ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2014, том 50, № 6, с. 663-674
УДК 551.510.5
ОЦЕНКА БИОГЕННЫХ ЭМИССИЙ CH4, CO2 И СУХОГО ОСАЖДЕНИЯ O3 ПО ИЗМЕРЕНИЯМ 222Rn В ЭКСПЕДИЦИЯХ TROICA
© 2014 г. Е. В. Березина, Н. Ф. Еланский, К. Б. Моисеенко, А. Н. Сафронов, А. И. Скороход,
О. В. Лаврова, И. Б. Беликов, Р. А. Шумский
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017Москва, Пыжевский пер., 3
E-mail: e_berezina_83@mail.ru Поступила в редакцию 13.02.2014 г.
На основе одновременных измерений приземных концентраций CH4, CO2, O3 и 222Rn в ходе шести экспедиций TROICA (Transcontinental Observations Into the Chemistry of the Atmosphere) вдоль Транссибирской железнодорожной магистрали от Москвы до Владивостока в 1999—2008 гг. проведены оценки биогенных эмиссий CH4 и CO2 из наземных экосистем и ночного стока O3 на подстилающую поверхность по данным о скорости накопления 222Rn в условиях приземной инверсии температуры. Наиболее высокие региональные эмиссии CH4 получены летом на Дальнем Востоке (0.87 ± 0.52 мкг м-2 с-1) и в Западной Сибири (0.77 ± 0.41 мкг м-2 с-1), что связано со значительными потоками метана из болот и увлажненных почв, типичных для данных регионов. Биогенные эмиссии CO2 в среднем варьируют от 0.18 ± 0.04 мкг м-2 с-1 в Западной Сибири до 0.89 ± 0.07 мкг м-2 с-1 в Восточной Сибири. Ночной сток O3 имеет сезонный максимум летом и изменяется от 0.05 ± 0.01 мкг м-2 с-1 в Западной Сибири до 0.07 ± 0.01 мкг м-2 с-1 в Центральной Сибири; скорость сухого осаждения O3 варьирует от 0.10 ± 0.08 с мс-1 в Западной Сибири до 0.33 ± 0.21 см с-1 в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке.
Ключевые слова: биогенные эмиссии СН4, С02, сухое осаждение 03, турбулентное перемешивание, приземный слой, поток 222Ии.
DOI: 10.7868/S0002351514060054
ВВЕДЕНИЕ
Большую роль в химии атмосферы и глобальных климатических процессах играют парниковые газы: углекислый газ (С02), метан (СН4) и озон (03). Оценка их баланса в атмосфере важна не только для понимания процессов взаимодействия атмосферы с экосистемами, но и для калибровки и верификации климатических и транс-портно-химических атмосферных моделей [1], в связи с чем необходимы надежные данные о пространственных и временных вариациях потоков С02, СН4 и 03 в атмосферу. Трудности получения таких данных связаны с необходимостью проведения достаточно сложных и дорогостоящих измерений, надежность получаемых при этом итоговых оценок сильно зависит от полноты учета факторов, определяющих условия турбулентного перемешивания в атмосферном приземном слое. Еще большую проблему представляет обобщение одиночных измерений в масштабах отдельных регионов и экосистем в целом, поскольку величины потоков обнаруживают сильную зависимость от
конкретных свойств приповерхностного слоя почвы и метеорологических условий [2—4].
Биогенные эмиссии С02 — это его эмиссии в атмосферу из почвы в процессе жизнедеятельности почвенных микроорганизмов и животных, наземных частей растений и корневой системы, а также при разложении органического вещества микроорганизмами и в результате химических реакций неорганических веществ [5]. Биогенные эмиссии СН4 в основном связаны с его выделением из болот и увлажненных почв, где он образуется при разложении органического вещества анаэробными микроорганизмами [6].
Существуют различные методики определения потоков парниковых газов по данным прямых измерений их приземных концентраций. Широкое распространение получили камерный метод, основанный на изоляции обмена с атмосферой пробной площадки и регистрации изменений концентрации исследуемого газа в камере [7—9] и метод турбулентной ковариации [10, 11]. Сухое осаждение 03 получают также градиентным методом (по измерениям вертикальных про-
Таблица 1. Периоды и маршруты экспедиций TROICA, данные которых использованы в настоящей работе
Эксперимент Время года Период Маршрут
TROICA-5 Лето 26.06.1999-02.07.1999 03.07.1999-13.07.1999 Н. Новгород — Хабаровск Хабаровск—Москва
TROICA-7 Лето 27.06.2001-03.07.2001 04.07.2001-10.07.2001 Москва—Хабаровск Хабаровск—Москва
TROICA-8 Весна 19.03.2004-25.03.2004 26.03.2004-01.04.2004 Н. Новгород—Хабаровск Хабаровск—Москва
TROICA-9 Осень 04.10.2005-10.10.2005 11.10.2005-18.10.2005 Москва—Владивосток Владивосток—Москва
TROICA-11 Лето 22.07.2007-29.07.2007 30.07.2007-05.08.2007 Москва—Владивосток Владивосток—Москва
TROICA-12 Лето 21.07.2008-28.07.2008 29.07.2008-04.08.2008 Москва—Владивосток Владивосток—Москва
филей концентрации озона и метеорологических параметров [12—14]).
В России биогенные эмиссии CH4 измерялись над болотами и увлажненными почвами Западной Сибири [15—17], над тундрой на севере Центральной Сибири [18, 19]. Измерения биогенных эмиссий CO2 проводились в экосистемах лиственничных [20, 21] и сосновых лесов [22] Западной и Центральной Сибири, в степных экосистемах Южного Забайкалья [23]. Измерения и моделирование сухого осаждения O3 проводились в Европе и США [10, 24—26], в том числе ночью [27—29], а также над территорией России [30—32]. В целом, однако, измерения потоков метана и углекислого газа, а также стока озона на территории России носят эпизодический характер, что сильно затрудняет регионализацию получаемых на их основе оценок.
Альтернативным методом оценки эмиссий парниковых газов, получившим широкое распространение в Европе и США, стало использование радиоактивного газа радона (222Rn) (radon-calibrated flux technique, далее — радоновый метод) [33—37]. Радоновый метод заключается в сравнении одновременно измеряемых концентраций двух газов: газа-трассера (222Rn) с известными источниками и стоками, и газа, поток которого требуется определить. Радон химически инертен, его единственный природный источник в атмосфере — почва, единственный сток — радиоактивный распад (время полураспада ~3.8 сут). Данные свойства делают 222Rn особенно удобным атмосферным трассером, когда требуется выделить вклад локальных источников эмиссий (в рассматриваемом случае — биогенных эмиссий CH4, CO2 и сухого осаждения О3) на фоне регионального и дальне-
го переноса. Зная поток 222Rn из почвы, можно оценить потоки исследуемых газов, выделив коррелированную с радоном составляющую по результатам одновременного измерения их приземных концентраций [33—37].
В данной работе представлены количественные оценки биогенных эмиссий CH4, CO2 и стока O3 радоновым методом по данным измерений газового состава, вертикального профиля температуры и рассчитанных ранее потоков радона [38] в шести экспедициях TROICA (TRanscontinental Observations Into the Chemistry of the Atmosphere) по маршруту Москва—Владивосток—Москва в 1999—2008 гг. (табл. 1). Используемый подход позволяет впервые выполнить количественные оценки региональных потоков CH4 и CO2 из наземных экосистем, а также стока O3 в Северной Евразии. Полученные результаты могут быть полезными для верификации региональных транспортно-хи-мических моделей в части учета обменных процессов на границе атмосфера — подстилающая поверхность, а также для уточнения роли данных процессов в региональном балансе O3 и парниковых газов.
2. ДАННЫЕ И МЕТОДОЛОГИЯ
2.1. Измерения газов. Одновременные измерения приземных концентраций 222Яп, СН4, С02, 03, СО, N0 и профилей температуры с передвижной лаборатории осуществлялись с помощью автоматизированного приборного комплекса в непрерывном режиме с высоким временным разрешением (10 мин для 222Яп и 10 с для остальных газов). Вагон—лаборатория располагался непосредственно за электровозом, что позволило ис-
ключить влияние следующего за ним поездного состава [39, 40].
Приземная концентрация 222Rn измерялась анализатором LLRDM (Low Level Radon Daughters Measurement), Tracer Lab (Германия), принцип действия которого основан на измерении концентраций дочерних продуктов распада 222Rn (218Po, ty2 (время полураспада) = 3.05 мин; 214Pb, tl/2 = 26.8 мин; 214Bi, t1/2 = 19.7 мин), осевших на оптоволоконный фильтр прибора в составе аэрозольных частиц. Подробное описание метода представлено в [38]. Диапазон измеряемых концентраций 222Rn составляет 0.03-100 Бк м-3, погрешность измерения - 15%. Для измерений концентрации CH4 использовался газоанализатор типа APHA-360 (HORIBA, Япония). Диапазон измерений 0.05-50 ppm, время одного измерения -10 с, погрешность измерений не более 0.01 ppm. Концентрация CO2 измерялась газоанализатором LI6262 (LI-COR, США) по ослаблению ИК-излу-чения в кювете с анализируемым воздухом. Диапазон измерений от ~0.2 до 3000 ppm, погрешность - 0.2 ppm. Концентрация O3 измерялась газоанализатором DASIBI-1008-RS по ослаблению УФ-излучения (длина волны 253 нм) в кювете с анализируемым воздухом. Диапазон измерений 1-1000 ppbv, погрешность ~1 ppbv.
Для исключения данных, полученных в условиях антропогенного загрязнения (см. раздел "Методология") использовались результаты измерений приземных концентраций NO и СO. Концентрация NO определялась приборами AC30M (Environmental SA, Франция) в экспедиции TROICA-5 (диапазон измерений 1-1000 ppb), TE42C-TL (Thermo ELectron Inc., США) в экспедициях TROICA-7, -8 и -9 (диапазон измерений 0.05-200 ppb) и M200AU (Teledyne API, США) в экспедициях TROICA-11 и -12 (диапазон измерений 0.052000 ppb). Принцип действия всех приборов основан на измерении интенсивности хемилюми-несцентного излучения, возникающего при реакции NO и O3. Для всех приборов погрешность измерения составляет ~1%. Для измерения концентрации CO применялся газоанализатор TE48S (Thermo Envirinmental Instruments Inc., США) c диапазоном измерений 10-1000 ppm и погрешностью - 10 ppm.
2.2. Вертикальный профиль температуры измерялся прибором МТП-5, (ATTEX, Россия) от уровня крыши вагона (около 4 метров), где был установлен прибор, до высоты 600 м над землей. Вертикальное разрешение получаемых профилей составляет 50 метров, разрешение по времени - 5 мин, погрешность измерений 0.2°-0.5°C.
Более подробное описание измерительного комплекса, средств и методов его калибровки, наблюдаемых примесей, радиационных и метеоро-
логических параметров представлено в [41]. Результаты анализа данных наблюдений в экспедициях TROICA, включая
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.