научная статья по теме МНОГОЛЕТНИЙ ТРЕНД КОНЦЕНТРАЦИИ СО2 В ПРИЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЕ НАД ЦЕНТРАЛЬНОЙ СИБИРЬЮ Геофизика

Текст научной статьи на тему «МНОГОЛЕТНИЙ ТРЕНД КОНЦЕНТРАЦИИ СО2 В ПРИЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЕ НАД ЦЕНТРАЛЬНОЙ СИБИРЬЮ»

УДК 551.510.41:542.74(571./1/.5)

Многолетний тренд концентрации С02 в приземной атмосфере над Центральной Сибирью

А. В. Тимохина*, А. С. Прокушкин*, А. А. Онучин*, А. В. Панов*, Г. Б. Кофман*, С. В. Верховец**, М. Хайманн***

Рассматриваются ежегодное увеличение и долговременный линейный тренд содержания диоксида углерода в приземном слое атмосферы с января 2006 г. по декабрь 2013 г. над центральной частью Сибирского региона. Представленные результаты получены в ходе уникального высокоточного инструментального мониторинга концентрации С02 на высотной мачте обсерватории 20ТТ0 (www.zottoproject.org).

Ключевые слова: диоксид углерода, обсерватория 20ТТ0, Центральная Сибирь, линейный тренд СО2.

Введение

Содержание диоксида углерода (СО2) в приземном слое атмосферы за период с начала прямых инструментальных измерений, начатых Ч. Д. Киллингом на станции Мауна-Лоа [7, 9], увеличилось на 25%. Изменения концентрации СО2, фиксируемые на этой станции, используются в качестве интегрального и частично эталонного показателя [6, 7].

В научном сообществе не существует однозначного мнения о причине наблюдаемого увеличения концентрации СО2: связан ли этот процесс с естественными многолетними колебаниями или с объемом поступления СО2 от антропогенных источников, составляющим до 9,5 Пг С/год [12]? Надежные оценки требуют верификации математических расчетов прямыми инструментальными измерениями, в частности, концентрации СО2 в приземном слое атмосферы. В Российской Федерации государственная система мониторинга за содержанием СО2 включает три станции [1],а научные исследования охватывают небольшие по площади территории [4]. Поэтому значительная часть территории страны остается малоизученной с точки зрения пространственного и временного изменения содержания СО2 в при зем ном слое ат мос фе ры [1].

* Институт леса им. В. Н. Сукачева Сибирского отделения Российской академии наук; e-mail: nastimoti@mail.ru.

** Сибирский федеральный университет.

*** Институт биогеохимии им. Макса Планка, Иена, Германия.

Круглогодичные непрерывные наблюдения за концентрацией CO2 проводятся на международной обсерватории ZOTTO с использованием высотной мачты (302 м) в течение 8 лет. Данный подход к мониторингу содержания С02 в атмосфере позволяет изучить относительно однородную часть пограничного слоя атмосферы и получить интегральную оценку исследуемых компонентов над значительной территорией (>1000 км2) [8]. Основываясь на данных многолетних исследований, представляет интерес оценить межгодовые флуктуации и временной тренд концентрации С02 в приземном слое атмосферы над Центральной Сибирью за период с декабря 2005 г. по декабрь 2013 г.

Материалы и методы исследования

Обсерватория ZOTTO расположена на левом берегу р. Енисей в 20 км западнее п. Зотино Красноярского края (60° с. ш., 90° в. д., 114 м над уровнем моря). Тип климата — континентальный с суровой снежной зимой и умеренно теплым влажным летом. По данным метеостанции Бор, находящейся в 100 км севернее обсерватории ZOTTO, среднегодовая температура воздуха равна -3,7°С, средняя температура января -24,2°С, июля 17,8°С, годовое количество осадков составляет 536 мм. Район исследований, согласно лесорастительному районированию, относится к Сымско-Дубческому округу среднетаежных лесов [4]. Значительная заболоченность территории (около 60%) обусловлена геоморфологией, литологией и климатом округа. В результате комплексных инвентаризационных исследований леса, проведенных в радиусе 100 км вокруг высотной мачты, установлено, что здесь преобладают ельники и пихтачи зеленомошные (46,0%), березняки и осинники (12,3%), болотные экосистемы (10,5%). Дополнительную мозаичность в биогеоценотический покров территории вносят сосняки зеленомошные (8,3%), сосняки лишайниковые (7,6%) и кедрачи зеленомошные (1,8%). На вырубки и гари приходится соответственно 2,6 и 5,1% территории [3]. 0сновной фон в структуре почвенного покрова составляют подзолы. Вечная мерзлота в почвенных разрезах не обнаружена. Из-за достаточной удаленности этого региона от крупных промышленных центров влияние антропогенных факторов сравнительно невелико, однако значительная часть территории подвержена периодическому влиянию природных пожаров [5].

Концентрацию С02 в атмосфере измеряли с декабря 2005 г. по апрель 2007 г. газовым анализатором NDIR CO2 Analyzer ("Siemens AG", Ultramat 6F), а с мая 2009 г. по настоящее время — газоаналитическим комплексом EnviroSense 3000i ("Picarro, Inc.", США). Погрешность измерений концентрации диоксида углерода для используемых измерительных систем не превышала 0,1 млн-1 [11, 14]. Пробы воздуха отбирали с мачты на высоте 4, 52, 92, 156, 227 и 301 м и по трубоп ро водам направля ли в сфе ри чес кие стальные емкости объемом 8 л, которые служили буферами для каждой отдельной линии. Затем пробы воздуха анализировали в газоанализаторе. В результате лабораторных экспериментов установлено [14], что идеальное перемешивание воздуха достигается в буферах сферической формы. Система накапливает пробы воздуха, поступающие с каждой измерительной высоты, примерно за 37 мин (8 л/150 см3 в минуту при давлении 700 гПа).

Это позволяет сглаживать временное запаздывание между двумя последовательными измерениями и отображать концентрацию С02 в пробах воздуха, взятых на разной высоте мачты, одновременно.

Параллельно с измерениями концентрации С02 дважды в неделю на высоте 301 м отбирали пробы воздуха и одновременно заполняли три стеклянные емкости (объемом 1 л). В дальнейшем методом масс-спектро-метрии для изотопного анализа определяли в них содержание основных парниковых газов. Стеклянные емкости заполняли в течение 15 мин со скоростью 2 л/мин под давлением 900 гПа. Поступающий воздух осушался при прохождении через систему, состоящую из двух холодильников. В первом холодильнике воздух охлаждался до 6°С, а во втором — до -92°С. Излишняя влага осаждалась на стеклянных шариках, предварительно установленных в ловушке Чилера. Перед каждым отбором проб воздуха систему трубопроводов в течение 40 мин продували компрессором со скоростью 2 л/мин. Подробно схема действия экспериментальных установок была описана ранее [9, 10]. В настоящей статье данные, полученные при анализе проб воздуха в стеклянных емкостях, приведены для периода с октября 2006 г. по декабрь 2010 г.

Результаты регрессионного анализа, проведенного между параллельными измерениями концентрации С02 (рис. 1) в квазинепрерывном режиме и в стеклянных емкостях, показали, что разность между значениями концентрации составляет менее 3%. Это позволяет использовать весь массив на-коп лен ных дан ных (полу чен ных раз ны ми ме тода ми) для оцен ки ли ней но го тренда увеличения содержания С02 с декабря 2005 г. по декабрь 2013 г.

На основе среднесуточных значений концентрации С02, измеренных с 12 до 16 ч по местному солнечному времени (период, когда наблюдается интенсивное перемешивание воздуха в приземном слое атмосферы и вертикальный градиент концентрации С02 близок к 0 [8, 14]), рассчитывали среднемесячные значения концентрации С02. Далее по полученным данным определяли годовое изменение содержания диоксида углерода в приземном слое атмосферы с помощью метода, применяемого для оценки глобального увеличения концентрации С02 [6]. Поэтому годовое увеличение

млн 1

2006 2008 2010 2012 2014

Рис. 1. Среднесуточные значения концентрации С02 по данным измерений в квазинепрерывном режиме и в стеклянных емкостях в пробах воздуха в районе обсерватории ZOTTO для всего периода измерений (ноябрь 2005 г. — октябрь 2013 г.).

Красные кружки — измерения, проведенные газовым анализатором NDIR CO2 Analyzer; зеленые — газоаналитическим комплексом EnviroSense 3000i; черные крестики — в стеклянных емкостях. Заштрихованные области — периоды параллельных измерений концентрации С02.

млн

405 -

385 -

365

2008

2006

2010

2012

2014

Рис. 2. Динамика концентрации С02 в приземном слое атмосферы в районе обсерватории ZOTTO.

Черные кружки — измеренные среднемесячные значения концентрации С02 с ошибкой среднего; звездочки — расчетные среднемесячные значения (по формуле (1), см. ниже); красная кривая — сглаженный сезонный ход (по формуле (1)); черная пунктирная прямая — линейный тренд (с января 2006 г. по декабрь 2013 г.); розовые кружки — сезонно скорректированные среднемесячные значения концентрации С02.

содержания С02 в приземном слое атмосферы в районе обсерватории ZOTTO вычисляли по разности сезонно скорректированной средней концентрации С02, рассчитанной с сентября по декабрь, между двумя последовательными годами (рис. 2).

Анализ показал, что ежегодное изменение содержания диоксида углерода в приземном слое атмосферы в районе обсерватории ZOTTO за исследуемый период составляло от -0,66 до 4,33 млн'1/год (таблица), при этом обнаружена слабая корреляция этих значений с соответствующими величинами, полученными на станции Мауна-Лоа (г = 0,33, р = 0,46). 0сновной причиной является высокая чувствительность атмосферно-эко-системного газообмена внутриконтинентальных наземных биогеоценозов к региональным условиям погоды и лесным пожарам, что приводит к значительным флуктуациям содержания С02 в приземном слое атмосферы. Так, 2009 г. характеризовался уменьшением концентрации диоксида углерода в приземном слое атмосферы, что определялось высокой поглотительной способностью наземных экосистем (-4,6 Пг С [14]) в течение более теплого и влажного вегетационного сезона 2009 г. В следующем 2010 г., наоборот, отмечалось резкое увеличение содержания С02 в приземном слое атмосферы, обусловленное не только сокращением аккумуляции углерода при неблагоприятных условиях погоды вегетационного периода на территории Сибири в этот год, но и поступлением в Западно-Сибирский регион из охваченной лесными пожарами европейской территории России воздушных масс, содержащих продукты горения [2]. Максимальные отрицательные и положительные значения изменения концентрации С02 были зарегистрированы последовательно в 2012 и 2013 гг. (таблица). Это явилось следствием повышенного содержания С02 в приземном слое атмосферы в районе о

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.

Показать целиком