозоля российской Арктики.

3. Впервые проведено экспериментальное исследование вертикального распределения концентрации сажевого аэрозоля и ядер конденсации в российской Арктике.

г

- б -

4. Исследована временная и пространственная изменчивость содержания сажевого аэрозоля в приземном слое атмосферы российской Арктики.

5. Впервые получена экспериментальная оценка времени жизни сажевого аэрозоля в атмосфере Арктики.

Научная и практическая ценность

Полученные вертикальные профили концентрации и данные о горизонтальном • распределении сажевого аэрозоля в российской Арктике, годовом ходе концентрации и времени жизни сажевого аэрозоля могут быть использованы з моделях дальнего переноса антропогенного аэрозоля и климатических моделях, что важно в связи с актуальностью проблемы антропогенного изменения климата.

Предложенный метод трассерного анализа в сочетании с синоптическим анализом может быть использован для выяснения путей переноса и источников аэрозольных примесей в Арктике, что важно для решения задач экологического мониторинга.

Разработанная аппаратура и методика измерения концентрации сажеЕого аэрозоля может применяться для контроля загрязненности воздуха в фоновых районах, а также для решения целого ряда прикладных задач, таких как мониторинг загрязненности воздуха городов, контроль выбросов промышленных предприятий, оценка качества

г

сгорания топлива в двигателях внутреннего сгорания автомобилей и т.п.

Достоверность результатов работы обеспечивается результатами интеркалибровки аппаратуры, большим объемом полученных экспериментальных данных и корректной статистической обработкой этих

данных. . Ока также определяется согласованность!) результатов с экспериментальными данными о концентрации сажевого аэрозоля, элементном составе аэрозоля, временной и пространственной изменчивости арктического аэрозоля, опубликованными ранее другими авторами для западной Арктики. Достоверность результатов подтверждается непротиворечивостью оценки времени жизни сажевого аэрозоля в атмосфере имеющимся теоретическим данным.

Апробация работы

Основные результаты настоящей докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции по дальнему переносу примесей в - атмосфере (Вильнюс, 1986 г.), Международной конференции по сажевому аэрозолю и*Ме;эдунЕроднсй конференции по' субмикронному аэрозолю (Вена, Австрия, 1991 и 1992 гг., состветственно), Европейской аэрозольной конференции (Карлсруэ, Германия, ¿991 г.). Международном симпозиуме по химии атмосферы Арктики (Копенгаген, Дания, 1992 г.), Международной конференции по химии атмосферы (Зйлат, Израиль, 1993 г.), Международном симпозиуме по аэрозольным примесям в атмосфере Арктики (Рейкьявик, Исландия, 1993 г.), семинарах Отдела контроля атмосферы оптически® методами ИФА РАН.

По теме диссертации опубликовано 8 статей и сделано 14 докладов на Всесоюзных и Международных конференциях.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы (115 наименований). Она содержит 136 страниц-машинописного текста, включая б таблиц и 36 рисунков.

Содержание работы

Во введении сформулирована цель и задачи работы, описана структура диссертации, изложены ее основные результаты и указана их научная и шагегическая ценность.

В пеовой глазе приводится обзор публикаций, характеризующий современное состояние проблемы изучения аэрозольного загрязнения атмосферы Аркяки. Кратко описываются результаты исследований аэрозольной составляющей арктической дымки и рассматриваются основ- ■ ные ее характеристики, такие как сезонный ход, вертикальное и горизонтальное распределение, элементный состав. Приводятся основные данные о сажевом аэрозоле в атмосфере западной Арктики. Обосновывается актуальность исследования атмосферного сажевого аэрозоля в российской Арктике.

Во второй главе содержится описание аппаратуры и методики отбора проб ааюсферного аэрозоля, а также аппаратуры и методики намерения кондептрашш сажевого аэрозоля в атмосфере- Обсуждается проблема влияния на результаты измерений местных источников загрязнения атмосферы в пунктах наблюдении и описывается процедура фильтрации результатов измерений для получения данных о фоновом аэрозоле. Описана аппаратура и методика проведения самолетных измерений и измерений с борта научно-исследовательского судна.

Измерения проводились в Северной Атлантике в 1990 году и в российской Арктике в 1985 - 19S2 гг. Исследования сажевого аэрозоля на острове Врангеля и мысе Барроу выполнялись согласно Российско-Американскому Межправительственному соглашению в области охраны окружающей среды.

Методика измерений концентрации сажевого аэрозоля заключалась в последовательности /а/ отбора проб атмосферного аэрозоля на фильтры из кварцевых волокон, /б/ анализа полученных проб оптическим методом и /в/ вычисления массовой концентрации сажевого аэрозоля в воздухе.

Используемый метод измерения концентрации.сягевого аэрозоля основан на том факте, что ослабление света фильтре^ с аэрозолем пропорционально поверхностной концентрации сажевого аэрозоля на фильтре, причем при- использовании фильтра ив кварцевых волокон рассеяние света на аэрогольных частицах практически не изменяет пропускание света фильтром с аэрозолем [3]. Содержание различных элементен в пробах аэрозоля определялось методом нетроннс-гктивг-ционного анализа.

Третья глава посвящена результатам исследзвгний влияния дальнего перекоса на содержание аэрозоля з атмосфере Арктики и Северной Атлантики.

Концентрация сажевого аэрозоля над Северной Атлантикой летом - осезью 1950 г. менялась з широких пределах - приблизительно от 0.5 до 550 нг/м3 - и зависела от конкретной синоптической ситуации. Анализ обратных траекторий показал, что ма:сгмум концентрации в Грекландагом и Норзежском морях наблюдайся при переносе аэрозоля со стороны Великобритании, а минкмум - при переносе со стороны Гренландии. Средние значения концентрация сажевого азро-

золя для этих двух предельных ситуаций были равны, соответственно, 143 и 5 нг/м3. Более распространенными были ситуации, когда перенос аэрозоля происходил с юго-запада, со стороны Северной Америки. Среднее значение концентрации для таких траектории равнялось 24 нг/м3.

В большинстве случаев весной 1990 г. концентрация сажевого аэрозоля над Северной Землей была мала и изменялась от 10 до 120 нг/м3. Лишь в одном случае концентрация сажи достигла примерно 500 нг/м3, что было обусловлено сильным переносом воздушных масс со стороны Урала. При наличии юго-западного перекоса в объемном распределении частиц по размерам доминировала мода мелкодисперсной фракции аэрозоля, в то время как западный перенос характеризовался наличием в распределении по размерам более выраженной моды крупкодисп&рсной фракции: * ■

Элементный состав аэрозоля весной 1985 г. над о. Врангеля и Северной Землей такке зависел от синоптической ситуации: концентрация элементов, связанных с террогенкым и антропогенным аэрозолем уменьшалась при сиене континентальной воздушной массы воздушной массой из Тихого океана. По данным элементного анализа и синоптическим данным определены наиболее вероятные за период наблюдений регионы-источники и траектории переноса аэрозоля в Арктику.

В четвертой главе приводятся результаты исследования временных вариаций массовой концентрации сажевого аэрозоля в атмосфере российской Арктика. Оба содержит экспериментальные данные о концентрации сажевого аэрозоля в приземном слое атмосферы над островом Врангеля, островом Четырехстолбовым и мысом Барроу для 1989 -1992 гг.

Концентрация сажевого аэрозоля в приземном слое атмосферы

над островами Врангеля и Четырехстолбовьм за период наблюдений изменялась приблизительно от 10 до 500 нг/м3. Она была максимальна зимой - весной и минимальна -' летом. Исключение составил лишь один случай, когда вследствие лесных пожаров в июле 1991 года в Якутии, концентрация сажевого аэрозоля над островом Четырехстолбовьм была на два порядка выше фонового значения и равнялась приблизительно 1600 нг/м3. Соответствующее среднемесячное значение было около 650 нг/м3. Среднемесячные значения концентрации сажевого аэрозоля в атмосфере над островами Врангеля, Четырехс-толбовым и мысом Барроу на Аляске хорошо коррелировали между собой (коэффициент корреляции равнялся 0.78 - 0.85). Данные о сезонном ходе и диапазон значений концентрации сажевого аэрозоля в российской Арктике согласуются с аналогичными данными для зарубежной Арктики других авторов Ш. Обсуждаются возможные причины полученных сезонных вариаций концентрации.сажевого, аэроаоля. 1 .

В ситуациях, когда воздушная масса перемещалась от мыса Барроу к острову Врангеля, концентрация сажевого аэрозоля над о. Врангеля в среднем была на 12% меньше, чем над мысом Барроу. В предположении постоянства скорости осаждения сажевого аэрозоля и отсутствия вертикальной составляющей скорости ветра была получена оценка времени жизни сажевого аэрозоля в атмосфере, равная девяти дням. Это значение согласуется с теоретическими данными, опубликованными ранее другими авторами [5].

В пятой . главе приводятся результаты исследований пространственных вариаций массовой концентрации сажевого аэрозоля в атмосфере российской Арктики.

При реализации программы самолетных измерений в районе о. Беннетта весной 1992 года были получены различные типы вертикаль-

ных профилей температуры, массовой концентрации сажи и счетной концентрации ядер конденсации. В большинстве случаев концентрация сажевого ззрозоля в арктической атмосфере была высока и изменялась от 10 до 1500 нг/м3, причем как правило максимум концентрации находился не вблизи поверхности, а на высотах 0,5 - 3 км. Среднее значение концентрации сажевого аэрозоля порядка 300 нг/м3 было характерно для тропосферы от уровня моря до высоты 3 - 4 км.

Полученные результаты систематических измерений концентрации сажевого аэрозоля на о. Врангеля, о. Четырехстолбовом и м. Барроу сравниваются между собой, исследуется горизонтальное распределение сажевого аэрозоля в Арктике, обсуждаются вероятные регионы-источники и траектории его переноса в районы наблюдений. Горизонтальное распределение сажевого аэрозоля над восточной частью российской - Арктики и Аляской в период существования арктической дымки характеризовалось в целом более низкими концентрациями са-ш в есстсчных-пунктах наблюдений по сравнению с западными.

Шестая глава содержит резулгтгты исследования пространственной и временной изменчивости концентрации сульфатного аэрозоля в приземном слое воздуха над Аляской. Измерения на Аляске проводились в течение 7 лет Службой контроля атмосферного воздуха национальных парков США. Автором был выполнен анализ этих результатов измерений.

Среднемесячные значения концентрации изменялись приблизительно от 200 до 2ООО нг/м3 на северо-западе Аляски и - от ICO до 1500 кг/м3 на юго-востоке. Как правило среднемесячные значения концентрации^сульфатного ' аэрозоля в атмосфере 'Над различными пунктами наблюдений хорошо коррелировали между собой (среднее значение коэффициента корреляции равнялось 0.63), однако годовой

ход концентрации сульфатного аэрозоля с максимумом в зимний - весенний период и минимумом - в летний сезон был более выражен на северо-западе Аляски.

В период существования арктической дымки среднемесячные значения концентрации сульфатного аэрозоля на северо-западе Аляски бшш в 1,5 - 3 раза выше, чем на юго-востоке. Полученные результаты сравниваются с данными для российской Арктики, обсуждаются закономерности пространственной и временной изменчивости характеристик фонового арктического аэрозоля и возможные причины этих закономерностей.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана аппаратура и методика измерения концентрации сажевого аэрозоля в воздухе. Проведена апробация этой методики в Арктике. ^

3. Впервые -получены экспериментальные данные о концентрации сажевого аэрозоля и об элементном составе атмосферного аэрозоля в российской Арктике. В частности установлено, что концентрация сажевого аэрозоля менялась от 10 до 1600 нг/м3 в зависимости от времени года, района и синоптической ситуации.

4. Исследовано влияние дальнего переноса на характеристики аэрозоля в Арктике по наблюдениям в Северной Атлантике (лето -осень 1990 г.), на Северной Земле (весенние сезоны 1985 и 1990 'гг.) и о. Врангеля'(весна 1985 г.).

Концентрация сажи над Северной Атлантикой изменялась от 0.5 до 550 нг/м3. Максимум концентрации наблюдался при переносе аэрозоля со стороны Великобритании, а минимум - со стороны Гренландии. Концентрация сачи над Северной Землей как правило составляла 10 - 120 нг/м3. В одном случае, когда наблюдался перенос воздушных масс со стороны Урала, она достигла 500 нг/м3. При юго-западном переносе доминировала мода мелкодисперсной фракции аэрозоля, в то время как при западном переносе бьша белее выражена мода крупнодисперсной фракции. Элементный состав аэрозоля на о. Врангеля и Северной Земле зависел от синоптической ситуации: концентрация антропогенного аэрозоля уменьшалась при поступлении воздушной массы из Тихого океана. На основе данных об элементном составе были выявлены вероятные регионы-источники аэрозоля. •

5. Исследована временная изменчивость концентрации сажевого аэрозоля в российской Арктике. В приземном слое концентрация изменялась приблизительно от 10 до 500 нг/м3, достигая максимума зимой - весной и минимума - летом. Летом 1991 г., вследствие лесных пожаров в Якутии, над островом Четырехстолбовым наблюдаюсь аномально высокие значения концентрации сажи порядка 1600 нг/м3.. Коэффициент корреляции для среднемесячных значений концентрации, сажи в различных пунктах паблюдений, находящихся в сотнях километров друг от друга, был равен 0.78 - 0.86.

6. Впервые получена экспериментальная оценка времени жизни сааи в атмосфере Арктики, которая составляла примерно 10 дней.

7. Исследована пространственная изменчивость концентрации сажевого аэрозоля в российской Арктике. В весенний сезон" над Восточно-Сибирским'морем отмечены существенные вариации вертикальных профилей температуры и характеристик аэрозоля. Весной среднее значение концентрации сажи в слое тропосферы от уровня моря до высоты 3 - 4 км было, как правило, около 300 нг/м3, причем максимум порядка 1500 нг/м3 наблюдался не вблизи поверхности, а на высотах 0,5 - 3 км. Горизонтальное распределение сажевого аэрозоля над восточной частью российской Арктики и Аляской в период существования арктической дымки характеризовалось в целом более высокими концентрациями сажи в западных пунктах наблюдении по сравнению с восточными.

ЛИТЕРАТУРА

1. Clarke A.D. Noone K.J. Soot in the Arctic snowpack: a cause for perturbations in radiative transfer // Atmos. Environ. 1985. V. 19. N. 12. P. 2045-2063.

2. Виноградова А.А. Арктический аэрозоль: загрязнения, микроструктура и оптические свойства (обзор) // Препринт ИФА РАН, Москва 1992.

3. Rosen Н.. Novakov Т. Optical transmission through aerosol deposits on diffusely reflective filters a method for measuring the absorbing- component of aerosol particles // Appl. Opt. 1983. V. 22. P. 1265-1267.

4. Rosen H., Novakov Т., Bodhai'ne B.A. Soot in the Arctic // At- mos. Environ. 1981. Y. 15,- N. 8. P. 1371rl374.

5. Ogren J.A., Charlson R.J. Elemental carbon in the atmosphere:

• cycle and lifetime // Tellus. 1983. V. B35. N. 2. P. 241-254. •

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Виноградова А.А., Малков И.П., Назаров Б.И., Пирогов С.М., По-

лиссар А.В., Шукурова Л.М. Некоторые результаты исследования

(

состава приземного аэрозоля арктических районов // Изв. АН СССР, ФАО. 1987. Т.23, N. 5. С. 519 - 524. 2.. Виноградова А.А.,. Малков И.П., Назаров Б.И., Полиссар А.В. Об определении путей переноса антропогенного аэрозоля з северные районы // Изв. АН СССР, ФАО. 1988. Т. 24. N. 7. С. 680-686.

3. Хэнсен А.Д.А.. Капустин В.Н., Полиссар А.В. Результаты измерении концентрации углеродсодержащего аэрозоля в атмосферё Восточной Арктики // Изв. АН СССР, ФАО. 1991. Т. 27. N. 6. С. 614-620.

4. Полиссар А.В. Концентрация углеродсодержащего аэрозоля в приземном слое воздуха в северной Атлантике // Изв. РАН, ФАО. 1992. Г. 28. N. 7. С. 689-695.

5. Полиссар А.В. Измерения массовой концентрации сажи и дисперсного состава атмосферного аэрозоля в восточной Арктике // Изв. РАН, ФАО. 1993. Т. 29. N. 1. С. 73-80.

6. Hansen A.D.A., A.V. Polissar and R.C. Schnell. Aerosol measurements over the East Siberian Sea // Proceedings cf.. the 5th International Symposium on Arctic Air Chemistry, Copenhagen, Denmark, Sept. 8-il, 1992.

7. Виноградова А.А., Малков И:П., Полиссар А.З., Храмов Н.Н. Элементный состав приземного атмосферного аэрозоля Арктических районов России // Изв. РАН, ФАО. 1993. Т. 29. N. 2. С. 164-172.

8. Vinogradova А.А., Malkov I.P., Polissar A.V. Investigation of the Arctic aerosol pollution // SPIE. Optical Monitoring of the Environment. 1993. V. 2107. P. 203 - 211.