ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2013, том 49, № 3, с. 323-326
УДК 551.510.41
НАЗЕМНЫЕ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ В АТМОСФЕРЕ © 2013 г. С. Г. Семакин, А. В. Поберовский, Ю. М. Тимофеев
Санкт-Петербургский государственный университет 198504 Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская, 1
E-mail: tim@troll.phys.spbu.ru Поступила в редакцию 24.02.2012 г., после доработки 10.04.2012 г.
Приведены результаты первых в России наземных спектроскопических измерений общего содержания (ОС) азотной кислоты в атмосфере вблизи Санкт-Петербурга за период апрель 2009—октябрь 2011 гг. Эти измерения показали наличие существенного сезонного хода ОС HNO3 с максимальными значениями в зимний период и в начале весны и минимальными значениями в летнее время. Сезонный ход и вариации среднедневных значений ОС HNO3 вблизи Санкт-Петербурга в зимний и весенний период хорошо согласуются с наблюдениями на станции Kiruna международной сети NDACC.
Ключевые слова: состав атмосферы, газовые составляющие, содержание HNO3, наземные измерения, Фурье-спектрометр.
DOI: 10.7868/S0002351513030139
ВВЕДЕНИЕ
Несмотря на малую концентрацию в стратосфере азотной кислоты, она играет важную роль в процессах, контролирующих разрушение стратосферного озона [1, 2]. Так, азотная кислота является основным резервуаром для соединений нечетного азота, участвующих в каталитических реакциях разрушения озона [3]. Кроме того, HNO3 играет основную роль в процессах активации и дезактивации хлористых и бромистых соединений и таким образом косвенно регулирует интенсивность и продолжительность процессов разрушения озона [4].
Первые измерения спектров солнечного излучения с отождествлением полос поглощения HNO3 были осуществлены в 1951 году [5, 6]. В дальнейшем были проведены многочисленные наземные, самолетные, аэростатные измерения с помощью различных дистанционных методов, а позднее и спутниковые измерения. Эти измерения позволили изучить основные пространственные и временные вариации содержания HNO3. В последние десятилетия регулярные измерения общего содержания (ОС) HNO3 осуществляются с помощью наземных спектроскопических методов на ряде станций международной сети NDACC (Network for the Detection ofAtmospheric Composition Change) [7].
В данной работе приведены результаты первых в России наземных измерений ОС HNO3 спектроскопическим методом.
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИИ
С января 2009 г. в СПбГУ на кафедре физики атмосферы физического факультета (в Старом Петергофе примерно в 35 километрах к юго-западу от центра Санкт-Петербурга (59°88' N 29°83' Е)) проводятся наземные измерения спектров прямого солнечного излучения в ИК-области спектральным комплексом на основе Фурье-спектрометра высокого разрешения Вгакег Ш8-125НЯ [8]. Примеры определения ОС различных газов с помощью спектрального комплекса приведены в работах [913]. В данной работе представлены результаты определения общего содержания НМ03 для периода апрель 2009—октябрь 2011 гг.
В процессе измерений солнечного излучения серии из 10 интерферограмм, полученных в течение ~15 мин, усреднялись и использовались для получения спектра солнечного излучения. Отношение сигнал/шум в используемом спектральном интервале находилось в диапазоне от ~300 до ~1500 в зависимости от условий измерений солнечного излучения. Таких измерений в течение дня (в зависимости от наличия облаков) осуществлялось от 1 до 15, что позволило в ряде случаев изучать дневные вариации ОС НМ03.
На основе анализа данных атласа [14] и численного анализа погрешностей решения обратной задачи при измерениях в различных спектральных интервалах для определения ОС НМ03 был выбран спектральный интервал 867.5—870.1 см-1, используемый для этих целей и на станциях МПАСС. Определение ОС НМ03 производилось с помощью программного обеспечения SFIT у3.92, разрабо-
324
СЕМАКИН и др.
ЫК03 [х1016 мол/см2] 4
□ □ а
В> гЛ
Г
^т $
г а» □ ¿Ъ
□ □
• 4
ЦЭ
!
Чэ
М «
□ а
3
о
£
_1_
по
□ □ %
ч
--
_1_
1 I
_1_
О'
.(о-
ч\ ч\ ^ У
Рис. 1. Временные вариации среднедневных значений ОС ЫКОз. СПбГУ — жирные точки с дневными вариациями в виде вертикальных линий, станция Югапа — серые крестики.
3
2
1
0
танного коллективом авторов [15] для сети станций МЭЛСС. В качестве источника информации о параметрах тонкой структуры линий молекулярного поглощения использовалась спектроскопическая база данных ЫГТЯЛМ 2004 [16]. При восстановлении общего содержания азотной кислоты в качестве "мешающих" параметров определялось содержание водяного пара, СО2 и 0С8. Априорные относительные вариации отношения смеси ЫМ03 задавались в диапазоне от 27% (0 км) до 12% (80 км) в соответствии с современными данными о ее изменчивости [6, 17]. При определении ОС использовались ежедневные данные радиозондирования атмосферы на станции п. Воейко-во, расположенной примерно в 40 км от места наблюдений. Качество решения обратной задачи контролировалось величиной среднеквадратиче-ского отклонения между измеренными функциями пропускания и рассчитанными после определения ОС ЫМ03, величины которого в большинстве случаев составляли 0.2—0.6%, что согласуется с отношением сигнал/шум в измерениях солнечных спектров. Случайные погрешности единичного измерения ОС ЫМ03 не превышали 1—1.7% в зависимости от условий измерений солнечного излучения (оценки получены с помощью расчетов
матрицы ошибок метода оптимального оценивания, реализованных в программе SFIT). По оценкам работы [17] систематические погрешности за счет различных факторов могут достигать 7%.
Для оценки состояния атмосферы и стабильности работы аппаратуры в процессе измерений проводился анализ интерферограмм и вариаций полученных величин ОС ЫМ03. В частности, на этом этапе из анализа были исключены измерения и отдельные дни с вариациями ОС ЫМ03 более 10%, которые предполагается анализировать в дальнейшем с привлечением дополнительной информации.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ И АНАЛИЗ
На рис. 1 приведен временной ход среднедневных значений ОС ЫМ03 вблизи Санкт-Петербурга в различные дни измерений, а также указаны величины дневных вариаций ОС с помощью вертикальных линий. Отсутствие вертикальных линий означает, что в течение дня было осуществлено только одно измерение. Дневные вариации в отобранном массиве спектров солнечного излучения не превышали 5%. В сезонном ходе ОС ЫМ03 максимальные значения наблюдаются в зимний период и минимальные значения — летом. Максимальное значение среднедневного ОС на-
НАЗЕМНЫЕ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ 325
Среднемесячные значения ОС Ы^03 и амплитуды вариаций среднедневных значений А (х1016мол/см2)
Год/месяц 2009 А 2010 А 2011 А
Апрель 2.21 0.44 2.21 0.40 2.02 0.42
Май 1.72 0.05 2.05 0.34 1.96 0.22
Июнь 1.76 0.25 1.96 0.20 1.62 0.37
Июль 1.67 0.21 1.54 0.13 1.52 0.18
Август 1.58 0.19 — - 1.41 0.20
Сентябрь 1.69 0.34 - - 1.73 0.14
блюдалось 24 февраля 2010 г. и составляло 3.71 х х 1016 мол/см2. Высокие значения ОС наблюдались также в январе 2010 г. (3.09—3.28 х 1016 мол/см2) и марте 2010 (~3.5 х 1016 мол/см2). Минимальное значение среднедневного ОС наблюдалось 28 августа 2010 г. (1.12 х 1016 мол/см2). Низкие значения среднедневных ОС (1.29—1.34 х 1016 мол/см2) наблюдались в конце июня—июле 2011 г. На рис. 1 приведены также результаты измерений ОС Ы^3 на станции ^АСС Ютапа (68° N. 20° Е), [18], хорошо согласующиеся с измерениями вблизи Санкт-Петербурга.
На рис. 2 приведены среднемесячные значения ОС HN03, а также величины вариаций (вертикальные линии) среднедневных значений для большинства месяцев периода наблюдений. Отсутствие среднедневных вариаций ОС HN03 для
некоторых месяцев обусловлено единственным измерением среднедневного значения ОС HN03 в этом месяце. Рисунок 2 демонстрирует те же сезонные особенности ОС HN03 — максимальные значения ОС в зимний период или в начале весны (например, в марте 2010 г.) и значительные вариации среднедневных значений ОС в те же периоды. Так, например, в феврале 2010 г. амплитуда вариаций среднедневных значений составила 30%. В летний период относительные вариации, как правило, не превышали 10—15%.
В таблице приведены среднемесячные значения и амплитуды вариаций среднедневных значений (А) для ряда месяцев в течение трех лет. Относительно большие вариации ОС HN03 наблюдались в апреле и июне 2011 г.
Ы^03 [х1016 мол/см2] 4
0
ъ4' сг
ч*
Л? ¿>Ч
№
Ч
сг ^ ч°
Рис. 2. Среднемесячные значения (точки) и вариации среднедневных значений ОС Ы^03 (вертикальные прямые).
ч
№
ч
>
ч
№
ч
ч
л
ч*
ч
¿V
1>
VI
3
2
1
326
СЕМАКИН и др.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Приведены результаты первых в России наземных спектроскопических измерений общих содержаний азотной кислоты в атмосфере вблизи Санкт-Петербурга за период апрель 2009—октябрь 2011 гг. Наблюдается сезонный ход ОС HNO3 с максимальными значениями в зимний период и начале весны и минимальными значениями в летнее время. Минимальное значение ОС было зарегистрировано 28 августа 2010 г. (1.12 х 1016 мол/см2), максимальное — 24 февраля 2010 г. (3.71 х 1016 мол/см2).
Обнаружены существенные вариации среднедневных значений ОС HNO3 в зимний и весенний период, что, вероятно, обусловлено проникновением в район наблюдений воздуха полярного вихря с большим содержанием HNO3. Полученные сезонные вариации ОС HNO3 вблизи Санкт-Петербурга хорошо согласуются с наземными наблюдениями на станции Kiruna международной сети NDACC.
Работа выполнена при поддержке ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" (госконтракты № П969 от 27.05.2010 и № 16.740.11.0048) и НИР СПбГУ № 11.31.547.2010 и 11.37.28.2011.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Solomon S., Portmann R.W., Sanders R.W. et al. On the role of nitrogen dioxide in the absorption of solar radiation // J. Geophys. Res. 1999. V. 104. № D10. P. 12047-12058.
2. WMO Antarctic Ozone Bulletin. 2003. № 4. (http:// www.wmo.int/pages/prog/arep/03/bulletin_4_2003. pdf)
3. Brasseur G, Solomon S. Aeronomy of the middle atmosphere. Dordrecht: Reidel Publishing Company, 1986.
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.