УДК 551.510.5
ФОНОВАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ДВУОКИСИ УГЛЕРОДА В ПРИЗЕМНОМ ВОЗДУХЕ (СТАНЦИЯ МОНИТОРИНГА "ОБНИНСК") © 2014 г. В. Н. Арефьев, Н. Е. Каменоградский, Ф. В. Кашин, А. В. Шилкин
Научно-производственное объединение "Тайфун" 249038 Обнинск, Калужская обл., ул. Победы, 4 E-mail: nikita@rpatyphoon.ru Поступила в редакцию 02.04.2014 г., после доработки 22.05.2014 г.
Представлены данные измерений методом Фурье-спектроскопии объемной концентрации двуокиси углерода в пробах приземного воздуха в европейской части России. Анализ этих данных показал, что временные изменения концентрации СО2 включают ~18% относительно высоких, кратковременно существующих концентраций, возникающих при температурной инверсии и при пожарах. Проведено разделение результатов измерений на региональную естественную фоновую концентрацию СО2 и его антропогенную добавку. Из фоновой выделена сезонная концентрация. Максимумы и минимумы сезонных вариаций СО2 чаще всего приходятся соответственно на февраль и июль при средней амплитуде (20.2 ± 3.8) млн-. Коэффициент парной корреляции сезонных концентрации СО2 с температурой равен -0.85. Спектральный анализ выявил большое количество составных колебаний вариаций фоновой концентрации СО2 с периодами от 2 до 126 месяцев. Простая модель с использованием параметров этих колебаний описывает временные изменения фоновой концентрации СО2 с погрешностью менее 1%. Антропогенная добавка СО2 в атмосферу состоит из случайной составляющей и долговременного тренда. За 13 лет наблюдений антропогенная добавка составила ~33 млн-1 при средней скорости роста ~2.04 млн-1 в год.
Ключевые слова: атмосфера, двуокись углерода, концентрация, фоновая, сезонная, антропогенная добавка.
DOI: 10.7868/S0002351514060030
ВВЕДЕНИЕ
Двуокись углерода (углекислый газ, СО2) относится к основным атмосферным парниковым газам, которые влияют на тепловой баланс и, следовательно, погоду и климат Земли. Содержание СО2 в атмосфере формируется естественными его источниками/стоками и постоянно растущей добавкой, обусловленной промышленной деятельностью человека [1—6]. Определенный интерес представляет задача разделения измеряемой концентрации углекислого газа в приземном воздухе на естественную региональную фоновую часть и антропогенную добавку.
В настоящей статье представлены результаты такого разделения и анализа данных мониторинга СО2 в пробах приземного воздуха, полученных на научно-исследовательской станции мониторинга атмосферы ФБГУ НПО "Тайфун", расположенной в 105 км на юго-запад от Москвы в г. Обнинске (55.1° N 36.9° Е, 186 м над уровнем моря), где практически отсутствуют местные мощные промышленные источники СО2.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Концентрация СО2 в пробах приземного воздуха измерялась при помощи комплекса аппаратуры, состоящего из Фурье-спектрометра с компьютером и оптической многоходовой кюветы. Случайная погрешность единичного измерения концентрации СО2, определенная по воспроизводимости величин концентрации в эталонных и естественных газовых смесях, составляет ±1 млн-1. Комплекс, предназначенный для регистрации одновременно нескольких атмосферных газов, методики измерений и результаты сравнений данных измерений в одних и тех же пробах воздуха, выполненных независимо в Обнинске и в NOAA ESRL (The NOAA Earth System Research Laboratory, USA [7]) описаны в [8-11].
На рис. 1 представлены результаты измерений концентрации СО2 в более чем 17 тысячах проб приземного воздуха за период с февраля 1998 по январь 2014 г. (1 на рис. 1), которые в целом подтверждают известные факты сезонных вариаций и постоянного роста концентрации СО2. Наблюдаются также относительно повышенные концентрации (~ 16.6%
«
и
я
св &
Я о Я Я
о
а
500 400 300
450 400 350
300
о 1 500
■ч- 400
+ 2
□ 3 300
1998 2002 2006 2010 Время,год
2014
я
ч
и
я
се &
я
е я я
о
а
Рис. 1. Концентрация углекислого газа в пробах приземного воздуха (1 — все исходные значения, 2 — значения при температурной инверсии, 3 — высокие значения при пожарах, 4 — значения при отсутствии инверсии и пожаров, 5 — минимальные месячные значения).
Я
ч
я и я
се &
Я
е я я
о
а
430 380 330
р
в
е В
5 — 6 июня 2000 г. ..
• ■ в 1
+...+...+■■+ » Ч 4 4
23 ..... 4
- + + + +■+ + + + + + +.+.++++ + +.-+■+ 11111 г + + + + + 5,
О
20°^ £
10 5
р
е
п я
е
Н
12 16 20 24 4 Время, ч
12
Рис. 2. Рост концентрации СО2 при инверсии температуры (1 — концентрация, 2—4 — температура на высотах 2, 120 и 300 м, 5 — скорость ветра).
8
от всех проб; 2 на рис. 1) при слабом ветре в условиях образовавшейся приземной температурной инверсии, препятствующей вертикальному перемешиванию воздуха и поэтому способствующей увеличению содержания СО2 в приземном слое. Увеличение концентрации СО2 может достигать десятков процентов, хотя позднее величины концентрации быстро уменьшаются при разрушении инверсии.
На рис. 2 приведен характерный пример изменений концентрации СО2 (1 на рис. 2) при инверсии температуры, которая контролировалась на Высотной метеорологической мачте [12, 13] на высотах 2, 120 и 300 м (2—4 на рис. 2). Скорость ветра при этом изменялась в пределах (1.0 ± 0.7) м/с (5 на рис. 2).
Самые большие концентрации СО2 (~1.5% от всех проб; 3 на рис. 1), отмечены в теплые периоды ряда лет. Их возникновение вызвано приходом к пункту наблюдений обогащенных углекислым газом воздушных масс во время сильных лесных пожаров и длительного горения торфяников [14—17], а также при местных пожарах и палах сухой травы. В этих случаях при смене направления ветра концентрация СО2 быстро уменьшалась.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
В дальнейшем анализе рассматриваются климатически значимые средние месячные величины концентрации СО2 (Ссрм, млн-1; 1 на рис. 3), вычисленные как средние значения по данным измерений в течение месяца за исключением данных, полученных в условиях температурной инверсии и во время пожаров (4 на рис. 1). Далее из экспериментальных данных в каждом месяце выбираются самые минимальные величины кон-
центрации СО2 (Смин, млн-1; 2на рис. 3). Можно, так же как и в [12, 15, 18, 19], полагать, что Смин в наибольшей степени определяются естественными причинами.
При анализе роста СО2 за длительный период в [6] показано, что антропогенная добавка увеличивается экспоненциально, следуя за увеличением человеческой популяции, с которой коррелирует увеличение хозяйственной активности человечества. На коротком временном интервале 16 лет эту зависимость можно в пределах погрешностей заменить линейной:
г = С0 + т/12,
(1)
где Слтр, млн 1 — концентрация СО2 в заданный месяц I, t — порядковый номер месяца измерений;
420
я
ч
я и я
се &
Я
е я я
о
а
380
340
Л = ^
«а а-А-Ж^й'
= А . & до-* Щ V Ш А- Рг
* IV» ■
■и-^ ■ '' ^ ■■ '■ . .......1
- ■ ■ / 2
......3
я и
380 | Я
е
355 я я
о
^
330
1998
2002
2006 Время, год
2010
2014
Рис. 3. Средние месячные (1), минимальные (2) концентрации СО2 и их линейные тренды (3); фоновые (4) и сглаженные фоновые (5) концентрации СО2.
Таблица 1. Характеристики линейного тренда концентрации С02 с февраля 1998 по январь 2014 г.
С ^лтр С0, млн 1 В, млн 1 в год В% в год г = 1
С срм 368.38 ± 1.29 2.076 ± 0.012 0.56 ± 0.03 Февраль 1998
С мин 358.95 ± 1.43 1.996 ± 0.013 0.56 ± 0.03 Февраль 1998
С0, млн 1 — концентрация СО2 при г = 0; В, млн-1 в год — показатель линейного тренда.
В табл. 1 для 192 месяцев наблюдений приведены характеристики линейного тренда для Ссрм и Смин, из которых следует, что линейный тренд Ссрм и Смин одинаков и близок к среднему глобальному за рассматриваемый период [7]. Это может служить дополнительным аргументом в пользу антропогенного происхождения постоянного положительного тренда СО2. Если теперь исключить из минимальных концентраций Смин трендовую составляющую (Вг/12), то разность будет практически полностью определять региональные фоновые концентрации СО2 (Сф, млн-1; 4 на рис. 3) в месте наблюдений. А разность Ссрм и Сф представляет антропогенную добавку.
Сезонные вариации фоновых концентраций СО2.
На рис. 3 так же приведены характеризующие изменения от года к году "сглаженные" (т.е. с исключенными по методике [20] сезонными вариациями) концентрации СО2 (Ссг, млн-1; 5 на рис. 3). Они показывают, что в изменениях фоновых концентраций прослеживаются помимо сезонных и другие вариации с периодами больше года (>12 мес).
Для оценки параметров сезонных вариаций СО2, обусловленных в основном сезонными изменениями его обмена между атмосферой и био-той, из фоновых значений Сф, вычтены Ссг, т.е. исключены изменения с периодами больше года и
получены чисто сезонные внутригодовые вариации (Ссез, млн-1). На рис. 4 они представлены вместе с усредненным за период наблюдений годовым сезонным ходом СО2. Из рис. 4 видно, что максимумы и минимумы сезонных вариаций СО2 чаще всего приходятся соответственно на февраль и июль, что типично для средних широт Северного полушария Земли. Средняя амплитуда Ссез составляет (20.1 ± 3.8) млн-1 при средней за период измерений фоновой концентрации: (357.2 ± 8.1) млн-1.
На рис. 4 приведена так же средняя месячная температура, а в табл. 2 - отрицательные коэффициенты ее парной корреляции с значениями Ссрм, Смин, Сф, Ссез. Наибольший по модулю коэффициент корреляции с сезонными изменениями температуры имеют изменения Ссез.
Коэффициент вариации (процентное отношение стандартного отклонения к среднему значению) для Ссез составляет 2.1%, что указывает на определенную консервативность естественной сезонной изменчивости СО2.
Спектральные характеристики фоновой концентрации СО2. Спектры Сф, Ссг и Ссез вычислены при помощи классического Фурье-анализа [21] при искусственном многократном удлинении временного ряда экспериментальных данных, что позволило выявить дополнительно некоторые длиннопериодные колебания (рис. 5).
375
355
а
а тра
н
е ц
н
о Ко
(а)
375 365 355 345
I II III IV V VI УИУШIX X XI XII
Мес
1есяц года
(в)/ у V V у у ч-V V V V V V V V V V
1998 2002 2006
Время, год
2010
т, к
310 290 270 250
2014
Рис. 4. Сезонные вариации (а) и средний се
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.