научная статья по теме ПРИСУТСТВИЕ ВУЛКАНИЧЕСКОГО ПЕПЛА НАД ТЕРРИТОРИЕЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВСЛЕДСТВИЕ ИЗВЕРЖЕНИЯ ВУЛКА НА В ИСЛАНДИИ 14 АПРЕЛЯ 2010 Г. ПО ДАННЫМ МОДЕЛЬНЫХ РАСЧЕТОВ И НАБЛЮДЕНИЙ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ПРИСУТСТВИЕ ВУЛКАНИЧЕСКОГО ПЕПЛА НАД ТЕРРИТОРИЕЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВСЛЕДСТВИЕ ИЗВЕРЖЕНИЯ ВУЛКА НА В ИСЛАНДИИ 14 АПРЕЛЯ 2010 Г. ПО ДАННЫМ МОДЕЛЬНЫХ РАСЧЕТОВ И НАБЛЮДЕНИЙ»

УДК 551.510.42:551.217<<2010.04.14>>(470+570)(491.1)

Присутствие вулканического пепла над территорией Российской Федерации вследствие извержения вулкана в Исландии 14 апреля 2010 г. по данным модельных расчетов и наблюдений

А. В. Ганьшин*, А. Н. Лукьянов*, В. У. Хаттатов*, И. А. Веселовский**, Н. Н. Волков**

Вследствие извержения вулкана в Исландии 14 апреля 2010 г. облако вулканического пепла распространилось над Европой включая Россию, что привело к прекращению воздушных сообщений на несколько дней. Представлены результаты расчетов распространения вулканического пепла, полученные с помощью лагранжевой дисперсионной модели ЕЬЕХРЛКТ, а также результаты лидарного зондирования в г. Троицк (Московская область). Полученные модельные и экспериментальные результаты качественно согласуются между собой и свидетельствуют о наличии оседающего слоя вулканического пепла на высоте 4—6 км, что подтверждается данными наблюдений в Европе. Наибольшую неопределенность в модельные расчеты вносит недостаточная информация об объеме выброса микронных частиц, переносимых ветром на большое расстояние. Сравнение результатов моделирования с данными наблюдений позволит скорректировать функцию источника и получить более реалистичные количественные оценки концентрации вулканического пепла, что является ключевым фактором при регулировании воздушных сообщений.

Введение

В конце марта 2010 г. началось извержение вулкана в Исландии, при этом максимальные по массе и высоте выбросы пепла отмечались 14 апреля 2010 г. Вследствие преобладающего западного переноса воздушные массы, содержащие пепел, распространились над территорией Европы и России, что привело к прекращению воздушного сообщения на несколько дней в целях безопасности. Обоснование оправданности таких мер выходит за рамки данной статьи, а цель этой работы — лишь обнаружение присутствия вулканической пыли и грубые оценки ее массовой концентрации. Кроме того, приводится качественное сравнение модельных и экспериментальных результатов.

* Центральная аэрологическая обсерватория; e-mail: alex@ganshin.ru.

** Центр физического приборостроения Института общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук.

Для расчета распространения облака вулканического иепла широко используются лагранжевы модели переноса. Те в свою очередь подразделяются на гауссовы модели факела и модели дисперсии частиц. Существуют лагранжевы модели, специально созданные для моделирования переноса вулканического пепла, например PUFF [7].

В данной работе была использована дисперсионная модель FLEXPART [10], поскольку авторы ее уже применяли для других исследований процессов переноса атмосферных примесей. Дисперсионные модели являются продолжением траекторных моделей, где вместо одной траектории фиксированной воздушной массы рассчитываются траектории множества частиц с учетом их турбулентного перемешивания и конвекции. На выходе дисперсионной модели вычисляется концентрация примеси в ячейках сетки, что приближает такую модель к сеточным эйлеровым моделям. Основным преимуществом лагранжевых моделей является отсутствие численной диффузии. Эти модели можно использовать как в прямом направлении по времени для моделирования переноса трассеров (в частности вулканического пепла) от источников, так и в обратном направлении для определения потенциального вклада источников в заданные рецепторы.

Для наблюдений за содержанием вулканического пепла в атмосфере использовались лидарные, баллонные, самолетные и спутниковые измерения. Лидарные измерения — одно из наиболее перспективных средств дистанционного мониторинга. Они характеризуются большой дальностью и высоким пространственным разрешением, что позволяет измерять основные метеорологические величины: температуру, влажность, скорость ветра, а также содержание аэрозоля. В работе использованы данные наблюдений в г. Троицк Московской области (55°28' с. ш., 37°18' в. д.), проводимых с помощью разработанного в Центре физического приборостроения Института общей физики (ЦФП ИОФ) РАН многоволнового раманов-ского лидара на основе NdYAG лазера с генератором третьей гармоники [1].

Модельные расчеты

Расчеты переноса вулканического пепла проводились с помощью дисперсионной модели FLEXPART с использованием как прогностических, так и архивных метеоданных. Первоначально данная модель была разработана для долгопериодного и мезомасштабного моделирования распространения загрязнений от точечных источников (например, аварии на АЭС). В настоящее время она представляет собой комплексный инструмент по моделированию и анализу атмосферного переноса. По сравнению с пер вой вер си ей на дан ный момент модель кроме чис то го пе ре но са позволяет учитывать такие процессы, как диффузия, связанная с турбулентностью и конвекцией, радиоактивный распад, а также сухое и влажное осаждение. Основную проблему составляла неопределенность в распределении по высоте и размеру частиц начальной массы выброса мелких частиц вулканического пепла, подверженных переносу на большие рас- стояния.

В качестве входных данных для модели FLEXPART были выбраны следу ю щие:

Координаты выброса — 63,63° с. ш., 19,62° з. д.

Высота выброса — 500—8000 м.

Начало выброса — 14 апреля 2010 г., 6 ч ВСВ.

Продолжительность расчета — 6 сут.

Выброс — пепел, 2000 кг/с.

Состав — кремний (плотность 2,33 г/см3).

Средний размер частиц (диаметр) — 1 мкм.

Метеоданные — КСБР.

Шаг модели по времени — 15 мин.

Число частиц — 200 000.

Для глобального моделирования была выбрана выходная сетка с шагом 1° по широте и долготе. Для расчета в точке г. Троицк была взята концентрация в ячейке 0,5 х 0,5°, в центре которой расположен город.

Концентрация в дисперсионной модели рассчитывается следующим образом: задается выброс частиц с определенной массой, при этом масса каждой частицы берется равной суммарной массе выброса, разделенной на число частиц. После чего на заданной сетке получается распределение частиц. С учетом информации о распределении частиц по пространству и о массе каждой из них рассчитывалась концентрация в каждой ячейке заданной выходной сетки.

Значения выброса были взяты из начальных данных модели 81ЬЛМ [8], которая для этих же целей использовала данные спутниковых наблюдений. В модели Б1ЬЛМ присутствует оптический блок, позволяющий пересчитать оптическую плотность аэрозоля, полученную по данным спутниковых приборов МОБК и ОМ1, в концентрацию частиц. Предполагалось равномерное распределение пепла в слое 500—8000 м над точкой выброса.

Результаты расчетов переноса вулканического пепла по модели РЬБХРЛЯТ показаны на рис. 1. Здесь представлена средняя концентрация частиц в слое 4—6 км.

60° з. д. 0 40 80° в. д. 60° з. д. 0 40 80° в. д

0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0,18 мг!мъ

Рис. 1. Содержание вулканического пепла в слое 4—6 км в6чВСВ 15 (а), 16 (б), 17 (в), 18 (г), 19 (д) и 20 апреля (е) 2010 г. по расчетам РЬБХРЛНТ.

Лидарные измерения и валидация моделей

Одним из перспективных способов определения вертикального распределения параметров атмосферного аэрозоля является многоволновое ли-дарное зондирование. Как было продемонстрировано в теоретических и экспериментальных исследованиях последнего десятилетия, использование рамановского лидара на основе Кё:1ЛО лазера с генератором третьей гармоники, измеряющего три сигнала упругого рассеяния на длинах волн 355, 532, 1064 нм и двух сигналов рамановского рассеяния азота (387, 608 нм), позволяет определять размер частиц, их концентрацию и комплексный показатель преломления [12]. Более того, данная методика может применяться и в случае несферических частиц. Как было показано в работе [11], использо ва ние моде ли слу чай но ори ен ти ро ван ных сфе ро и дов по зволя ет решать обратную задачу определения параметров пылевых частиц. Таким образом, данные многоволнового рамановского лидара могли бы дать информацию о физических параметрах частиц вулканического пепла на разной высоте.

Лидары активно применялись для мониторинга распространения частиц [2, 3] в процессе извержения вулкана, однако в опубликованных на настоящий момент измерениях использовались главным образом каналы упругого рассеяния либо рамановские измерения на одной длине волны, что ограничивает возможности метода. В многоволновом лидаре ЦФП ИОФ РАН на момент извержения функционировали также только каналы упру го го рас се я ния, по э тому пред став лен ные в дан ной ра боте результаты дают пред став ле ние о верти каль ном пе ре ме ще нии сло ев, но не по зволя ют проводить оценку микрофизических параметров частиц.

Основные параметры лидарной системы ЦФП ИОФ РАН следующие:

Энергия лазера в импульсе на 355, 532 и 1064 нм — соответственно 80, 120 и 200 мДж.

Частота повторения — 10 Гц.

Высотное разрешение — от 7,5 м.

Время измерения — от 1 мин.

Апертура телескопа — 400 мм.

Поле зрения телескопа — 0,25—0,5 мрад.

Ширина спектра пропускания каналов — 0,3—0,5 нм.

Мощность рассеянного излучения, принятая с высоты 2, определяется лидарным уравнением

л -21 а (2) д

Р(2) = С — Р(2)е 0 , 2

где С — параметр, не зависящий от расстояния; $(г), а(г) — коэффициенты обратного рассеяния и экстинкции аэрозоля соответственно. Поскольку ли-дарное уравнение содержит две неизвестных характеристики Р(г) и а(г), то для отображения результатов часто используют величину Р(2)22, т. е. мощность, скорректированную на квадрат расстояния. Соответствующая величина Р(2)! для 19 апреля 2010 г. представлена на рис. 2а в виде цветной карты. Измерения проводились на длине волны 1064 нм в период с15до 18 ч ВСВ в г. Троицк Московской области. Длительность одного измерения составляла 8 мин.

Рис. 2. Сравнение экспериментальных и модельных данных.

а) высотно-временная эволюция аэрозольных слоев по измерениям лидаром 19 апреля 2010 г.; б) модельная (РЬБХРЛЯТ) концентрация вулканического пепла (мг/м3), рассчитанная для 19 апреля 2010 г.

На рисунке отчетливо виден загрязненный пеплом пограничный слой, простирающийся до 2,5 км. Следует отметить, что в это время года редко наблюдается ярко выраженный пограничный слой, обычно он не больше ~1 км. Кроме того, на рис.

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