ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2013, том 49, № 3, с. 298-303
УДК 551.510.41
ВАРИАЦИИ СРЕДНЕГО ПО ВЫСОТЕ ОТНОШЕНИЯ СМЕСИ СО2
ВБЛИЗИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА © 2013 г. А. В. Ракитин*, А. В. Поберовский*, Ю. М. Тимофеев*, М. В. Макарова*, Т. Конвей**
*Санкт-Петербургский государственный университет 198504 Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская, 1 E-mail: tim@troll.spbu.ru **Национальное управление океанических и атмосферных исследований, Научно-исследовательская лаборатория системы Земли, Отдел глобального мониторинга
Боулдер, Бродвей, 325, СО 80305-3337 Поступила в редакцию 30.11.2011 г., после доработки 24.02.2012 г.
Приведены результаты наземных спектроскопических измерений средних по высоте отношений смеси (ОС) СО2 в районе Санкт-Петербурга за период апрель 2009—октябрь 2011 гг. (~900 измерений, 151 день измерений). Данные измерений показали наличие значительных вариаций ОС СО2 вблизи Санкт-Петербурга. Минимальное значение ОС, равное 373.1 ppm, наблюдалось 27.04.2011 г., максимальное (420.8 ppm) — 10.02.2010 г. В 2009 г. наблюдался типичный сезонный ход ОС СО2 с минимумом в летние месяцы. В июле 2010 и 2011 гг. наблюдались повышенные значения ОС СО2, вероятно, обусловленные высокими температурами. В 2010 г. дополнительный вклад в увеличение ОС СО2 могли внести мощные природные пожары.
Ключевые слова: состав атмосферы, отношение смеси CO2, ИК Фурье-спектроскопия. DOI: 10.7868/S0002351513030127
ВВЕДЕНИЕ
Углекислый газ является важнейшим антропогенным парниковым газом, рост содержания которого ответствен примерно за 80% радиационного возмущения в земной атмосфере. Сжигание ископаемого топлива, такого как уголь, нефть и природный газ, а также автомобильный транспорт являются основными причинами эмиссии антропогенного CO2. С уровня концентрации 280 ppm в предындустриальную эпоху его среднее отношение смеси (ОС) увеличилось до ~390 ppm в 2011 г. [1]. Годовой рост в 2000—2009 гг. составлял ~2 ppm/год. Отметим, что за последние 40 лет наблюдается увеличение этой скорости роста.
Регулярные измерения содержания СО2 начались в 1958 г. на станции Мауна-Лоа [2]. В настоящее время регулярные измерения СО2 проводятся на международных наземных сетях локальных и дистанционных измерений, с помощью самолетов и судов, а также с помощью спутниковых измерений различного типа (приборы надирного зондирования - AIRS, SCIAMACHY, IASI, GOSAT приборы лимбового зондирования — ATMOS, CRISTA, TES, ACE и т.д.).
Одним из наземных методов измерений общего содержания СО2 является метод солнечной аб-
сорбционной спектроскопии (спектроскопический метод). Этот метод используется с 1980 г. на научной станции Иссык-Куль учеными России и Киргизии. Подробный анализ результатов этих исследований приведен, например, в работах [3, 4]. В этих работах проанализированы среднедневные и среднемесячные значения средних по высоте относительных объемных концентраций (отношений смеси), амплитуды сезонных вариаций, долговременные тренды, функции распределения и т.д. Спектроскопические измерения ОС СО2 проводятся также в Научно-производственное объединение "Тайфун" (Обнинск) [5], проводились в Москве и Звенигороде [6, 7]. Данные о содержании СО2 над Москвой за 35-летний период приведены в работе [8].
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
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, 20 м над ур. моря) проводятся наземные измерения ИК-спектров прямого солнечного излучения с помощью спектрального комплекса на основе Фу-
рье-спектрометра высокого спектрального разрешения Bruker IFS-125 HR [9].
Определение общего содержания CO2 (мо-лек/см2) производилось с использованием программного обеспечения SFIT v3.92, разработанного коллективом авторов [11] для сети станций NDACC (Network for the Detection of Atmospheric Composition Change). Входной информацией для SFIT v3.92 являются: спектры солнечного излучения; стандартные профили отношения смеси атмосферных газов (модель WACCM [12]), использующиеся в качестве начального приближения и их априорные вариации; давление и профиль температуры для станции наблюдений (данные радиозондирования, проводимого Главной геофизической обсерваторией в поселке Во-ейково, около 50 км от Старого Петергофа) [13]. Априорные относительные вариации отношений смеси СО2 задавались в нижней тропосфере в 5%, а выше — 3%.
На основе анализа данных атласа [10] и численного анализа погрешностей решения обратной задачи для определения общего содержания СО2 был выбран спектральный интервал 2626.32627.0 см-1. В качестве источника информации о параметрах тонкой структуры линий молекулярного поглощения использовалась спектроскопическая база данных HITRAN 2004 [14]. На рис. 1 представлено сравнение измеренного (12 мая 2010 г.) и рассчитанного (SFIT v3.92) спектров прямого солнечного излучения в интервале 2626.3-2627.0 см-1, а также разница между этими спектрами. Как правило, разности между измеренными и рассчитанными спектрами не превышали 0.2-0.4%, что согласуется со значениями отношения сигнал/шум, составляющими 160550 для измеряемой спектральной области. Одновременно с общим содержанием СО2 определялись также содержания CH4 и HDO (их спектральные линии также присутствуют в выбранном интервале). Случайные погрешности единичного измерения содержания CO2, полученные на основе расчетов матрицы ошибок метода оптимального оценивания (реализованного в SFIT v3.92), не превышали 1 % (~4 ppm). При переходе от значений общего содержания СО2 к средним по высоте отношениям смеси СО2 использовались данные радиозондирования.
Измерения ИК-спектров прямого солнечного излучения проводились при ясном небе или в разрывах облачности, достаточных для регистрации интерферограммы. Всего в период с апреля 2009 по октябрь 2011 гг. было получено около 900 спектров. В течение дня обычно регистрировалось несколько (как правило, не более 4) серий спектров, временной промежуток между сериями обычно составлял 1.5-2 часа. При этом одна серия вклю-
|3-
о о я <ч Я о Я
В
Я
я «
се Я л
ч
в
я
о
О £
О
0.004 0.002 0
-0.002 -0.004
— Расчет + 0.05
0.70
2626.4
2626.6
2626.8
Волновое число [см 1]
2627.0
Рис. 1. Сравнения измеренных и рассчитанных (после решения обратной задачи) спектров солнечного излучения в спектральном интервале 2626.3—2627.0 см-1. Вверху — разность спектров.
чает в себя три спектра, каждый из которых получен по 10 интерферограммам. Стабильность значений ОС СО2, получаемых для различных серий, а также внутри одной серии, служили критерием стабильности работы аппаратуры и состояния атмосферы в течение дня. На этом этапе из анализа были исключены серии и отдельные дни измерений с большими вариациями ОС СО2 (более 2.5%), которые предполагается анализировать в дальнейшем с привлечением дополнительной информации. В условиях стабильного состояния атмосферы вариации отношения смеси СО2 в сериях и в течение дня, как правило, не превышали 1%.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ И АНАЛИЗ
Данные по ОС углекислого газа включают в себя 151 день измерений, из которых на 2009 г. приходится 45 дней, на 2010 — 42 дня и на 2011 — 64 дня. На рис. 2 для всего периода измерений представлены среднедневные значения ОС С02 и их погрешности, которые также являются характеристикой изменчивости С02 в течение дня. Так, для всего анализируемого ряда относительные значения дневной изменчивости менялись от 0.1 до 2.2%, при среднем значении 0.7%.
2009 год. Максимальные значения наблюдались в апреле (400.7—401.6 ррт) и мае (398.6 ррт), а с середины мая началось их падение. Относительно низкие значения ОС наблюдались с конца
300
РАКИТИН и др.
410
Е 400 л
Л О
и
390
380
370
+
„|, Среднедневные OC CO2 ф Ф Среднемесячные ОС СО2 Среднемесячные ПК CO2
G-Q--0
(станция Baltic Sea)
-L í
0
jO
O +
"O-©
2009
2010
2011
Рис. 2. Среднедневные значения ОС СО2 вблизи Санкт-Петербурга, сравнение среднемесячных значений ОС СО2 вблизи Санкт-Петербурга и ПК СО2 для станции NOAA/ESRL Baltic Sea.
мая до начала ноября — в диапазоне значений 376.6—384.1 ppm. Выявлены значительные вариации в сентябре—ноябре 2009 г. с минимальными значениями -376—378 ppm.
2010 год. В феврале 2010 г. наблюдались экстремально высокие значения ОС СО2 (-417—420 ppm) в сочетании с большими вариациями, достигавшими 40 ppm (причины таких изменений будут исследованы в дальнейшем). Высокие значения ОС СО2 в диапазоне 394—397 ppm также отмечались в апреле—мае 2010 г. Минимальные значения ОС СО2 для 2010 г. составили -387 ppm и были зарегистрированы в июне.
2011 год. В марте—июне 2011 г. наблюдались относительно высокие ОС, достигавшие значений 398.0 ppm. При этом зарегистрированы отдельные резкие падения значения ОС до уровня -373-375 ppm (27.04.2011 и 05.2011 соответ-
ственно). Только в августе отмечались значения ОС ниже 390.0 ppm с минимумом в 384.8 ppm (05.08.2011).
Анализ сезонных изменений ОС СО2. Анализ среднемесячных значений ОС СО2 целесообразно проводить только для месяцев, когда было не менее трех дней измерений, что обычно имеет место для теплого периода (весна—осень). В таблице приведены среднемесячные значения (с апреля по сентябрь) с указанием вариаций ОС (А) и числа измерений в месяц (N). На рис. 2 представлено сравнение среднемесячных значений ОС СО2, соответствующих таблице, и приземных концентраций (ПК) СО2 для станции Baltic Sea (ближайшая к Санкт-Петербургу станция NOAA/ESRL регионального мониторинга приземных концентраций СО2; 55.35° N, 17.22° E, 28 м над ур. моря) [15].
Среднемесячные значения ОС СО2
Год/месяц 2009 А N 2010 А N 2011 А N
Апрель 397.0 14.6 9 393.4 10.5 9 390.7 6.7 11
Май 390.5 8.2 7 395.7 4.8 7 391.3 8.7 10
Июнь 389.3 3.9 6 390.8 6.2 7 392.8 12.6 13
Июль 387.6 11.3 9 395.9 7.1 9 393.6 11.4 12
Август 387.0 5.0 6 - - - 388.3 10.9 10
Сентябрь 389.0 8.8 3 - - - 390.1 2.6 4
В 2009 г. по нашим измерениям прослеживается часть сезонного хода ОС СО2 с характерным для СО2 уменьшением значений от весны к лету [4, 16]. Разница между максимальными апрел
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.