CC BY
69
УДК 551.576.3
Ю.И. Молородов
ИВТ СО РАН, Новосибирск
К.П. Куценогий
ИХКиГ СО РАН, Новосибирск
АТЛАС ПО АТМОСФЕРНЫМ АЭРОЗОЛЯМ СИБИРИ КАК ОСНОВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ МОНИТОРИНГА СИБИРСКОГО РЕГИОНА1
В течение последних 15 лет специалисты институтов СО РАН: ИХКиГ, ИНХ, ЛИН, ИВЭП, Новосибирского, Кемеровского, Красноярского и Томского научных центров проводили регулярные измерения характеристик атмосферы. Мониторинг проводился на территории Западной и Восточной Сибири, Алтайского и Красноярского краев и Арктического бассейна России. К настоящему времени накоплена обширная информация о:
- Массовой концентрации и химическом составе атмосферных аэрозолей; спектре размеров аэрозолей; аэрозольном светорассеяние;
- Концентрации ядер конденсации (г<=0.1 мкм); спектре размеров аэрозольных частиц (0.1 <= г <= 10 мкм).
Эти данные существенно расширили и во многом изменили существующие представления о техногенном влиянии индустриальных центров на окружающую среду региона.Проведение комплексного газоаэрологического мониторинга и сегодня является актуальной задачей. В последние десятилетие бурно развиваются гетерогенная физика и химия атмосферы. Эти исследования тесно связаны с решением проблем:
- Природы фотохимического смога, обусловленного эмиссией химически активных газовых примесей от естественных и антропогенных источников;
- Газо-аэрозольных выбросов при лесных пожарах и от крупных промышленных центров;
- Природы почвенно-эрозионные процессов;
- Процессов переносов примесей атмосферными течениями на региональном и глобальном уровнях с учетом их химической трансформации и взаимодействия с разнообразной подстилающей поверхностью;
- Влияния газо-аэрозольных примесей на качество окружающей среды;
- Роли различных биохимических циклов в биосфере;
- Оценки уровней загрязнения атмосферы, гидросферы, почвы и растительности;
- Влияния загрязнения на разнообразные атмосферные процессы;
- Последствий изменения климата локального, регионального и глобального масштабов;
- Влияния атмосферных аэрозолей на здоровье человека и животных.
Успешное решение всего комплекса проблем во многом определяется
современным развитием системы комплексного мониторинга, который
1 Исследования поддержаны интеграционным проектом СО РАН № 169.
подразумевает пространственно-временные сопряженные наблюдения наземного и аэрокосмического базирования. Очевидно, что этот громадный объем информации невозможно эффективно и рационально использовать без развития современных информационных систем.
В то же время для проведения долговременного комплексного мониторинга достаточно больших территорий и обеспечения работы с полученными данными групп ученых, работающих в различных организациях, необходимо создание специализированных информационных систем, позволяющих обеспечить возможность долговременного хранения данных и максимально упростить и стандартизировать систему доступа и работы с ними. Подобная система должна обеспечивать согласованную выборку и обработку данных, полученных из различных источников. Система хранения и доступа к данным должна обеспечивать возможность работы с данными как локальных, так и удаленных пользователей. В использовании результатов газо-аэрологического мониторинга заинтересованы также специалисты, работающие в области экологии и организации системы мониторинга окружающей среды.
Характеристики атмосферных аэрозолей
Свойства АА определяются спектром размеров, концентрацией, химическим составом и структурой частиц. Диапазон размеров АА охватывает 5 порядков величины. Концентраций - более 10 порядков. Чрезвычайно сложен их химический состав. Огромна пространственновременная изменчивость характеристик АА.
Атмосферный аэрозоль (АА) - многокомпонентная система различного химического, фазового и дисперсного состава. Характеристики АА изменяются во времени и пространстве в пределах многих порядков. Динамика изменения сильно зависит от разнообразия почвенноклиматических зон. Для определения закономерностей пространственновременной изменчивости характеристик атмосферных аэрозолей в различных почвенно-климатических регионах Сибири и Арктического бассейна России организована система комплексного мониторинга [3-5]. Наземные пункты наблюдений в каждой почвенно-климатической зоне располагаются на территориях с различным уровнем техногенной нагрузки: слабой (фоновой), умеренной и сильной. Организована система отбора проб аэрозолей в различные сезоны года (зима, весна, лето, осень) с разделением на различные размерные фракции, в которых измеряется химический состав (элементный, ионный, углеродный).
Элементный состав аэрозоля включает в себя отдельные химические элементы, такие как, например, Са, Вг, К и т.д. (в настоящее время имеющиеся методики и аппаратура позволяют определить до 30 элементов). В ионном составе определяют катионы (МН4+, К+, Н+, №+) и анионы (НСО3-, С1-, Б-, N03-). Углеродный состав характеризуется содержанием органического и неорганического углерода. По общей массовой концентрации аэрозоля рассчитываются и другие характеристики: относительные концентрации различных компонент и их массовые доли.
Определение различных характеристик атмосферных аэрозолей и их пространственно-временной изменчивости необходимо для выяснения закономерностей, описывающих различные физические и химические атмосферные процессы. Известно, что атмосферные аэрозоли определяют оптические свойства атмосферы, процессы тумано- и облакообразования, осадки. Они оказывают существенное влияние на процессы тепло- и массообмена в атмосфере, климат и качество окружающей среды [6, 7]. Кроме наземных наблюдений, в настоящее время совместно с Институтом космических исследований РАН (г. Москва) начались работы по использованию спутниковой информации. Исследования в Арктическом бассейне России проводятся совместно с Институтом океанологии РАН (г. Москва) [8, 9]. Использование цифровой стереофотограмметрии и ГИС-технологий для исследования атмосферных аэрозолей проводится совместно с Сибирской государственной геодезической академией (www.kinetics.nsc.ru/lite/index.htm).
На сегодняшний день существует ряд информационных систем, предназначенных для решения различных задач из области наук об окружающей среде и экологии: HYSPLIT (http://www.arl.noaa.gov/ready/ hysplit4.html) - обширная база данных наблюдений, позволяющая определить перенос воздушных масс за определенный период времени; GISS (http://www.giss.nasa.gov/data/rsp_air/) комбинирует и сравнивает результаты набора данных космических наблюдений с глобальными моделями атмосферы, земной поверхности и океанических процессов; PANGAEA (www.pangea.de) - библиотека данных и публикаций в области геофизики; мультимедийный информационный ресурс, открывающий интерактивный доступ к собранной информации по оценке влияния атмосферных примесей на окружающую среду (http://www.ess.co.at/AIR-EIA). Аналогичным примером такой системы можно назвать научный портал для атмосферных наук
- ATMOS (http://atmos.iao.ru), который представляет собой интегрированный набор множества распределенных, но координируемых предметных сайтов, содержащих типовую мультимедийную информацию с исследовательскими базами данных, моделями и аналитическим инструментарием для прямого использования и визуализации. Перед проектом «Аэрозоли Сибири» поставлен особый круг задач, не решенный вышеперечисленными системами. Это послужило основанием для создания новой информационно -вычислительной системы «Атмосферные аэрозоли Сибири».
Науки об окружающей среде в значительной степени используют огромные массивы данных, и одна из ключевых задач информатизации этих наук состоит в организации коллективной работы с архивами данных. С развитием Интернет - технологий появилась возможность по-новому организовывать хранилища данных и доступ к ним [1-2].
Информационно-вычислительная система
ИВТ совместно с ИХКиГ СО РАН создал информационную модель и построил структуру метаданных на основе обобщенного подхода для формирования и заполнения файлов входных данных, включая их
унификацию и связи для электронного атласа «Атмосферные аэрозоли Сибири». Информационно-вычислительная система Атлас «Атмосферные аэрозоли Сибири» доступна по адресу: http://web.ict.nsc.ru/aerosol/. Выделим основные функциональные характеристики системы:
1. Хранилище предусматривает все аспекты управления данными:
добавление / редактирование, авторизация пользователей и разграничение доступа к различным информационным структурам, возможность гибкого изменения информационной модели хранилища; реализован сервис импортирования данных.
2. Система предусматривает отображение хранимых данных и получаемых результатов, включая табличное и графическое представление (рис. 1).
3. Реализован подсчет наиболее значимых характеристик покомпонентного химического состава аэрозолей, необходимых для многоцелевого анализа и обработки данных.
4. Реализован алгоритм, приводящий следующие характеристики к виду стандартного распределения по размерам: счетную полную, массовую полную, субмикронную концентрации аэрозоля и концентрацию крупных частиц. По данным характеристикам восстанавливается функция - спектр размеров, имеющая нормальное распределение (рис. 2).
5. Web- интерфейс Атласа полностью поддерживаются двух языка: русский и английский
В системе имеет место разграничение доступа пользователей. Среди них можно выделить:
1. Обычный пользователь- посетитель сайта системы, имеет самый ограниченный набор прав доступа;
2. Администратор - автор, создатель коллекций; имеет право на управление собственными коллекциями и теми коллекциями, к которым он имеет доступ;
3. Суперпользователь - может регистрировать в системе других пользователей, выполнять любые действия с любыми коллекциями, в том числе назначать права доступа.
Рис. 1
На рис. 1 приведен фрагмент представления экспериментальных данных и обработки этих результатов в описанной выше БД «Атлас “Атмосферные аэрозоли Сибири”».
В работе описаны принципы создания информационных моделей для разработки информационных систем в области естествознания. Разработаны и реализованы подходы к интеграции разнородных информационных массивов из выбранной предметной области. Работа направлена на обеспечение максимально полной формализации и связывания информации о различных параметрах атмосферных аэрозолях, что актуально для исследований в экологии. Разработаны структуры данных, механизмы поддержки объектов главного словаря системы; поддержка нестандартных типов данных, механизмов создания иерархических коллекций, создан удобный для пользователей интерфейс. Разработанная система предоставляет пользователю способ формировать электронные коллекции аэрозолей, создавать и оперировать объектами главного словаря системы, осуществлять контроль доступа к информации через разнообразные режимы доступа к данным, обеспечивая доступ через Интернет.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Куценогий К.П., Куценогий П.К., Молородов Ю.И., Федотов А.М. Разработка структуры метаданных по атмосферным аэрозолям на основе информационной модели. Вычислительные технологии.-2004, т.9 Ч. 2, с. 25 - 33
2. Куценогий К.П., Молородов Ю.И. Методология разработки распределённой информационной среды по атмосферным аэрозолям Сибири. Тезисы докладов XI рабочей группы «Аэрозоли Сибири». Томск, 2004, с. 8.
3. Куценогий К.П., Куценогий П.К. Мониторинг химического и дисперсного состава атмосферных аэрозолей в Сибири. Химия в интересах устойчивого развития. 1997, т. 5, с. 457 - 471.
4. Куценогий К.П., Куценогий П.К. Аэрозоли Сибири. Итоги семилетних исследований. Сибирский экологический журнал. 2001, т. VII, N1, с. 11 - 20.
5. Куценогий К.П., Куценогий П.К. Комплексный мониторинг атмосферных аэрозолей Сибири. В кн. Ж Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. Том XIX. 2003, с. 256 - 293.
6. Scinfeld J.H., Pandis S.H. Atmospheric chemistry and physics. From Air Pollution to Climate Change. 1998, John Wiley&Sons Inc., 1326 p.
7. Аэрозоли и климат. 1991, под. ред. К.Я. Кондратьева, Л., Гидрометеоиздат. 541
с.
8. Koutzenogii K.P., Shevchenko V.P., Lisitzin A.P. et. al. The chemical composition of atmospheric aerosols at the Kartesh biostation (the White Sea) / Seventh Workshop on Land Ocean Interactions in the Russian Arctic, LOIRA project / 2004, Moscow, p. 65 - 66.
9. Koutzenogii P.K., Bizin M.A., Shevchenko V.P., Lisitzin A.P. Identification of the sources of submicron fraction of atmospheric aerosol by temporal variability of its mass concentration. Ibid., p. 63 - 64.
© Ю.И. Молородов, К.П. Куценогий, 2005
