CC BY
26
УДК 551.506 + 551.510.41 + 551.510.42
МНОГОЛЕТНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ КОНЦЕНТРАЦИИ ЧЁРНОГО (ЭЛЕМЕНТНОГО) УГЛЕРОДА В АТМОСФЕРЕ НОВОСИБИРСКОЙ ОБЛАСТИ
Валерий Иванович Макаров
Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (383)333-07-87, e-mail: makarov@kinetics.nsc.ru
Светлана Анатольевна Попова
Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, младший научный сотрудник, тел. (383)333-07-87, e-mail: popova@kinetics.nsc.ru
В работе приводятся результаты измерения элементного углерода (ЕС) в атмосфере Новосибирской области с 1999 по 2015 г. Обсуждаются межгодовой ход, сезонные и суточные вариации концентраций ЕС, а также влияние удаленных лесных пожаров на содержание ЕС на участках с разной степенью антропогенной нагрузки.
Ключевые слова: углеродсодержащие аэрозоли, черный (элементный) углерод, долгосрочные тренды, горение биомассы.
LONG TERM TRENDS IN BLACK (ELEMENTAL) CARBON CONCENTRATIONS IN THE AMBIENT AIR OF NOVOSIBIRSK REGION
Valerii I. Makarov
Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion SB of the RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Institutskaya St., Ph. D., leading researcher, tel. (383)333-07-87, e-mail: makarov@kinetics.nsc.ru
Svetlana A. Popova
Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion SB of the RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Institutskaya St., junior researcher, tel. (383)333-07-87, e-mail: popova@kinetics.nsc.ru
We report the results of the elemental carbon (EC) measurements in the atmosphere of Novosibirsk region from 1999 to 2015. The article shows long-term trends of annual, seasonal and diurnal variations of EC concentrations, and the impact of remote forest fires on the EC concentrations in the sites with different degree of anthropogenic load.
Key words: carbonaceous aerosols, black (elemental) carbon, long-term trends, wood burning.
Черный углерод, часто называемый элементным углеродом (ЕС) или сажей, является побочным продуктом неполного горения ископаемых или биото-плив, а также контролируемых или диких пожаров. Частицы чёрного углерода находятся в субмикронной моде, но увеличиваются в размерах при старении в атмосфере. Среднее время жизни частиц сажи составляет примерно 6 дней, таким образом, они могут переноситься на сотни и тысячи км от источника. В то время как большинство взвешенных частиц в атмосфере отражают солнечную радиацию, чёрный углерод сильно поглощает свет в видимой и УФ областях. Поэтому, считается, что чёрный углерод является вторым важным компо-
нентом атмосферы, влияющим на глобальное потепление, после парниковых газов. К тому же, углеродсодержащие частицы могут отрицательно влиять на здоровье человека [1].
В 1999 г. в Новосибирской области профессором К.П. Куценогим организована система наблюдений, которая охватывает участки с разной степенью антропогенной нагрузки. Первый пункт (1) располагается в г. Новосибирске и характеризует городскую зону. Основным локальным источником ЕС здесь является автотранспорт и теплоэнергетические станции. Вторая точка отбора (2) находится в п. Ключи, расположенному в 30 км к юго-востоку от города. Эта точка отбора относится к сельской местности и считается, что аэрозоли здесь формируются за счёт естественных процессов с небольшой примесью загрязняющих веществ антропогенного происхождения. Третий пункт (Синемо-рье) (3) находится в лесной зоне в 15 км от близлежащей деревни и в 90 км от г. Новосибирска. Здесь отсутствуют местные источники антропогенного загрязнения атмосферы и поэтому, этот участок называем фоновым участком. Таким образом, проведение всесезонного отбора аэрозолей позволяет определить их химический состав, механизмы формирования, источники и стоки.
Кампания по отбору образцов проводится ежегодно в зимний (20 января -19 февраля), весенний (20 апреля - 19 мая), летний (20 июня - 19 июля) и осенний (20 сентября - 19 октября) сезоны года. Для определения ЕС, отбор производится на стекловолокнистые фильтры (Whatman) со скоростью 30 л/мин. Методом реакционной газовой хроматографии были измерены среднесуточные концентрации органического (ОС) и элементного (EC) углерода [2]. Для выявления возможного источника загрязнения регионального и глобального масштаба использовалась модель расчёта траекторий движения воздушных масс HYSPLIT (Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model - гибридная лагранжевая модель интегрированной траектории одиночной частицы). Пути перемещения воздушных масс рассчитывались по архивным метеорологическим данным (архив GDAS) National Oceanic and Atmospheric Administration США. Архив GDAS включает основные метеопараметры на 14 уровнях от поверхности земли до 20 мбар, что позволяет строить траектории с учётом вертикальных перемещений. Детальное описание модели и алгоритм расчёта траекторий движения воздушных масс представлен в [3].
Усреднённые за сезон концентрации ЕС и межгодовой тренд в 1 и 2 точках отбора показаны на рис. 1а. Т.к. в пункте Синеморье отбор осуществлялся только летом, то на рис. 1б представлен межгодовой тренд по летним измерениям. Средние концентрации ЕС за весь период наблюдений в пунктах отбора 1, 2 и 3 составляют 5.8±2.9, 2.8±1.6 и 1.1±0.6 мкг/м3, соответственно. На основании линии линейной регрессии выявлено, что за весь период измерений наблюдается снижение концентрации ЕС, причём особенно это проявляется на фоновом участке. Сезонные вариации концентрации ЕС не являются очень сильными и представлены в таблице.
Таким образом, использование временных вариаций ЕС даёт возможность оценить фоновые концентрации на участках с разной степенью антропогенной нагрузки, оценить источники и стоки.
„ 20
со
5
о
слот—I (м т ^ ш СПОООООООООО^н^н^н^н^н^н слоооооооооооооооо
Ключи А Новосибирск
2,5 6
го £
1- 2 1,5
£ о Л^ ^^^^ у = -ОДОх + 1,8 /\
*" ........—/ \
=г гтз 1 / \
\ \
\__/ л/^-Д
и 0,5 0
X О
# а? л? # # л? -Vе # # п?
-Синеморье
Рис. 1. Сезонные концентрации ЕС за 1999-2015 года, измеренные в пунктах с разной степенью антропогенной нагрузки
Таблица
Сезонные концентрации ЕС за 1999-2015 гг.
Синеморье Ключи Новосибирск
январь - февраль - 3.5±1.3 7.1±2.1
март - апрель - 3.9±2.1 5.6±3.3
июнь - июль 1.1±0.6 1.9±0.74 4.4±2.6
сентябрь - октябрь - 1.9±0.94 6.0±3.1
В июле 2012 г. на территории Новосибирской области наблюдалось задымление и ухудшение видимости атмосферы вследствие горения лесных массивов в Томской области и в Красноярском крае. Был зафиксирован существенный рост массовой концентрации аэрозоля (См), субмикронной фракции (Ссуб) и органического углерода (ОС). При измерении аэрозольной компоненты дымового шлейфа от лесных пожаров показано, что дымовой аэрозоль в основном представлен частицами субмикронного размера сформированных преимущественно органическим веществом [4].
оооооооооооооооооооооооооооооо
Рис. 2. Среднесуточные значения См, Ссуб, ОС и ЕС в п. Ключи (июнь-июль 2012)
Отметим, что воздействие удалённых пожаров в летний сезон 2012 г. на концентрации элементного углерода в точках наблюдения практически отсутствуют. Это подтверждается и результатами работы [1], где показано, что на больших удалениях от источника (порядка нескольких сотен километров) в результате осаждения на поверхность почвы и растений происходит очищение атмосферы от элементного углерода.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Bond T.C., Doherty S.J., Fahey D.W., Forster P.M., Berntsen T., DeAngelo B.J., Flanner M.G., Ghan S., Karcher B., Koch D., Kinne S., Kondo Y., Quinn P.K., Sarofim M.C., Schultz M.G., Schulz M., Venkataraman C., Zhang H., Zhang S., Bellouin N., Guttikunda S.K., Hopke P.K., Jacobson M.Z., Kaiser J.W., Klimont Z., Lohmann U., Schwarz J.P., Shindell D., Storelvmo T., Warren S.G. and Zender C.S. Bounding the role of black carbon in the climate system: A scientific assessment // J. Geophys. Res.: Atmos. - 2013. - V. 118. - P. 5380-5552.
2. Makarov V.I., Koutsenogii K.P., Koutsenogii P.K. Daily and seasonal changes of organic and inorganic carbon content in atmospheric aerosol Novosibirsk Region // J. Aer. Sci. - 1999. -V. 30. - P. 659-660.
3. Куценогий К.П., Смирнова А.И. Метод обратных траекторий для идентификации источников атмосферных аэрозолей регионального и глобального масштабов // Оптика атмосферы и океана. 2001. Т. 14. № 6-7. С. 510-514.
4. Бизин М.А., Попова С.А., Чанкина О.В., Макаров В.И., Шинкоренко М.П., Смоляков Б.С., Куценогий К.П. Влияние лесных пожаров на массовую концентрацию, дисперсный и химический состав атмосферных аэрозолей в региональном масштабе // Оптика атмосферы и океана. 2013. Т. 26. № 6. С. 484-489.
© В. И. Макаров, С. А. Попова, 2016
