ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2007, том 43, № 5, с. 651-663
УДК 551.510.41
ВРЕМЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА И МЕТАНА В ГОРОДСКИХ УСЛОВИЯХ
© 2007 г. А. А. Виноградова, Е. И. Федорова, И. Б. Беликов, А. С. Гинзбург, Н. Ф. Еланский,
А. И. Скороход
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: gin@ifaran.ru Поступила в редакцию 14.09.2006 г., после доработки 20.12.2006 г.
Исследованы временны е изменения приземных концентраций двух парниковых газов (углекислого газа и метана) в атмосфере большого города по данным наблюдений за 2003-2005 гг. на московской станции экологического мониторинга, созданной на базе передвижной обсерватории TROICA на территории метеостанции географического факультета МГУ на Воробьевых горах. Предложена методика выделения "фоновых" концентраций парниковых газов в городских условиях и выполнена оценка превышения концентраций CO2 и СН4 над "фоновыми" в различные сезоны и время суток. Показано, что концентрации CO2 и СН4 имеют летом значительно более выраженный суточный ход, чем зимой. Проанализированы основные причины временных изменений приземных концентраций CO2 и СН4 в городских условиях и отличия средних концентраций этих парниковых газов в Москве от средних значений на территории России. Показано, что вариации приземных концентраций углекислого газа и метана разных временных масштабов обусловлены различными атмосферными процессами (глобальная циркуляция, мезомасштабные гравитационные волны, приземные инверсии температуры и т.д.).
ВВЕДЕНИЕ
Углекислый газ (С02) и метан (СН4) относятся к наиболее значимым (после водяного пара) "парниковым" составляющим атмосферы. Они способствуют нагреванию воздуха за счет эффективного поглощения ИК-излучения Солнца и, главное, теплового излучения Земли, препятствуя его выходу в космическое пространство. Хотя средняя концентрация метана на несколько порядков меньше, чем концентрация углекислого газа, спектроскопические свойства молекулы метана таковы, что ее климатическое воздействие на атмосферу в 21-25 раз (по разным оценкам) больше, чем молекулы С02 [1].
Наблюдаемое в последние десятилетия повышение среднегодовой приповерхностной температуры воздуха (например, на территории России за XX век - около 1°С [2]), частично связано с ростом в эти годы атмосферного содержания С02 и СН4 в глобальном масштабе [1]. По некоторым данным [3], такое изменение температуры воздуха, в свою очередь, увеличивает интенсивность выделения метана в результате микробиологических процессов (на территории болот, рисовых полей, свалок и т.д.) примерно на 10%. В последние 10-20 лет глобальный мониторинг углекислого газа и метана в атмосфере нашей планеты осуществляется все более активно [1, 2]. Совершенствование модельных расчетов повышает
точность оценок распределения парниковых газов и прогнозов их воздействия на климат Земли в будущем [4-7].
Антропогенные источники углекислого газа (автотранспорт, промышленность, ТЭЦ и др.) и метана (неполное сгорание природного газа и его утечки, канализационные коллекторы, отстойники, свалки, автотранспорт и т.д.) вносят значительный вклад в содержание этих газов в атмосфере в целом [1] и особенно в приземном слое [8, 9]. Пространственное распределение таких источников в глобальном масштабе крайне неоднородно. Выбросы максимальны в местах с наибольшей плотностью населения, т.е. в крупных городах и мегаполисах. Хотя в масштабе Земли площадь таких территорий очень мала, их относительная роль в поставке парниковых газов много больше. Как показано в [9], над крупными городами образуется так называемая "парниковая шапка", воздействующая на прилегающие территории. В результате на территории города и его окрестностей формируется специфический микроклимат, в частности, отличающийся, как правило, повышенной температурой воздуха. Это, несомненно, имеет принципиальное значение для населения и его жизнедеятельности. Заметим, что глобальные климатические модели только начинают включать в свои сценарии мегаполисы как климатически значимые объекты, искажаю-
щие средние сглаженные характеристики климата, которые оценивались ранее.
Таким образом, актуальность и значимость изучения изменчивости концентраций парниковых газов в воздухе крупных городов достаточно очевидна. Однако поскольку ни углекислый газ, ни даже метан не являются токсичными составляющими атмосферы, для них существуют нормативы содержания только в замкнутых бытовых и производственных помещениях [10], и атмосферные концентрации этих газов не определяются регулярно на сети станций экологического мониторинга [11]. Отметим, что метан, в значительных количествах попадающий в атмосферу при добыче, передаче и использовании природного газа, нефти и угля, в последние годы иногда контролируется в воздухе населенных пунктов соответствующими ведомствами [12].
В настоящей работе приводятся экспериментальные данные о концентрациях углекислого газа и метана в приземном воздухе г. Москвы, а также результаты анализа этих данных с целью выявления временны х вариаций и факторов изменчивости содержания парниковых газов в условиях активной антропогенной деятельности в одном из крупнейших городов и промышленных центров мира.
Важность данной проблемы определяют стоящие перед Москвой как субъектом Российской Федерации задачи в связи с поддержкой Россией Киотского протокола к Рамочной конвенции ООН по изменению климата [13]. Особенностью экономики Москвы является ее высокая энергоемкость, которая сопряжена с большими объемами выбросов парниковых газов. Это определяет наличие в Москве широкого поля для реализации политики энергосбережения, в связи с чем хозяйствующие субъекты Москвы получают реальную возможность воспользоваться экономическими выгодами, предусмотренными механизмами Киотского протокола [13, 14]. Кроме того, "Целевая среднесрочная экологическая программа города Москвы на 2006-2008 годы" предусматривает создание технологии и методологии оценки источников выбросов и стоков парниковых газов на территории Москвы. Результаты данной работы могут быть использованы для достижения поставленных Правительством Москвы задач в этой области.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Концентрации С02 и СН4 регистрировались в Москве на экологической станции (организованной совместно МГУ им. М.В. Ломоносова и Институтом физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН), расположенной вблизи Ботанического са-
да МГУ. Этот район города относится к достаточно чистым, пункт наблюдений удален от крупных промышленных зон и предприятий. Основными ближайшими антропогенными источниками изучаемых газов можно считать автомобильный транспорт на крупных магистралях, расположенных с запада, юга и востока, выбросы Химического, Физического и Биологического факультетов, а также возможные утечки метана из очистных сооружений Университета и близлежащих газохранилищ.
Для измерения концентрации диоксида углерода применялся газоанализатор Ы6262 производства компании Ы-С0Я (США), а концентрации метана - газовый хроматограф SЫmadzu ОС8А (Япония) (описание приборов и принципы работы см. [15]). Калибровка приборов осуществлялась с помощью стандартных газовых смесей, предоставленных Институтом химии Макса Планка (Германия) и Лабораторией мониторинга и диагностики климата Национальной Администрации по атмосфере и океану США.
Измерения концентраций рассматриваемых газов проводились круглосуточно, результаты фиксировались каждые десять минут, аппаратура была полностью автоматизирована. Контроль работы приборов и считывание данных этой станции осуществляется через сеть Интернет.
В данной статье приведены результаты анализа данных о приземных концентрациях С02 и СН4 за период с января 2003 г. по июнь 2005 г.
"ФОНОВЫЕ" КОНЦЕНТРАЦИИ
ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ В ГОРОДСКИХ УСЛОВИЯХ
Естественно, что в городских условиях вблизи интенсивных источников газовых примесей и в отсутствие достаточных площадей зеленых насаждений для стока этих примесей циклы жизни парниковых газов в атмосфере могут существенно отличаться от природных фоновых условий. Тем не менее средние концентрации углекислого газа в Москве по данным наблюдений в 2003-2005 гг. близки к аналогичным средним данным, полученным в ходе экспедиций ТЯ01СА на территории России в последнее десятилетие [15]. Различие в средних концентрациях метана более значительно, но и оно не существенно превышает точность измерения средних величин.
В этой ситуации особенно важно выделить "фоновые" или, точнее, минимальные концентрации газовых составляющих в городской атмосфере. Регулярные наблюдения в течение 2003-2005 гг. показывают, что примерно в 80 % случаев концентрации С02 и СН4 близки к минимальным значениям для соответствующего сезона и времени суток. Существенные отличия от этих минимальных зна-
Январь 2004 г.
_|_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_1_
Концентрация CO2, ppm 470
460
450
440
430
420
410
400
390
380 470
460
450
440
430
420
410
400
390
380 _1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_L
0 1:40 3:20 5:00 6:40 8:20 10:00 11:40 13:20 15:00 16:40 18:20 20:00 21:40 23:20 0:50 2:30 4:10 5:50 7:30 9:10 10:50 12:30 14:10 15:50 17:30 19:10 20:50 22:30
Время, ч: мин
Январь 2005 г.
Рис. 1. Разброс приземной концентрации СО2 в разные дни января.
чений наблюдаются менее чем в 20% случаев. Аналогичная картина наблюдалась и во время экспедиций TROICA по Транссибирской магистрали [15], а также в г. Обнинске [16].
Для исследования влияния существенных выбросов CO2 и CH4 в городскую атмосферу и метеорологических ситуаций на приземную концентрацию этих газов авторы предлагают использовать в качестве городского "фонового" значения среднее по 80% минимальных значений концентрации газовой примеси.
Так, например, в январе такие минимальные концентрации углекислого газа в Москве за 20032005 гг. составляют ~385-395 ppm, а в июле ~360-
370 ррт (рис. 1 и 2), что очень близко к фоновым значениям этих же величин, зарегистрированным приблизительно на тех же широтах в менее населенных р
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.