ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 4, с. 547-556
УДК 551.510.41
ВАРИАЦИИ СОДЕРЖАНИЯ В РАЙОНЕ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА ПО НАЗЕМНЫМ И СПУТНИКОВЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ РАССЕЯННОГО
СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
© 2007 г. А. В. Поберовский, А. В. Шашкин, Д. В. Ионов, Ю. М. Тимофеев
НИИ физики им. В.А. Фока Санкт-Петербургского государственного университета 198504 Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская, 1 E-mail: ionov@troll.phys.spbu.ru Поступила в редакцию 31.01.2007 г.
Представлено описание автоматического спектрального комплекса, разработанного в НИИФ СПбГУ и используемого для регулярных наземных спектроскопических измерений общего содержания NO2 в вертикальном столбе атмосферы в сумерках и в светлое время дня в районе Санкт-Петербурга (Петродворец). Получен ряд наземных сумеречных измерений общего содержания NO2 в районе Санкт-Петербурга в 2004-2006 гг., а также оценки вариаций содержания NO2 в тропосфере по результатам дневных наземных измерений. Приведен пример пространственного среднегодового распределения содержания NO2 (центральная и северная Европа, северо-запад России) по данным спутниковых измерений за период 2003-2005 гг., демонстрирующий основные источники антропогенных загрязнений. Даны предварительные оценки роста среднегодовых значений содержания тропосферного NO2 в районе мегаполисов Москвы и Санкт-Петербурга для всего периода спутниковых наблюдений прибора GOME - около 30-40% за десять лет.
1. ВВЕДЕНИЕ
Изменения в термическом режиме атмосферы на разных высотах, УФ-освещенности поверхности, динамике атмосферы, режима осадков и т.д., связанные с изменением газового состава атмосферы, уже имеют и будут иметь все более усиливающиеся негативные экологические, экономические и социальные последствия [1-4]. В связи с этим, одной из центральных проблем современных физики и химии атмосферы является мониторинг характеристик газового состава атмосферы и, в частности, глобальные непрерывные наблюдения за содержанием "парниковых" и "озонораз-рушающих" малых газовых составляющих (МГС) [5]. К ним относится также и двуокись азота (NO2), одна из ключевых газовых компонент в атмосферной химии. В стратосфере NO2 участвует в цикле реакций по разрушению атмосферного озона, тогда как в тропосфере фотолиз NO2 приводит к образованию O3.
Основная информация о характеристиках газового состава атмосферы поступает в настоящее время от различных систем наблюдений - наземной, самолетной, аэростатной и спутниковой. Безусловно, спутниковая система мониторинга характеристик атмосферы является важнейшей составляющей глобальной системы наблюдений. Однако регулярные спутниковые измерения содержания NO2 в атмосфере стали возможны относительно недавно, с появлениям сканирующих
по пространству спектрометров высокого разрешения, осуществляющих надирные измерения уходящего (отраженного и рассеянного) излучения в видимом диапазоне спектра (~400-500 нм). Такие приборы, как GOME [6] в 1996 г. (спутник ERS-2) и SCIAMACHY [7] в 2002 г. (спутник ENVISAT), а позднее, в 2004 г. - OMI [8] (спутник AURA) впервые позволили осуществлять практически ежедневное глобальное картирование содержания NO2 в вертикальном столбе атмосферы. Вместе с тем, значительные трудности в интерпретации спутниковых измерений такого типа оставляют вопрос о точности этих данных до сих пор открытым, особенно в условиях повышенного содержания NO2 в тропосфере [9]. Кроме того, временной ряд этих наблюдений недостаточно продолжителен для получения достоверных оценок соответствующих трендов. Таким образом, задача одновременных наземных измерений содержания NO2 в атмосфере остается актуальной - как для вали-дации развивающейся спутниковой системы наблюдений, так и для оценки долговременных изменений содержания NO2.
Основным элементом глобальной системы наземных наблюдений газового состава атмосферы является NDACC (Network for the Detection of Atmospheric Composition Change), ранее NDSC. Сеть NDACC представляет собой международную программу, объединяющую станции, оснащенные стандартизированным набором приборов для дистанционного зондирования атмосферы с поверх-
547
8*
Основные характеристики измерительной аппаратуры (АСК)
Характеристика Значение
Угол зрения, ° 10
Спектральный диапазон спектрометра, нм 428.4-515.3
Шаг сканирования, нм 0.05
Спектральное разрешение, нм 1.3
Центр полосы фотометра, нм 440
Полуширина полосы фотометра, нм 5
ности Земли, прошедших взаимные сравнения и калибровки [10-13]. Для измерений общего содержания (ОС) К02 на станциях КБЛСС используются наземные спектрометры, осуществляющие регистрацию спектров рассеянного в зенит видимого солнечного излучения. В России и странах СНГ наблюдения ОС К02 ведутся на ряде станций, некоторые их которых аттестованы в качестве дополнительных пунктов сети КБЛСС (Звенигород [14], Салехард, Жиганск [15], Иссык-Куль [16, 17]). Начиная с середины 2002 г., НИИФ СПбГУ (Петродворец) осуществляет в районе Санкт-Петербурга (около 30 километров к юго-западу от центра города) также регулярные измерения ОС двуокиси азота (К02) методом спектрометрии рассеянного из зенита солнечного излучения. Эти наблюдения ведутся как в сумеречных условиях, так и в дневное время. В данной статье представлено описание используемой аппаратуры, изложена методика измерений и интерпретации данных, приведены примеры полученных результатов наблюдений содержания К02 в районе Санкт-Петербурга.
2. АППАРАТУРА И МЕТОДИКА
ИНТЕРПРЕТАЦИИ ИЗМЕРЕНИЙ
Для измерений рассеянного в зенитном направлении солнечного излучения используется разработанный в НИИФ СПбГУ автоматический спектральный комплекс (АСК), состоящий из спектрометра (монохроматор МДР-12 и фотоприемник ФЭУ-100), фотометра с интерференционным фильтром (для контроля временной изменчивости яркости зенита) и регистрирующей системы. Основные характеристики АСК приведены в таблице. Измерения производятся непрерывно в автоматическом режиме при зенитных углах Солнца, меньших 100°. За световой день, в зависимости от его продолжительности, производится до 1200 измерений спектров интенсивности рассеянного солнечного излучения в зените при разных положениях Солнца, начиная от восхода до заката. Проведение измерений в течение всего светового дня, а не только в период утренних или вечерних сумерек, позволяет определять дневные
вариации содержаний NO2, а также выявлять случаи тропосферных загрязнений.
Содержание NO2 на трассе формирования излучения (наклонное содержание) извлекается из результатов наземных спектроскопических измерений с помощью методики дифференциального поглощения [18]. Методика DOAS (Differential Optical Absorption Spectroscopy) заключается в минимизации рассогласований между результатами измерений и линейной комбинацией известных спектров молекулярного поглощения (O3, NO2, H2O, O4) после вычета плавно меняющихся компонент ослабления - альбедо поверхности, молекулярного и аэрозольного рассеяния и др., - описываемых полиномом. На первом этапе методом наименьших квадратов определяется содержание NO2 для трассы формирования уходящего излучения (т.н. наклонное содержание), а затем при использовании рассчитанных заранее для различных условий измерений значений воздушных масс (моделированное отношение наклонного содержания к вертикальному) определяется общее содержание в вертикальном столбе атмосферы. Начиная с 2004 г., интерпретация наземных измерений ОС NO2 НИИФ СПбГУ осуществляется на основе стандартной методики, разработанной для международной сети станций NdACC (WinDOAS, [19]).
Спектр рассеянного в зенит солнечного излучения принято представлять в виде закона Буге-ра-Ламберта-Бера:
I(X,, z) = Iref(X,)exp
-X C> a(Xl)тг (z)
V i = 1
(1)
где 1(кг, 2) - измеренная интенсивность рассеянного в зенит солнечного излучения на длине волны к при зенитном угле Солнца 2, а¡(к) - спектральный коэффициент ослабления 1-й оптически активной компоненты, с, - ее общее содержание, а т(2) - соответствующий ей фактор воздушной массы. В качестве референтной интенсивности "внеатмосферного" излучения используется экстраполированное значение 1(к, 2) при ш(£) = 0, полученное в день со стабильной оптической погодой.
Наблюдаемая оптическая толщина в этом случае равна:
Т(к[, 2) = 1П(1геГ(кг)) -1ПI(к, 2) =
Хаг (Xl) Хг ( Z ) + £Ь
(2)
г=1
где х(г) = с ¡ш(2) - наклонное содержание в атмосфере 1 -й компоненты, а ег - эффекты плавно меняющихся компонент ослабления, а также возможный вклад паразитного света спектрометра или темнового тока детектора. Типичные оптические плотности основных газовых составляющих
N
Оптическая толщина O3 0.25
а
Оптическая толщина NO2 0.075
а б
430 445 460 475 490 505 520
Оптическая толщина H2O 0.025
а б
430 445 460 475 490 505 520
Оптическая толщина О4 0.025
а б
430 445 460 475 490 505 520
430 445 460
475 490 505 520 Длина волны, нм
Рис. 1. Оптические плотности основных газовых составляющих (О3, N02, Н2О и О4), по данным наземных измерений 5 июля 2004 г. на восходе Солнца (зенитный угол ~90°), в условиях повышенной влажности: а - измеренная оптическая толща; б - оптическая толща, рассчитанная для восстановленого наклонного содержания.
(03, К02, Н20 и 04), наблюдаемые в наземных измерениях 5 июля 2004 г. на восходе Солнца (зенитный угол ~90°), в условиях повышенной влажности, представлены на рис. 1. Для каждой из четырех компонент здесь изображен соответствующий им вклад в спектральную оптическую толщу - в данных измерений и рассчитанный для восстановленного наклонного содержания. Как видно из рис. 1, оптические толщи Н20 и 04 (<0.025) почти на порядок меньше соответствующих величин для озона (до 0.2) и в несколько раз - для К02 (до 0.055). Вместе с тем, погрешности метода, характеризуемые шумом кривой измерений (~0.002) достаточно малы, что позволяет уверенно выявлять характерные спектральные особенности всех газов и разделять их вклад в поглощение.
Система из N уравнений (2) для большого числа длин волн относительно хг решается методом наименьших квадратов с использованием оптической модели измерений, в которую включены следующие составляющие:
- коэффициент
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.