Лёд и Снег • 2013 • № 2 (122)
УДК 551.510.42
Исследования атмосферного аэрозоля в арктических районах России
© 2013 г. Л.П. Голобокова1, В.В. Полькин2, Д.М. Кабанов2, С.А. Терпугова2, Д.Г. Чернов2, Е.В. Чипанина1, Т.В. Ходжер1, О.Г. Нецветаева1, М.В. Панченко2, С.М. Сакерин2
1Лимнологический институт СО РАН, Иркутск; 2Институт оптики атмосферы имени В.Е. Зуева СО РАН, Томск
lg@lin.irk.ru
Статья принята к печати 24 января 2013 г.
Арктика, аэрозоли, воздушные массы, микрофизические характеристики, химический состав.
Aerosols, air mass, Arctic, chemical composition, microphysical characteristics.
Химический состав снега и льда Арктики в значительной мере определяется составом аэрозольных частиц. Проанализированы характеристики атмосферного аэрозоля в приземном слое населённых пунктов Арктики -посёлков Тикси (июнь, 2010 г.) и Баренцбург (апрель-май и июль-август 2011 г.). Приводятся результаты измерения счётной концентрации NA (для частиц, диаметром больше 0,3 мкм), спектральной аэрозольной оптической толщины атмосферы и химического состава водорастворимой фракции аэрозолей. Уровень концентрации аэрозоля Na в приземном слое атмосферы исследуемых пунктов невысокий и характеризуется следующими значениями: пос. Тикси - 1,80±4,5 см-3; пос. Баренцбург - весной 4,95±3,49 см-3, летом 3,66±3,13 см-3. При переходе от весеннего периода к летнему концентрации аэрозоля снижались в 1,2-1,4 раза. Результаты наблюдений за спектральной аэрозольной оптической толщиной атмосферы в исследуемые периоды позволяют считать, что прозрачность атмосферы в названных районах высокая. Средняя суммарная концентрация ионов в аэрозолях района Тикси (2,3±1,6 мкг-м-3) сопоставима с суммой ионов аэрозолей для Баренцбурга в весенний период (2,7±1,4 мкг-м-3). В водорастворимой фракции аэрозолей установлены концентрации ионов как морского (Na+, Cl-), так и континентального (NH4+, SO42-, NO3-) происхождения. На химический состав аэрозолей этих двух районов значительно влияют континентальные источники.
Введение
Аэрозоль в Арктике — естественная составляющая здешней атмосферы. Большую часть года поверхность северных широт Земли скована льдом и покрыта снегом. Практически весь аэрозоль, осаждающийся на поверхность Арктики, имеет антропогенное происхождение. Его источник — промышленные объекты умеренных широт. Попадая на снежный и ледяной покровы, он перераспределяется по всему пространству океана [18]. Таким образом, химический состав снега и льда в значительной мере определяется составом аэрозольных частиц. Изучение каналов обмена и перераспределения аэрозольного вещества в этих широтах — чрезвычайно важная проблема [4]. Пространственно-временная изменчивость параметров аэрозольных частиц приводного слоя северных широт изучалась на протяжении ряда лет [2, 3, 17]. Установлена сезонная изменчивость спектральной аэрозольной оптической толщины атмосферы: отмечалось её уменьшение от весны к осени [14, 23]. Относительно высокое содержание аэрозоля, кратно превышающее осенние значения, характерно для зимне-весеннего периода, что объясняется влиянием синоптических условий на формирование аэрозольной составляющей атмосферы, а также выносами аэрозоля из промышленно развитых и плотно заселённых районов Евразии [6]. На основании 25-летнего ряда данных о переносе воздушных
9 Лёд и Снег, № 2, 2013
масс в районах архипелагов Земля Франца Иосифа и Северная Земля показаны изменения циркуляции атмосферы, которые привели к увеличению доли морских воздушных масс над северными островами Евразии. Оценены 20-летний ряд концентраций в воздухе и потоков на поверхность тяжёлых металлов (РЬ, Сё, дб, 7и, N1, Сг, Си) и сажи [5]. Данные о микрофизических характеристиках аэрозолей над акваториями Белого и Карского морей показывают различный вклад моря и континента в формирование их химического состава [24].
Рост антропогенной нагрузки, а также пространственная и временная изменчивости характеристик аэрозоля приводят к необходимости получения новых данных о таких характеристиках, необходимых для прогностических расчётов. В данной работе рассматриваются результаты исследования химического состава растворимой фракции атмосферных аэрозолей в прибрежных районах арктического шельфа. Контроль за состоянием среды позволяет сделать прогностические оценки, необходимые для планирования мероприятий по предотвращению опасных экологических и климатических последствий в районах накопления или транзита загрязняющих веществ. Хороший пример деятельности в этом направлении — создание в рамках международного сотрудничества атмосферной обсерватории климатического монито-
ринга в пос. Тикси и Российского научного центра на архипелаге Шпицберген (РНЦШ) [10].
Описание районов и методов исследования
Летом 2010 г. и в весенне-летний период 2011 г. проведены три экспедиции и выполнены измерения аэрозольных характеристик воздуха в двух регионах Российской Арктики. Первый летний цикл аэрозольных измерений проведён в июне 2010 г. в 8 км от пос. Тикси (пос. Полярка, 71,6° с.ш., 128,8° в.д.), на берегу моря Лаптевых, на территории атмосферной обсерватории климатического мониторинга. Весенняя (19 апреля — 26 мая 2011 г.) и летняя (26 июля — 31 августа 2011 г.) аэрозольные экспедиции на архипелаге Шпицберген проведены в районе зональной гидрометеорологической обсерватории (ЗГМО) в пос. Баренцбург (78,1° с.ш., 14,2° в.д.). Цикл исследований выполнялся в рамках серии измерений в РНЦШ. Во время экспедиций измеряли интегральную (по всей атмосфере) характеристику т^ — аэрозольную оптическую толщину атмосферы, а в приземном слое атмосферы — счётную концентрацию частиц аэрозоля Na (см-3) (для частиц диаметром больше 0,3 мкм), а также массовую концентрацию аэрозоля МА (мкг-м-3) (рассчитывалась из NA по формуле объёмов частиц для плотности 1,5 г-см-3) и «сажи» (микрокристаллического углерода) МВС (мкг-м-3). Кроме того, проводился отбор проб аэрозоля на фильтры для последующего химического анализа.
Один из основных параметров, используемых для характеристики состояния атмосферы и оценки уровня её аэрозольного загрязнения, — спектральная аэрозольная оптическая толщина атмосферы [16], для анализа которой использовали портативный солнечный фотометр SPM. Она измерялась в 11 спектральных участках в общем диапазоне спектра X = 0,34^2,14 мкм. Измерение этого параметра для различных длин волн позволяет установить её спектральный ход и оценить селективность аэрозольного ослабления. По спектральному распределению атмосферы можно определить, какие фракции преобладают в аэрозоле: чем больше наклон кривой, тем больше мелких частиц содержится в аэрозоле. Счётная и массовая концентрации приземного аэрозоля измерялись с помощью автоматизированного мобильного аэрозольного комплекса (аэрозольной станции) [12], в состав которого входили фотоэлектрические счётчики частиц GRIMM 1.108, а также трёхволновый дифференциальный аэталометр МДА («сажемер») [8].
Пробы атмосферных аэрозолей отбирались на тефлоновые фильтры (PTFE) с диаметром пор 0,8 мкм [7]. Химический состав водорастворимой фракции аэрозолей анализировался на ионном хроматографе ICS-3000 (Dionex, США). Для определения катионов (Na+, K+, Mg2+, Ca2+) использовалась
колонка IonPacCS12A, 8 мкм (2 х 250 мм) [21]; для определения анионов (Cl-, NO3-, SO42-) - IonPac AS19 (2 х 250 мм) [22]. Стандартами служили образцы Six Cation-II Standart и Seven Anion Standart II (Dionex, США). Анализировались обратные трёхсуточные траектории переноса воздушных масс, полученные на основе модели NOAA HYSPLIT [19].
Результаты исследований
Исследования на территории атмосферной обсерватории климатического мониторинга в районе пос. Тикси. Работы вели на берегу моря Лаптевых с 4 по 21 июня 2010 г. Измерительная аппаратура находилась в здании метеостанции. Выходные отверстия воздухозаборников «сажемера» и аэрозольного счётчика располагались на высоте около 2 м над поверхностью земли на расстоянии 70-80 см от стены здания. За период измерений получено около 400 серий часовых измерений интегральных аэрозольных концентраций. Средние значения параметров для приземного аэрозоля за весь период измерений в районе Тикси составили: MBC ~ 0,026 мкг-м-3; Na ~ 1,79 см-3; рассчитанная МА = 0,16 мкг-м-3. Их можно считать фоновыми для данного района. Отметим, что в районе Тикси в исследуемый период отмечались сплошная облачность, высокие значения относительной влажности воздуха (среднее значение RH = 88%), туманы, частые атмосферные осадки в виде снега, дождя и мороси, низкие температуры воздуха (среднее значение Тв = +2,5 °С). 15 и 17 июня наблюдались максимальные скорости ветра - до 15 м/с. Приход воздушных масс со стороны континента 14-15 июня сопровождался повышением температуры воздуха до 15 °С. Туманы и осадки, особенно 9, 10, 17 и 20 июня, привели к резкому уменьшению общей концентрации частиц NA вследствие их вымывания и ухода из измерительного диапазона при конденсационном росте (рис. 1).
Исследование спектральной аэрозольной оптической толщины атмосферы вели с 8 по 20 июня. В остальные дни наблюдений отмечалась сплошная облачность. Низкие значения этого параметра сопровождались высокой селективностью его спектрального хода тй(Х). Так, в области X, равной около 0,5 мкм, общий диапазон изменчивости этой величины составил 0,029-0,156 при среднем значении То;5 = 0,088+0,034. Рассчитанный параметр Ангстрема а изменялся в диапазоне 1,32-2,31, а среднее значение а было равно 1,92+0,21. Указанные характеристики свидетельствуют о небольшом содержании аэрозольных частиц в атмосфере, особенно грубодисперсных (см. рис. 1). Общий массив измеренных данных можно разделить на две выборки, соответствующие условиям повышенного замутнения и высокой прозрачности атмосферы. Повышенные замутнения атмосферы наблюдались 10, 14, 15 и 19, 20 июня. Согласно рассчитанным
Рис. 1. Временной ход счётной концентрации частиц и характеристик аэрозольной оптической толщины атмосферы (пос. Тикси, июнь 2010 г.) Fig. 1. Time variation of number concentration particles, and the atmospheric aerosol optical depth (Tiksi, June 2010)
обра
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.