CC BY
66
21. Gladkochub D.P., Wingate M.T.D., Pisarevsky S.A., Don- for a Neoproterozoic connection with Laurentia // Precambrian skaya T.V., Mazukabzov A.M., Ponomarchuk V.A., Stanevich Research, 2006. V. 147. P. 260-278. A.M. Mafic intrusions in southwestern Siberia and implications
УДК 551.510.41
ДИНАМИКА АТМОСФЕРНОГО ОЗОНА В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОГОРЬЯ
1 л 4
© В.Л. Потемкин1, Т.Г. Потемкина2, Е.А. Гусева3
12
, Лимнологический институт СО РАН, 664033, Россия, г. Иркутск, ул. Улан-Баторская, 3. 3Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрены результаты длительных синхронных наблюдений за концентрацией приземного озона и метеорологическими условиями в горном районе Восточного Саяна с высоким временным разрешением (минуты). Установлено, что изменчивость озона в пограничном слое определяется сложным рельефом и зависит от динамических процессов в атмосфере. С помощью корреляционного анализа рядов наблюдений исследованы взаимосвязи между величинами, высказаны гипотезы о возможных механизмах их взаимодействия. Установлено, что годовой максимум приземной концентрации озона наступает на полтора месяца позже максимума общего содержания озона в атмосфере. Оценена скорость осаждения озона из стратосферы (около 1 см/с). Приведен осредненный годовой ход рассматриваемых характеристик.
Ключевые слова: приземный озон; стратосферный озон; концентрация озона в воздухе; Восточный Саян; мониторинг газов.
ATMOSPHERIC OZONE DYNAMICS IN HIGHLAND V.L. Potemkin, T.G. Potemkina, E.A.Guseva
Limnological Institute SB RAS, 3 Ulan-Batorskaya St., Irkutsk, 664033, Russia. National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article examines the results of long-term synchronous observations of ground-level ozone concentration and meteorological conditions in the mountain area of Eastern Sayan with high temporal resolution (minutes). It is found that ozone variation in the boundary layer is determined by a complex relief and depends on dynamic atmospheric processes. The correlation analysis of series of observations has been used to study the relationships between the values. Hypotheses on their possible interaction mechanisms are put forward. It is discovered that the annual maximum of ground-level ozone concentration comes six weeks later than the maximum of total ozone content in the atmosphere. The deposition velocity of stratospheric ozone is estimated (about 1 cm/s). An average annual variation of the characteristics under investigation is given.
Keywords: ground-level ozone; stratospheric ozone; ozone concentration in the air; East Sayan; gas monitoring.
Парниковые газы и атмосферный аэрозоль признаются одними из наиболее важных факторов изменчивости климата Земли, поэтому любые дополнительные экспериментальные данные о межгодовой изменчивости концентраций этих газов в разных районах мира всегда будут представлять большой интерес. Имеющиеся к настоящему времени длинные ряды наблюдений за газами в ряде удаленных фоновых районов мира немногочисленны. Сибирь в этом отно-
шении пока вообще остается «белым пятном». Одним из наиболее подходящих районов для такого мониторинга на юге Сибири является район астрономической обсерватории Института солнечно-земной физики СО РАН в пос. Монды (рис. 1). Этот район практически не испытывает антропогенного влияния локальных и региональных источников и может характеризовать межгодовую изменчивость глобального фона парниковых газов. На этой станции сотрудниками Лимнологическо-
1 Потемкин Владимир Львович, кандидат географических наук, старший научный сотрудник лаборатории гидрохимии и химии атмосферы, тел.: (3952) 426502, e-mail: klimat@lin.irk.ru
Potemkin Vladimir, Candidate of Geography, Senior Researcher of the Laboratory of Hydrochemistry and Atmospheric Chemistry, tel.: (3952) 426502, e-mail: klimat@lin.irk.ru
2Потемкина Татьяна Гавриловна, кандидат географических наук, старший научный сотрудник лаборатории гидрохимии и химии атмосферы, тел.: (3952) 426502, e-mail: tat_pot@lin.irk.ru
Potemkina Tatiana, Candidate of Geography, Senior Researcher of the Laboratory of Hydrochemistry and Atmospheric Chemistry, tel.: (3952) 426502, e-mail: tat_pot@lin.irk.ru
3Гусева Елена Александровна, кандидат технических наук, доцент кафедры машиностроительных технологий и материалов, тел.: (3952) 405147, e-mail: el.guseva@rambler.ru
Guseva Elena, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Machine-building Technologies and Materials, tel.: (3952) 405147, e-mail: el.guseva@rambler.ru
Рис. 1. Расположение озонометрической станции наблюдений (обсерватории)
го института уже более пятнадцати лет в рамках международной программы «Сеть станций мониторинга кислотных выпадений в Восточной Азии» (Acid Deposition Monitoring Network in East Asia - EANET) ведется мониторинг некоторых газов, обладающих, в том числе, парниковыми свойствами: O3, NH3, SO2. Это позволяет сравнить полученные данные с данными по другим регионам мира и выявить особенности в межгодовой изменчивости концентрации парниковых газов в Сибири.
Вопрос тропосферного озона пока не выходит за рамки городских проблем. В отличие от стратосферного озона концентрации озона вблизи земной поверхности возрастают со скоростью 1-2% в год. Для приземной концентрации озона (ПКО) характерна большая пространственная и временная изменчивость. Если для городских условий рост и сток озона связаны с местными загрязнителями, то для фоновых районов на передний план выходят естественные причины. Несмотря на большой массив имеющихся данных, причины изменчивости ПКО остаются неясными. Организация станции мониторинга вызвана необходимостью прояснить суточную и сезонную динамику газовых и аэрозольных компонент в фоновых условиях континентального климата, что проявляется в разных компонентах природной среды [1-5].
Изучение малых газовых составляющих атмосферы дает важную информацию для моделирования и предсказания будущего состояния земной климатической системы. Озон представляет интерес и с биологической точки зрения из-за своей высокой токсичности и химической активности [6].
Величина общего содержания озона (ОСО) в вертикальном столбе воздуха - это основная характеристика атмосферного озона. C началом активного использования аппаратуры для измерения ОСО, установленной на искусственных спутниках Земли, появилась возможность не только локального измерения,
как в случаях с обсерваториями, но и глобального покрытия всей поверхности земного шара. Данные об ОСО систематически публикуются, доступны всем ученым и проработаны в литературе довольно подробно. Основным материалом, использованным в настоящей работе, являются данные, полученные со спутников Nimbus-7, Meteor-3 (NASA [7]). Для широты и долготы ст. Монды (52° северной широты, 101° восточной долготы) была произведена выборка суточных значений ОСО для восстановления рядов с ноября 1996 г. по декабрь 2013 г., длина ряда составила 17 лет. Для исследования структуры ряда были использованы статистические функции сглаживания и линейной корреляции.
Географическое положение станции
Озонометрическая станция расположена на территории Саянской солнечной обсерватории Института солнечно-земной физики СО РАН в пос. Монды (Тун-кинская котловина, Восточный Саян, высота над уровнем моря - 2005 м). Ближайшие населенные пункты расположены в долине в нескольких десятках километров от станции, от крупных промышленных центров (Иркутск, Байкальск) станция удалена более чем на 300 км и закрыта хребтами Хамар-Дабан и Восточный Саян. Снабжается промышленным электричеством, каких-либо существенных собственных источников загрязнения атмосферы не имеет.
Измерения озона в приземном слое атмосферы проводились с помощью озонометра 1006-AHJ с одноминутным осреднением. Погрешности приборов не превышают 10%. Одновременно проводилась запись атмосферного давления и температуры воздуха в помещении, где находились приборы. Регистрация замеров полностью автоматизирована и производится на компьютере.
В горных районах формируется особый тип климата, называемый горным, что связано с существенным влиянием высоты места на распределение ме-
теорологических характеристик. Горные области влияют на поле ветра в пограничном слое тропосферы, возмущая поток и способствуя развитию местной циркуляции. В районе обсерватории благодаря более интенсивной турбулентности средние скорости выше, чем в долине, и наибольших различий (2-3 м/с) достигают в холодный период года при ослабленной горнодолинной циркуляции. В сезонном отношении наибольшие вариации приходятся на период усиления и разрушения Азиатского максимума атмосферного давления, при господстве которого резко возрастает повторяемость южного ветра. В переходные сезоны при перестройке барического поля увеличивается повторяемость северного ветра.
Суточный ход приземной концентрации озона
По суточным данным ПКО была построена среднесуточная динамика для центральных месяцев каждого сезона. Во всех случаях минимальные концентрации наблюдаются в ночные и утренние часы, максимальные - в дневные и вечерние. При отсутствии влияния антропогенных источников загрязнения атмосферы суточная изменчивость ПКО обусловлена динамикой слоя перемешивания и формированием температурных инверсий в ночное время. Днем изменчивость ПКО выше, чем в вечернее и ночное время. Помимо фотохимической генерации днем в летнее время, это объясняется более интенсивным прогревом воздуха летом и турбулентным обменом воздушных масс с вышележащими слоями атмосферы, что приводит к увеличению концентрации озона в приземном слое, так как основным источником озона являются верхняя тропосфера и нижняя стратосфера (высота 20-25 км).
Январь. Суточный ход выражен слабо. Наличие снежного покрова приводит к сглаживанию суточного хода концентрации озона в приземном слое атмосферы, поскольку на поверхности разрушение идет менее интенсивно по сравнению с таковым на поверхности открытого грунта. Минимум приходится на 9-11 часов утра, максимум - на 19 часов вечера. Суточная изменчивость минимальная, суточная амплитуда составляет всего лишь 0,9 ррЬ (таблица). Фотохимическая генерация озона практически отсутствует.
Апрель. Минимум приходится на 10 часов утра, максимум - на 17 часов, суточная амплитуда составляет 2,2 ррЬ. Повышение суточных концентраций озона связано с общим весенним максимумом ПКО, который приходится на апрель-май.
Июль. Самый ярко выраженный по амплитуде и изменчивости суточный ход в году. Минимум прихо-
дится на 8 часов утра, максимум наблюдается на протяжении 3 часов - с 13 до 16 часов. Суточная амплитуда составляет 5,1 ррЬ. Сдвиг максимума ПКО относительно полдневного максимума солнечной радиации объясняется формированием конвективного обмена воздушных масс во второй половине дня, что приводит к дополнительному поступлению обогащенного озоном воздуха из вышележащих слоев к земной поверхности. Наблюдается самая высокая изменчивость в году.
Октябрь. Минимум приходится на 9 часов утра, максимум - на 16 часов. Суточная амплитуда составляет 2 ррЬ.
Годовой ход приземной концентрации озона
Для исследования годовой динамики приземной концентрации озона был взят ряд наблюдений с 1.11.1996 г. по 20.12.2013 г.
Годовой ход ПКО имеет только один ярко выраженный максимум, приходящийся на конец апреля -начало мая (за исследуемый период время наступления максимума колебалось с 20 апреля по 19 мая). За весь период максимальное значение ПКО было зафиксировано 5.05.2004 г. и составило 82 ррЬ, среднее многолетнее значение максимума составило 58 ррЬ.
В годовом ходе ПКО в отличие от годового хода ОСО четко выраженного минимума не наблюдается. После весеннего максимума следует падение концентрации, продолжающееся до середины лета (рис. 2). Оно следует за понижением ОСО с соответствующим запаздыванием. Затем значение ПКО колеблется около некоторой средней величины без каких-либо четких максимумов или минимумов до конца года. Этот период характеризуется очень высокой суточной изменчивостью. Наименьшее значение ПКО отмечено 26 июля 2002 г., оно составило 19,5 ррЬ (среднее многолетнее - 33 ррЬ).
На рис. 2 для сравнения представлены годовые концентрации озона в Европе и в приполярных широтах. Годовая изменчивость ПКО в регионе Восточного Саяна соответствует динамике, характерной всему Северному полушарию.
Зависимость приземной концентрации озона от его общего содержания в атмосфере
Известно, что максимальная концентрация озона наблюдается на высотах от 20 до 30 км, поэтому можно условно считать, что изменения общего содержания озона во всем столбе атмосферы и есть, в основном, изменения стратосферной концентрации. По существующей гипотезе, основным источником формирования ПКО является стратосферный озон, и между ОСО и ПКО должна существовать связь. Используя
Время наступления минимумов и максимумов среднемноголетнего суточного хода ПКО
и их значения
Месяц Время наступления Значение, ррЬ Суточная амплитуда, ppb
минимума максимума минимальное максимальное
Январь с 9 до 11 ч в 19 ч 38,3 39,2 0,9
Апрель в 10 ч в 17 ч 53,4 55,6 2,2
Июль в 8 ч с 13 до 16 ч 37,8 42,9 5,1
Октябрь в 9 ч в 16 ч 38,2 40,4 2,2
скользящее 30-дневное осреднение (для устранения мелких периодичностей, вызванных в частности синоптическими процессами), был проведен кросскор-реляционный анализ рядов ОСО и ПКО (рис. 3). При сравнении вариаций ОСО и ПКО было определено запаздывание наступления максимумов и минимумов ПКО относительно ОСО, которое колебалось в пределах от 33 до 52 дней, а в среднем составило 42 дня (при 30-дневном осреднении временных рядов суточных значений ПКО и ОСО и лаге запаздывания ПКО относительно ОСО в 42 дня коэффициент корреляции между этими рядами равен 0,78±0,12).
По сезонам низкая межсуточная изменчивость концентрации озона наблюдается в холодное время года, высокая - в теплое время, что связано с темпе-
ратурой и величиной стока над разными поверхностями: снег - 0,02-0,03 см/с, грунт - 0,1-1,0 см/с), а также с взаимодействием озона с биотой, дегазацией разломов, большим количеством грозовых дней [8]. Межсуточная амплитуда колеблется от 0,5-1,0 ррЬ в холодное время (январь) до 5-8 ррЬ в теплое время года (июль).
Другие особенности колебаний ПКО
В значениях ПКО часто отмечаются резкие перемены из-за расположения станции наблюдения в горных условиях с их непредсказуемой метеорологической составляющей. Приведем пример изменения ПКО при смене направления ветра 9 июля 2007 г. (рис. 4).
VI VII месяцы
Рис. 2. Среднемноголетний годовой ход приземной концентрации озона: 1 - на европейских станциях [9-13], 2 - на северных станциях [14, 15], 3 - на станции пос. Монды
ПКО,ррЬ
OCO, е.д.
Рис. 3. Многолетние изменения ОСО (пунктирная линия) и ПКО (сплошная линия)
70
60
50
40
30 --
20
360 300 240 180 120 60 0
ppb
1 1 ,
IMJMI у ж ы ^т^м^шнм!^
1 1' 1 fпгу V"Y т»^ |)1 "1"М "п||| " 1
см со со со
Ю Ю Ю CD CD
СО СО СО О) О)
Рис. 4. Влияние направления ветра (Р1, верхний график, правая ось) на ПКО (нижний график) 9 июля 2007 г., время местное (Н - влажность воздуха; Т - температура воздуха; V - скорость ветра; - направление ветра)
Озонометрическая станция расположена на отроге хребта и отделяет Тункинскую котловину (ориентирована по широте, длина 200 км, средняя ширина около 10 км) на севере (по отношению к станции) от котловины озера Хубсугул (широкая ровная впадина с большими степными склонами, озеро в 15 км) на юге. Перепад высот между станцией и котловинами - 600800 м. В Тункинской котловине находятся такие крупные населенные пункты, как пограничный между Россией и Монголией пос. Монды (население 2500 чел., в
6 км от станции вниз по склону), административный центр Республики Бурятии Кырен (население около 5000 чел., в 60 км к востоку от станции). Котловина озера Хубсугул практически не заселена, за исключением временно располагающихся стойбищ монгольских кочевников. В полуденные часы регистрировался устойчивый ветер юго-западного направления со скоростью 2-4 м/с. Ветер приносил чистый, богатый озоном воздух из котловины озера Хубсугул. В 12 час началось падение атмосферного давления (примерно
7 мб), с севера начали подходить тучи. Около 15 час в течение нескольких минут ветер изменил направление
- сначала северное, затем северо-восточное (то есть стал перемещать воздушные массы от поселка к станции). Скорость ветра оставалась 2-3 м/с. ПКО упала на 10-15 ррЬ. К вечеру температура воздуха начала уменьшаться, а влажность возрастать.
Таким образом, в процессе исследования получены следующие результаты:
1. Анализ годовой вариации ПКО дал максимум концентрации озона в апреле - начале мая, минимум
- в июле - августе. Изменчивость приземной концен-
трации, в отличие от общего содержания, минимальна в холодное время и увеличивается в теплое.
2. Произведенное осреднение и построение суточной динамики ПКО в центральные месяцы сезонов выявили следующие особенности:
- минимальной суточной изменчивостью и амплитудой, равной всего 0,9 ррЬ, обладает суточный ход января;
- максимальная суточная изменчивость наблюдается в июле, амплитуда равна 5 ррЬ;
- суточные вариации апреля и октября приблизительно одинаковы, и их амплитуда составляет около 2 ррЬ.
3. Подтверждена гипотеза о доминирующем воздействии на вариации приземного озона стратосферного озона. Анализ рядов ОСО и ПКО при 30-дневном осреднении рядов и сдвиге ряда ПКО относительно ОСО с лагом 42 дня дал коэффициент корреляции 0,78.
4. Рассмотрен ряд случаев воздействия метеоусловий на приземный озон. Показано, что смена направления ветра и перенос воздушной массы из другого района может привести к резкому повышению или понижению ПКО буквально в течение первых минут. В равнинных условиях таких вариаций не наблюдается.
Работа выполнена в рамках госпрограммы № VIII.76.1.5 «Изменение абиотических и биотических характеристик экосистемы озера Байкал под влиянием природных и антропогенных факторов».
Статья поступила 17.02.2015 г.
45
40
35
30
25
20
1. Длительные наблюдения приземных концентраций озона и окиси углерода в Восточной Сибири / В.Л. Потемкин, О.Г. Нецветаева, Т.В. Ходжер, Н. Акимото, Й. Каджи, Р. По-чанарт // Сибирский экологический журнал. 1999. № 6. С. 601-603.
2. Regional background ozone and carbon monoxide variations in remote Siberia (East Asia) / R. Pochanart, Akimoto H., Kho-dzher T., Kajii Y., Potemkin V. // Journal of Geophysical Research. 2003. V. 108. № D1. 4028. Р. 7-18.
3. Measurements of atmospheric condensation nuclei size distributions in Siberia / V.S. Bashurova, V. Dreiling, T.V. Hodger, R. Jaenicke, K.P. Koutsenogii, P.K. Koutsenogii, М. Kraemer, V.I. Makarov, V.A. Obolkin, V.L. Potjomkin, A.Y. Pusep // Journal of Aerosol Science. 1992. V. 23. № 2. P. 191-199.
4. Потемкина Т.Г., Потемкин В.Л. Сравнительная характеристика речного стока в озера Байкал и Хубсугул // География и природные ресурсы. 2002. № 3. С. 39-43.
5. Потемкин В.Л., Шультайс Э.В. Сезонная динамика концентрации приземного озона над Восточным Саяном // Оптика атмосферы и океана. 2004. Т. 17 (4). С. 317-321.
6. Increasing risk for negative ozone impacts on vegetation in northern Sweden / Р.Е. Karlsson, L. Tang, J. Sundberg, D. Chen, А. Lindskog, Н. Pleijel // Environmental Pollution. 2007. V. 150. P. 96-106.
7. Национальное управление по воздухоплаванию и исследованию космического пространства (National Aeronautics and Space Administration - NASA). Официальный сайт [Электронный ресурс]. URL: ftp://toms.gsfc.nasa.gov/pub/ep-toms/data/
ский список
8. Тимофеева С.С., Латышева И.В., Потемкин В.Л. Динамика грозовой активности и ее влияние на вариации озона в регионе оз. Байкал // Вестник ИрГТУ. 2008. № 2 (34). С. 24-27.
9. Tropospheric ozone in the pre-alpine and alpine regions / S. Sandroni, P. Baci, G. Boffa, U. Pellegrini, A. Ventura // The Science of the Total Environment. 1994. V.156. P. 169-182.
10. Seasonal variability of measured ozone production efficiencies in the lower free troposphere of Central Europe / P. Zanis, A. Ganser, С. Zellweger, S. Henne, М. Steinbacher, J. Staehelin // Atmospheric Chemistry and Physics. 2007. V.7. P. 223-236.
11. A 10-year study of background surface ozone concentrations on the island of Gozo in the Central Mediterranean / М. Saliba, R. Ellul, L. Camilleri, Н. Gusten // Journal of Atmospheric Chemistry. 2008. V. 60. P. 117-135.
12. Cristofanelli P., Bonasoni P. Background ozone in the southern Europe and Mediterranean area: Influence of the transport processes // Environmental Pollution. 2009. V. 157. P. 1399-1406.
13. Ozone, carbon monoxide and nitrogen oxides time series at four alpine GAW mountain stations in central Europe / S. Gilge, C. Plass-Duelmer, W. Fricke, А. Kaiser, L. Ries, В. Buchmann, M. Steinbacher // Atmospheric Chemistry and Physics. 2010. V. 10. P. 12295-12316.
14. Laurila T. Observational study of transport and photochemical formation of ozone over northern Europe // Journal of Ge-ophys. Res. 1999. V. 104. P. 26235-26243.
15. Monks P. A review of the observations and origins of the spring ozone maximum // Atmospheric Environment. 2000. V. 34. P. 3545-3561.
УДК [622.271.1+622.69]:622.271.7
ВЫБОР ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ И ТРАНСПОРТИРОВКИ ПЕСКОВ НА РОССЫПНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ ПО УДЕЛЬНОМУ РАСХОДУ ДИЗТОПЛИВА
© В.Г. Пятаков1, В.В. Гущенко2, А.С. Соколов3
Иркутский научно-исследовательский институт благородных и редких металлов и алмазов (ОАО «Иргиредмет»), 664025, Россия, г. Иркутск, б-р Гагарина, 38.
Представлены показатели фактического расхода дизельного топлива при разработке и транспортировке песков по существующей и предложенной авторами схеме горных работ. Проведен анализ технологических процессов и эффективности работы разрабатывающего и транспортного оборудования. На основании значений, полученных при реализации представленных схем, определен удельный расход дизельного топлива. Для экономической оценки технологии этот критерий принят как показатель энергопотребления. Определен объем экономии топлива при работе по предложенной технологии.
Ключевые слова: золотодобыча; россыпное месторождение; расход дизельного топлива; многолетнемерзлые породы.
SPECIFIC DIESEL FUEL CONSUMPTION-BASED SELECTION OF ALLUVIAL SAND MINING TECHNOLOGY AND TRANSPORTATION AT PLACER DEPOSITS V.G. Pyatakov, V.V. Gushchenko, A.S. Sokolov
Irkutsk Research Institute of Precious and Rare Metals and Diamonds (Irgiredmet JSC), 38 Gagarin Blvd, Irkutsk, 664025, Russia.
1 Пятаков Виктор Георгиевич, доктор технических наук, начальник отдела гидротехнических сооружений и разработки россыпных месторождений, тел.: 89025150448, e-mail: pvg@irgiredmet.ru
Pyatakov Viktor, Doctor of technical sciences, Head of Hydrotechnical Structures and Alluvial Deposit Development Department, tel.: 89025150448, e-mail: pvg@irgiredmet.ru
2Гущенко Виталий Викторович, кандидат технических наук, зав. сектором разработки россыпных месторождений, тел.: 89500669626, e-mail: vvg@irgiredmet.ru
Gushchenko Vitaly, Candidate of technical sciences, Head of Alluvial Deposit Development Sector, tel.: 89500669626, e-mail: vvg@irgiredmet.ru
3Соколов Александр Сергеевич, инженер I категории, тел.: 89025444106, e-mail: aleksandrsokolov1@gmail.com Sokolov Aleksandr, I Category Engineer, tel.: 89025444106, e-mail: aleksandrsokolov1@gmail.com
