УДК 551.521.31(98)
Оценка "доиндустриальной" оптической толщины атмосферы при полярной дымке в Арктике и современного вклада антропогенных выбросов
Е. Н. Русина», В. Ф. Родионов*
Представлены результаты исследований, подтверждающие влияние сокращения антропогенных выбросов в России и в странах Северного полушария с 1985 по 1995 г, на прозрачность арктической атмосферы. Предложен подход и получена количественная оценка оптической толщины арктической атмосферы хг в период полярной дымки в "доиндустриаяьную " эпоху, т. е. при отсутствии выбросов, обусловленных человеческой деятельностью. Такая оценка позволяет по реальным данным наблюдений весной за х2 контролировать вклад антропогенных выбросов.
Введение
Арктическая дымка, предмет многолетнего и пристального внимания специалистов [1, 2, 4—6, 9—12], связана с образованием в зимне-весенний период в нижней тропосфере Арктики слоя с повышенными концентрациями аэрозолей [9]. Антропогенная составляющая арктической дымки обусловлена переносом в Арктику загрязняющих веществ, выбрасываемых в средних широтах Северного полушария. При этом, по мнению Шоу [12], пространственный масштаб облака аэрозоля может быть сопоставим с размерами Арктического региона. Такая ситуация в полярной зоне характерна для зимне-весеннего периода, когда, по оценкам Рана и Мак-Каффи [12], время пребывания аэрозольных частиц в атмосфере составляет около 20 сут (в то время, как в летние месяцы — около 5 сут). Столь значительная продолжительность существования частиц связана с малой скоростью их выведения из атмосферы из-за устойчивой (инверсионной) стратификации атмосферы и малого количества осадков и облачности в эти месяцы. Соответственно, арктическая дымка оказывается достаточно равномерно распределенной по всей Арктике и практически не зависит от конкретной локализации источников выброса в Северном полушарии.
По российским [3] и зарубежным [13] данным, в Северном полушарии за 1985—1995 гг. произошло существенное сокращение промышленных выбросов в атмосферу, прежде всего в результате резкого снижения промышленной активности в России. Можно предположить, что такое сокращение должно было сказаться на аэрозольно-оптических характеристиках
* Арктический и антарктический научно-исследовательский институт.
арктической атмосферы. При этом наиболее заметные эффекты должны наблюдаться в периоды арктической дымки, когда роль локальных неодно-родностей выбросов проявляется в наименьшей степени.
В качестве одной из таких характеристик в настоящей работе рассматривалась оптическая толщина атмосферы, определяемая по данным измерений потоков прямой солнечной радиации. Проанализированы тренды этого параметра и его связи с суммарными выбросами в атмосферу соединений серы. Полученные результаты использованы для оценки оптической толщины арктической атмосферы в период полярной дымки в "доиндуст-риальную" эпоху и вклада антропогенных выбросов.
Материалы и методы
Вследствие пространственной однородности арктической дымки в зимне-весенний период достаточно проанализировать данные одной-двух арктических станций, находящихся в зоне ее проявления. Для анализа были использованы результаты стандартных наблюдений за прямой солнечной радиацией в 1985—1995 гг. на двух станциях — м. Желания (76,9° с. ш., 68,6° в. д.) и о-в Врангеля (71,0° с. ш., 181,5° в. д.), расположенных в западном и восточном секторах Арктики. По этим данным, согласно [5], была рассчитана общая оптическая толщина атмосферы
т 2 =-1пР2 = — 1п (З^-До )1'2.
Здесь Р2 — интегральный коэффициент прозрачности атмосферы [7];
л — поток прямой солнечной радиации, падающий на перпендикулярную к направлению лучей поверхность и приведенный к оптической массе т = 2 и среднему расстоянию между Землей и Солнцем; 50 — солнечная постоянная.
Затем были определены средние за весь период наблюдений с марта по сентябрь включительно (называемые условно средними годовыми) и средние весенние (март — май) значения т2. Данные наблюдений в 1992 и 1993 гг., когда проявилось влияние извержения вулкана Пинатубо (июнь 1991 г.) [8], в расчеты средних значений т2 не включались. К сожалению, анализируемый период был ограничен 1995 г. из-за недоступности необходимой актинометрической информации за последующие годы.
Поскольку антропогенный арктический аэрозоль в значительной степени является продуктом трансформации серосодержащих газов [12], к рассмотрению были привлечены данные о величинах ежегодных промышленных выбросов диоксида серы в России [3] и в странах Северного полушария [13]. Следует отметить, что за 1985—1995 гг. выбросы БОг в России уменьшились на 45% [3]. При этом общий объем промышленных выбросов за этот же период сократился на 44% [3]. Таким образом, эмиссию диоксида серы можно считать репрезентативной характеристикой уменьшения антропогенной нагрузки на атмосферу. В процессе анализа были построены тренды оптической толщины атмосферы г2 и для указанных станций исследованы корреляционные зависимости средних годовых и средних весенних значений т2 от ежегодных суммарных промышленных выбросов БОг в России [3] и в Северном полушарии [13]. 36
Основные результаты
По данным обеих рассматриваемых станций был обнаружен незначительный отрицательный тренд средних годовых значений оптической толщины атмосферы, обусловленный, по-видимому, сокращением промышленных выбросов как в России, так и в Северном полушарии. Наиболее выраженным, как и следовало ожидать, оказался отрицательный тренд средних весенних значений г2, который представлен на рис. 1. На рисунке видно, что за период с 1985 по 1995 г. средняя весенняя оптическая толщина атмосферы уменьшилась на 21% на м. Желания и на 18% на о-ве Врангеля.
Для весеннего сезона получена достаточно тесная корреляция между ежегодными выбросами диоксида серы в России и оптической толщиной атмосферы. Коэффициенты корреляции для средних весенних оптических толщин составили 0,78 (м. Желания) и 0,76 (о-в Врангеля) (рис. 2а, б), а для средних годовых они соответственно меньше — 0,50 и 0,56.
1зео т$ та >т гм то т* то т$ гт
Рис. 1. Тренд оптической толщины атмосферы тг за 1985—1995 гг. на арктических станциях м. Желания (а) и о-в Врангеля (б).
а) у = -00061* +1*327; Яг = 0,6863; б) у =-0,004* + 8,2458; Я2 = 0,6509,
Рис. 2. Корреляционная зависимость между средними весенними значениями т, на станциях м. Желания (а, в) и о-в Врангеля (б, г) и количеством выбросов вОг в России (а, б) и в Северном полушарии (в, г).
а)у = й 00991 + Ц1563;«2-0,606; б) у = й 0071* + 0,185;*1« 0,5753; в) у = а 001 &с + 41422; X2 - 0,4751; г) у = 0ЦЮ14* + <Ц69; Я2 - 0,5146.
Одновременно были построены уравнения регрессии оптических толщин по данным выбранных арктических станций на количество выбросов 80г в Северном полушарии [13]. Для средних годовых значений г2 указанные связи оказались незначимыми, а для средних весенних коэффициенты корреляции составили 0,69 (м. Желания) и 0,72 (о-в Врангеля) (рис. 2в, г).
Полученные результаты позволяют ориентировочно оценить величину оптической толщины атмосферы в Арктике в период полярной дымки в "доиндустриальную" эпоху (т. е. при отсутствии поступления антропогенных выбросов в арктическую атмосферу). Если принять равным нулю количество выбросов БОа в Северном полушарии весной (х = 0 в уравнении регрессии на рис. 2в, г), то оптическая толщина атмосферы в период арктической дымки будет порядка 0,14—0,17. Остальная часть г2 может быть отнесена к влиянию эмиссии в результате человеческой деятельности. Такое заключение дает возможность рассматривать данные измерений оптической толщины арктической атмосферы в период арктической дымки как индикатор антропогенной активности в Северном полушарии, а по результатам реальных измерений весной в период полярной дымки и приведенной выше оценке "доиндустриальной" т2 судить о величине современного антропогенного вклада в оптическую толщину арктической атмосферы.
Основные выводы
Полученная оценка подтвердила влияние сокращения промышленных выбросов БОг в России в период с 1985 по 1995 г. на прозрачность арктической атмосферы. На примере двух станций, расположенных в разных секторах Арктики (м. Желания и о-в Врангеля), показано, что в те годы наблюдался отрицательный тренд средних годовых и особенно средних весенних значений оптической толщины атмосферы. За анализируемое десятилетие зафиксировано уменьшение средних весенних значений т2 в Арктике в среднем на 20%. Оно произошло на фоне спада количества выбросов БОа в России на 45%.
Между оптической толщиной атмосферы в Арктике в период весенней полярной дымки и ежегодным количеством выбросов диоксида серы как в России, так и в Северном полушарии существуют значимые связи с коэффициентом корреляции 0,7 и более.
Предложенный подход позволил количественно оценить величину оптической толщины атмосферы в Арктике в период полярной дымки в "доиндустриальную" эпоху —т2 = 0,14—0,17. Остальная часть определяемой т2 может быть связана с поступлением антропогенных загрязняющих веществ из средних широт Северного полушария.
Знание "доиндустриальной" оптической толщины арктической атмосферы в период арктической дымки позволяет использовать реальные данные измерений хг в этот период для ориентировочной оценки антропогенного вклада в загрязнение арктической атмосферы. Например, по осредненным весенним значениям (г2 - 0,29), приведенным в [5] за 1985 г. на арктических станциях бух. Тихая и о-в Диксон, можно сказать, что антропогенная часть оптической толщины атмосферы составляла тогда около 45%. 38
Литература
1. Брязгин Н. Н., Бурова Л. П., Воскресенский А. И., Цигельницкий И. И. Полярная дымка как объект мониторинга климата полярных областей. /В сб.: Мониторинг климата Арктики, под ред. А. И. Воскресенского. — Л., Гидрометеоиздат, 1988, с. 105—114.
2. Виноградова А. А., Пономарева Т. Я. Источники и стоки антропогенных пассивных примесей в Российской Арктике весной и летом. — Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2000, т. 36, № 3, с. 357—365.
3.Ежегодник выбросов загрязняющих веществ в атмосферу городов и регионов РФ (России), 1998 г./Под ред
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.