ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 2, с. 246-259
УДК 504.3.054:551.515.8:551.501.796
ИЗМЕНЧИВОСТЬ ГАЗОВЫХ ПРИМЕСЕЙ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ
АТМОСФЕРЫ МОСКВЫ
© 2007 г. Н. Ф. Еланский*, М. А. Локощенко**, И. Б. Беликов*, А. И. Скороход*, Р. А. Шумский*
*Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: askorokhod@mail.ru **Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова 119899 Москва, Воробьевы горы Поступила в редакцию 15.07.2005 г., после доработки 29.05.2006 г.
Обсуждаются результаты непрерывных ежеминутных измерений концентраций приземного содержания озона, окиси и двуокиси азота, окиси углерода и двуокиси серы в 2002-2004 гг. на экологической станции ИФА РАН и Географического факультета МГУ. Показано, что условия юго-западной части Москвы, удаленной от крупных локальных источников загрязнения, отражают общие закономерности изменчивости примесей в городской атмосфере. Это проявляется в средней годовой величине отношения NO/NO2 (немногим менее единицы), в пониженных дневных значениях О3, повышенных уровнях остальных примесей по сравнению с фоновой местностью и в наличии вторичного ночного максимума в суточном ходе О3. Обсуждаются особенности годового и суточного хода концентрации веществ, выбранных для анализа. В суточном ходе первичных продуктов сгорания NO и CO в теплое и переходное время отмечено превышение утреннего максимума по сравнению с вечерним, а летом - более высокие значения ночного минимума по сравнению с дневным. Вероятной причиной обоих выявленных эффектов служат особенности температурной стратификации, полученные по многолетним данным акустического зондирования в МГУ. Годовой ход содержания приземного озона характеризуется наибольшими значениями весной и летом. Годовой ход NO, NO2, CO и SO2 не показывает очевидных сезонных закономерностей. Выявлена значительная сезонная изменчивость отношения NO/NO2, связанная с окислительными свойствами городской атмосферы. Приводятся рекордно высокие значения содержания газовых примесей в Москве и обсуждаются метеорологические условия их накопления.
1. ВВЕДЕНИЕ
Исследование состава нижней атмосферы и его изменчивости является насущной научной и практической задачей, тесно связанной с проблемами изменения состояния природной среды и климата. В Москве непрерывные измерения содержания в атмосфере основных загрязняющих веществ (окиси углерода, окиси и двуокиси азота, двуокиси серы, озона и некоторых других газов, а также твердых частиц) ведутся с 1966 г. на постах МосЦГМС-Р (бывшей ЦВГМО) по стандартным методикам и с использованием однотипных приборов. В настоящее время таких постов в столице осталось 16. Данные сети МосЦГМС-Р обычно используются для выявления наиболее высоких уровней загрязнения воздуха вблизи его локальных источников. Посты этой сети не предназначены для измерений очень низких (близких к фоновым) уровней содержания малых примесей и не позволяют подробно проследить их суточные и сезонные изменения. Анализ некоторых данных сети МосЦГМС-Р содержится в [1, 2 и др.].
В последние годы в Москве появилась и быстро развивается параллельная сеть постов ГУП Мосэко-мониторинг. На этих постах измеряется меньше загрязняющих веществ, чем на сети МосЦГМС-Р, но частота измерений здесь выше. Основной проблемой сети ГУП Мосэкомониторинг является нестан-дартизованная методическая база и недостаточная надежность калибровки приборного оборудования. Недостатком обеих сетей (ГУП Мосэкомониторинг и МосЦГМС-Р) является отсутствие регулярных сравнений их приборов с международными эталонами и, как следствие, несогласованность с сетью станций Глобальной службы атмосферы, действующей под эгидой Всемирной метеорологической организации (ГСА ВМО).
В центре Москвы в Институте физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН с 1974 г. ведутся наблюдения общего содержания окиси углерода (СО) и метана (СН4) в вертикальном столбе атмосферы [3]. Этот ряд данных является самым продолжительным в мире. По сравнению с концентрацией примесей, их общее содержание меньше подверже-
но влиянию локальных источников и в большей степени отражает состояние воздушного бассейна в целом. К сожалению, эти наблюдения, использующие измерения прямой солнечной радиации, проводятся не ежедневно, а только при ясном небе или переменной облачности и всего на одном наблюдательном пункте.
В 1990-е годы в ИФА РАН было проведено несколько серий одновременных круглосуточных измерений малых примесей в разные сезоны года [4] в центре города и в Звенигороде, в 45 км к западу от столицы. С 1991 г. в г. Долгопрудном в 5 км к северу от границы г. Москвы (кольцевой автодороги) проводятся регулярные измерения приземного содержания озона [5, 6].
В феврале 2002 г. на территории Метеорологической обсерватории (МО) МГУ совместными силами ИФА РАН и Географического факультета (ГФ) МГУ была создана Экологическая станция для наблюдений за составом атмосферы. В результате появилась возможность подробного изучения закономерностей суточного и годового хода, а также непериодических изменений содержания малых газовых примесей в Москве. Здесь, в юго-западной части города, организованы автоматические ежеминутные круглосуточные измерения концентраций целого ряда малых примесей: озона, окиси и двуокиси азота, окиси углерода, двуокиси серы, метана и некоторых других газов, а также массовой концентрации субмикронного и сажевого аэрозолей.
Концентрация озона определяется газоанализаторами Dasibi 1008-RS и l008-AH по ослаблению этим газом ультрафиолетового излучения на длине волны 253 нм, проходящего через кювету с пробой исследуемого воздуха. Погрешность измерения озона при этом составляет ±1 млрд-1. Измерения концентрации СО ведутся газоанализатором TE48S по поглощению инфракрасного излучения. Погрешность единичного измерения составляет ±10 млрд-1, наименьшая регистрируемая концентрация - 50 млрд-1. Концентрации NO и NO2 (газоанализатор TE42C-TL) определяется хемилюми-несцентным методом по интенсивности инфракрасного излучения, возникающего в результате химической реакции NO и О3. Погрешность единичного измерения не превышает 0.05 млрд-1. Дублирующим прибором для измерений NO и NO2 является хемилюминесцентный газоанализатор AC30M с меньшей («1 млрд-1), но достаточной для измерений в городских условиях чувствительностью. Для измерений концентрации SO2 применяется газоанализатор ИойЬа APSA-360, использующий метод флюоресценции и имеющий чувствительность 0.5 млрд-1.
Все действующие на станции приборы используются и на сети станций ГСА ВМО. Они способны измерять весь диапазон возможных концентраций от малых фоновых до экстремально высоких зна-
чений. Приборы регулярно калибруются по международным эталонам и стандартным смесям, которые поставлялись Лабораторией мониторинга и диагностики климата (США) и Институтом химии Макса Планка (Германия). С 2003 г. в ИФА РАН находится вторичный европейский стандарт Е№У 0341М № 1298, по которому регулярно калибруются газоанализаторы для измерений озона.
Важным подспорьем в объяснении временной изменчивости состава воздуха служат данные акустического зондирования нижнего 800-метрового слоя атмосферы, которое проводится в МО МГУ с 1988 г. Предварительные результаты наблюдений на Экологической станции и их анализ с привлечением данных акустического локатора (содара) приведены в [7, 8]. Влияние дымной мглы от торфяных пожаров в Подмосковье на динамику приземных концентраций озона и окиси углерода в МГУ рассмотрено в [6] и [9] соответственно. Изменения содержания примесей в загрязненном городском воздухе при прохождении обостренного атмосферного фронта обсуждаются в [10]. Первое обобщение измерений концентраций четырех загрязняющих веществ - 03, N0, NO2 и СО - по данным наблюдений в 2002 г. приведено в [9].
Задачей настоящей работы явилась проверка предварительных выводов, сделанных в статье [9], о закономерностях изменения содержания этих веществ в городском воздухе на основе анализа уже трехлетнего ряда наблюдений (с 2002 г. по 2004 г.), а также дополнительное привлечение к анализу еще одной малой примеси - S02, измерения которой начались в 2004 г.
2. СЕЗОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ МАЛЫХ ГАЗОВЫХ ПРИМЕСЕЙ
Годовой ход концентрации озона, окислов азота, окиси углерода и двуокиси серы в приземном воздухе за время наблюдений в МГУ с 2002 по 2004 гг. приведен на рис. 1. Как видно, наибольшая концентрация озона (рис. 1а) наблюдается в Москве весной и летом. Такое повышение концентрации озона может быть вызвано совместным действием двух процессов, наиболее интенсивных в это время года: фотохимических реакций его образования и его притока к поверхности из стратосферы и свободной тропосферы [11, 12]. Наиболее низкая концентрация отмечается поздней осенью и в начале зимы. Аналогичный вид годового хода в средних широтах получен в целом ряде работ [1, 12, 13, 14 и др.]. На эту общую тенденцию наложены вторичные максимумы и минимумы, отмечающиеся в отдельные годы. Они связаны с метеорологическими условиями, прежде всего с особенностями радиационного режима [9], и изменениями величины эмиссии предшественников озона - летучих органических соединений, окиси углерода и окислов азота. В частности, повышенные значения концентрации озона в
Концентрация 03, млрд 1 30 25 20 15 10 5
(а)
Концентрация N0^ млрд 1 45 40
(в)
2002 2003
2004
Концентрация N0, млрд 1
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
(б)
2002
2003
2004
_1_
_1_
_1_
J
я я рл аа я &
н
я
е
т р
а м
я
л
е &
а
н я я я я о а & & &
^ ю ю ю ю
Ь К К К сЗ
Энном * к м К 8
8 ° и Время, мес
Концентрация СО, млн 1 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0
(г)
2002
я я рл аа
р
я
е
т р
а
я
л
е &
а
я
н
2
и
я
л
2
и
2003
_1_
_1_
2004 _1_
J
н я я я я о а а а а
^ ю ю ю ю
Ь К К К сЗ
Энном * к а к 8
8 ° « Время, мес
Концентрация S02, млрд 1 2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
(д)
2004 г.
я я рл
т р
ааа
р
я
« «
я
л
е &
а
я
н и
н я я я я о а а а а
^ ю ю ю ю
к к к
тто КМ"
8 °
а
м
е д
Время, мес
Рис. 1. Годовой ход приземной концентрации малых газовых примесей по наб
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.