ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 4, с. 531-537
УДК 551.52432:551510534:551.51042
ВАРИАЦИИ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ ОКИСИ УГЛЕРОДА И МЕТАНА
В АНТАРКТИЧЕСКОЙ АТМОСФЕРЕ
© 2007 г. Ф. В. Кашин*, В. Ф. Радионов**, Е. И. Гречко***
*Научно-производственное объединение "Тайфун" 249030 Обнинск, пр. Ленина, 82 E-mail: kashin@typhoon.obninsk.ru **Арктический и антарктический научно-исследовательский институт 199397 Санкт-Петербург, ул. Беринга, 38 E-mail: vradion@aari.nw.ru ***Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: eigrechko@gmail.com Поступила в редакцию 15.01.2007 г.
Представлены результаты измерений общего содержания окиси углерода и метана, полученные методом солнечной абсорбционной спектроскопии. Наблюдения проводились в 1977-1978 гг. на ст. Молодежная, с 1982 по 1992 гг. в обсерватории Мирный и в 2003-2006 гг. на ст. Новолазаревская. Описан характер сезонных изменений содержаний этих газов в антарктической атмосфере, сделано сопоставление с внутригодовым ходом их приземных концентраций, измеренных на японской станции Syowa. Наблюдается синхронный внутригодовой ход изменений содержания окиси углерода в столбе атмосферы и его концентрации в приземном слое воздуха, в то время как весенний максимум содержания метана наблюдается на три месяца позднее установления максимума его приземной концентрации. Наблюдается синхронный ход сезонных изменений общего содержания метана и озона, что позволяет сделать предположение о существенном влиянии антарктического циркумполярного вихря на характеристики вертикального распределения метана антарктической весной. Приведены количественные оценки параметров многолетней изменчивости содержаний CO и CH4. Содержание метана возрастало, хотя и с разными скоростями, в течение всего периода наблюдений с 1977 г. по 2006 г. Содержание CO возрастало до 1992 г., а в течение 2003-2006 гг. наблюдалось его уменьшение.
ВВЕДЕНИЕ
Исследования окиси углерода (СО) и метана (СН4) в атмосфере Антарктиды занимают особое место в мониторинге фотохимически- и радиаци-онно-активных малых газовых составляющих (МГС). Источники этих газов различны, но как для СО, так и для СН4 доля антропогенного вклада в их содержание в атмосфере существенна. Географическое положение Антарктиды и характер атмосферной циркуляции способствуют тому, что антарктическая атмосфера по сравнению с другими регионами Земли в наименьшей степени подвержена антропогенному воздействию. Поэтому она-блюдаемые вариации этих МГС в первую очередь определяются естественными причинами.
Атмосферные циклы СО и СН4 взаимосвязаны. Одним из основных естественных источников окиси углерода является фотохимическое окисление метана в верхней тропосфере и нижней стратосфере в летнее время, а основной сток того и другого газа происходит за счет их реакции с тропосферным гидроксилом [1]. Фотохимическое время жизни молекулы СО составляет около двух
месяцев, для СН4 - несколько лет. В силу этого обстоятельства величины содержания окиси углерода имеют значительный сезонный ход и неравномерно распределены по земному шару. Сезонная и пространственная изменчивость содержаний метана существенно меньше, чем у СО [2].
Измерения содержаний СО и СН4 в атмосфере Антарктиды были начаты в 1977 г. и продолжались до 1992 г. в рамках работ Советских антарктических экспедиций [3], а затем возобновлены в 2003 г. Ниже приводятся обобщенные результаты наблюдений с 1977 г. по 1992 гг. и с 2003 по 2006 гг., а также количественные оценки, характеризующие временную изменчивость их содержаний в антарктической атмосфере.
ПРИБОРЫ И МЕТОД ИЗМЕРЕНИЙ
Для измерений применяется метод солнечной абсорбционной спектроскопии, основанный на определении содержания СО и СН4 по спектрам солнечного излучения, прошедшего всю толщу атмосферы. Спектроскопический метод является
531
7*
интегральным методом, поэтому конечным результатом измерений является общее содержание СО и СН4 на пути луча, которое затем пере-считывается к содержанию в вертикальном столбе атмосферы (далее - содержание).
Аппаратурный комплекс состоит из системы слежения за Солнцем и дифракционного спектрометра. Спектральное разрешение спектрометра составляло от 0.2 до 0.3 см-1. Измерения проводились по прямому солнечному излучению при высотах Солнца более 15°. Содержание газа определяется по величине функции пропускания в интервалах, включающих отдельные спектральные линии с длиной волны около 4.6 мкм для СО и 3.3 мкм для СН4, и измеряется в атм • см (толщиной слоя газа в см, приведенного к нормальным условиям, 1 атм • см = 2.69 х 1019 молекул см-2). Связь функции пропускания и содержания СО и СН4 рассчитывается с использованием параметров тонкой структуры спектра, данных о вертикальных профилях давления, температуры, влажности и отношения смеси СО и СН4. Инструментальная случайная погрешность определения содержания обоих газов, полученная по повторяемости результатов измерений в течение дня, составляет ±4%.
В то же время точность измерений интегральным методом уменьшается из-за отсутствия информации об атмосферных параметрах на пути распространения солнечных лучей через неоднородную атмосферу и, в частности, из-за незнания характера вертикального распределения исследуемого газа. Как показали проведенные В.И. Диано-вым-Клоковым и др. [4] модельные исследования, регистрируемые спектры поглощения практически нечувствительны к вариациям концентрации (отношения смеси) СО и СН4 как в приземном слое воздуха, так и в стратосфере. Максимальная ошибка определения содержания для всех возможных профилей вертикального распределения отношения смеси СО составила ±4%. Вертикальное распределение отношения смеси СН4 более равномерно, чем у СО, поэтому ошибка определения содержания Сн4 еще меньше. В целом суммарная ошибка определения обоих газов при единичном измерении оценивалась до 1992 г. в 8-10% [4].
В 2003-2006 гг. измерения проводились на модернизированном комплексе аппаратуры, управление которым, а также регистрация спектров и их обработка, осуществлялась персональным компьютером. При этом сократилось время записи и увеличилось количество регистрируемых спектров в течение дня, что приводит к уменьшению среднеквадратичной погрешности среднедневных величин содержания СО и СН4. Усовершенствование в методике обработки спектрограмм заключается в использовании вертикальных распределений в атмосфере температуры, давления и влажности, полученных по результатам аэрологического
зондирования в дни измерений. В результате погрешность среднедневных содержаний СО и СН4 оценивается в ±2% [5].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Измерения содержания СО и СН4 в атмосфере Антарктиды проводились на станции Молодежная (67°40% 45°50'Е) в 1977-1978 гг. и в обсерватории Мирный (66°33% 93°01'Е) в 1982-1992 гг., в основном в декабре-марте. Возобновлены они были в феврале 2003 г. на станции Новолазаревская (70°46% 11°50'Е) и проводились в период полярного дня с сентября по апрель каждого года.
Солнечные спектроскопические измерения в Антарктиде существенно лимитируются погодными условиями. В течение месяца оказывалось не более 10-15 дней с условиями, подходящими для наблюдений. Как правило, в эти дни регистрировалось по 10-15 спектров СО и СН4. Результаты измерений приведены на рис. 1 и представляют средние за день величины содержания СО и СН4. Стандартные отклонения средних за день значений содержаний газов от соответствующих средних месячных величин не превышали ±8% [3].
Сезонный ход содержания СО характеризуется уменьшением его величин от максимальных в сентябре (антарктическая весна) к минимальным значениям в марте (осень в Антарктиде). Подобный ход связан скорее всего с тем, что при возрастании потоков солнечной радиации во время полярного дня увеличивается концентрация гидроксила в атмосфере, разрушающего, в свою очередь, окись углерода. Относительно короткое время жизни СО в атмосфере делает возможным подобный сезонный ход содержания этой газовой составляющей. Амплитуда сезонных вариаций содержания СО, величина которой надежно определяется по данным 2003-2006 гг., составляет (0.015-0.017) атм • см (см. рис. 3).
Как и в случае с окисью углерода, основным атмосферным стоком метана является его реакция с гидроксилом. Поэтому можно было бы ожидать, что сезонные вариации содержания СН4 аналогичны сезонным вариациям содержания СО, хотя время жизни молекулы метана гораздо больше времени жизни молекулы окиси углерода.
В табл. 1 приведены средние месячные величины содержания метана, их стандартные отклонения и количество дней наблюдений в каждый из месяцев всех наблюдательских сезонов 19771990 гг. [3].
Специфика организации сезонных наблюдений в Антарктиде и погодные условия, особенно на станциях Мирный и Молодежная, позволили получить лишь фрагментарные сведения о содержаниях исследуемых газов. В каждый из дней наблюдений вариации содержания метана не пре-
0.08
¿1 0.06
н
О
^ 0.04
а
и *
& 0.02 и о О
0
1.50
о
£ н
сЗ
Я
и
а и
сЗ
X а о и о О
1.36
1.22
1.08
0.94
0.80
(а)
— 2
11Ш
1и
ли
(б)
1977
1982
1987
1992 Год
1997
2002 2007
Рис. 1. Вариации содержания окиси углерода (а) и метана (б) по измерениям ] ния, 2 - аппроксимационная кривая.
Антарктиде: 1 - среднедневные значе-
1.32
* 1.28
К
и
а и
а
*
а о
д о
О 1.20
1.24
я
2003
2004
Л
А >
2005 Год
• 1
550
400
250
И
б и О
2006
100 2007
Рис. 2. Сравнение результатов измерений содержания метана (1) и общего содержания озона (2) на станции Новолазаревская.
вышали 8%, но внутримесячная и межсуточная изменчивость в отдельные годы была довольно большой. Например, на ст. Молодежная в 1977 г. содержание СН4 от величины 1.24 атм • см 21 декабря уменьшилось до 0.98 атм • см 22 декабря; в обс. Мирный в 1988 г. содержание метана за сутки возросло на 0.24 атм • см: от 0.96 атм • см 27 февра-
ля до 1.20 атм • см 28 февраля. Максимальная амплитуда внутримесячной изменчивости отмечена в декабре 1984 г.: 1.35 атм • см 7 декабря, 1.04 атм • см 15 декабря. Но, как видно из табл. 1, в каждый из месяцев первого дл
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.