CC BY
76
Серия «Науки о Земле» И З В Е С Т И Я
2011. Т. 4, № 1. С. 213-220 Иркутского
Онлайн-доступ к журналу: государственного
http://isu.ru/izvestia университета
УДК 551.594
Приземный озон и электрическое состояние атмосферы
Ю. В. Шаманский (suv@home.isu.ru)
В. Л. Потемкин (klimat@lin.irk.ru)
Аннотация. Рассматриваются результаты длительных синхронных наблюдений за напряженностью электрического поля атмосферы, концентрацией приземного озона и метеорологическими условиями с большим временным разрешением (минуты). С помощью корреляционного и спектрального анализов рядов наблюдений исследуются взаимосвязи между величинами и высказываются гипотезы о возможных механизмах их взаимодействия. Приводится осредненный суточный ход рассматриваемых характеристик.
Ключевые слова: атмосферное электричество, атмосферный озон.
Введение
Приземный озон образуется в атмосфере в результате фотохимических реакций в присутствии коротковолнового солнечного излучения. Существует два механизма, приводящих к повышенному содержанию озона в приземном воздухе. Первый - связан с метеорологическими условиями, когда в условиях жаркой погоды имеет место приток озона из вышележащих слоев атмосферы. В этом случае дневные концентрации озона высокие, а ночные - спадают практически до нуля. Этот механизм обеспечивает повышенные концентрации озона в солнечные дни летних месяцев. Уменьшение концентрации озона происходит под влиянием двуокиси азота. Второй - образование озона в результате химических реакций между углеводородами при воздействии солнечной радиации. Однако значимость такого механизма образования озона значительно ниже. В условиях антропогенного загрязнения повышение концентрации озона обусловлено выхлопными газами автотранспорта. Известна корреляция между концентрацией озона и радона. То есть озон может образоваться в результате диссоциации кислорода под действием ионизирующих излучений. В приземном слое атмосферы основным ионизатором считается естественная радиоактивность земли. Общими факторами, определяющими электрическое состояние атмосферы и содержание озона, могут быть и метеорологические условия. Существует гипотеза аэрозольного происхождения озона при диссоциации молекул воды. Водяной пар и жидкий аэрозоль влияют на электрические свойства атмосферы. В работе [1] указывается на найденный параллелизм электрического поля у земной поверхности и содержания озона в слое 0-20 км над землей. Объясняется эта связь следующим образом. Увеличение концентрации приземного озона возрастает при процес-
сах, связанных с опусканием воздуха. Возрастание напряженности электрического поля обусловлено уменьшением сопротивления атмосферного столба и возрастанием плотности вертикального тока при нисходящих движениях. Флуктуации атмосферного электричества могут служить тем параметром, который позволяет определять тип обмена. Как содержание озона, так и электрические характеристики «чувствительны» к антропогенному влиянию, этим и вызван интерес поиска связи.
Методика наблюдений
Район исследования находится на высоте 2000 м в Восточном Саяне на территории Саянской астрофизической обсерватории Института солнечно-земной физики СО РАН, где по данным геологов наблюдаются достаточно мощные выделения радона - основного ионизатора воздуха у поверхности земли. В районе отсутствует антропогенное загрязнение воздуха промышленными выбросами и транспортом. В течение десяти лет регулярно проводятся измерения приземной концентрации озона [2-5, 7]. Измерения озона в приземном слое атмосферы проводились с помощью озо-нометра 1006-АШ с одноминутным осреднением. Погрешности приборов не превышают 10 %. Для регистрации метеорологических характеристик использовалась метеостанция на акустическом принципе, разработанная в Институте оптики атмосферы СО РАН.
В 2004 г. эти наблюдения были дополнены регистрацией электрической проводимости воздуха и напряженности электрического поля. Регистрация электрической проводимости воздуха велась аспирационным конденсатором с внешней собирающей и внутренней потенциальной обкладками. Предельная подвижность улавливаемых ионов составляла
0,5 Т0"4 м2В_1с"\ Электрический ток в конденсаторе измерялся электрометрическим усилителем. Регистрировалась не суммарная электропроводность, а только обусловленная положительными ионами. Напряженность электрического поля производилась электростатичесим флюксметром. Приборы постоянно калибровались, и проверялась устойчивость нулевых показаний. Регистрация всех величин производилась с использованием аналого-цифрового преобразователя (АЦП) на компьютере с временным шагом 10 мин.
Обсуждение полученных результатов
Годовой ход О3 достаточно простой (рис.1). Максимум в годовом ходе отмечается в мае и минимум в зимнее время года. Амплитуда годового хода составляет около 20 %. Среднегодовое значение концентрации О3 -45 млрд-1. Наибольшая изменчивость среднечасовых значений О3 отмечается в июле - августе. Коэффициент вариации в эти месяцы достигает значений 0,25. В зимние месяцы коэффициент вариации среднечасовых значений около 0,05. Если принять стоковую гипотезу образования приземного озона, то в зимние месяцы следует ожидать более высоких значений О3, так как зимой при развитии Сибирского антициклона нисходящие движения максимальны до уровня приземных инверсий температуры.
Рис. 1. Годовой ход приземной концентрации озона на станции Монды.
1 - Европа; 2 - высокие широты; 3 - Монды
Для сравнения на рис. 1 даны годовые концентрации озона в Европе и в приполярных широтах [6].
В течение года наблюдается низкая межсуточная изменчивость концентрации озона в холодное время года и высокая изменчивость в теплое время. Это связано с различной величиной стока над различными поверхностями (снег 0,02-0,03 см/с, грунт 0,1-1 см/с), и при различной температуре. Также это связано со взаимодействием озона с биотой, дегазацией разломов, большим количеством грозовых дней [6]. Межсуточная амплитуда О3 колеблется от 1-2 ppb в холодное время (январь), до 5-8 ppb в теплое время года (июль).
Суточный ход концентрации О3 имеет минимум в утренние часы и максимум в послеполуденные часы. Причем в течение года минимумы и максимумы смещаются. Утренний минимум в зимние месяцы наступает около 10 ч, а в летние месяцы - около 8 ч (табл.). Максимумы в летние месяцы отмечаются раньше в околополуденные часы, а зимой смещаются на 18-20 ч. Амплитуды суточных изменений наибольшие в летний и осенний периоды.
Таблица
Время наступления и значения минимумов и максимумов среднемноголетнего
суточного хода концентрации озона
Месяц Время минимума, ч Время максимума, ч Значение мин, ppb Значение макс, ppb Амплитуда сут, ppb
Январь 9-11 19 38 39 1
Апрель 10 17 54 56 2
Июль 8 13-16 38 43 5
Октябрь 9 16 38 40 2
При отсутствии влияния антропогенных источников загрязнения атмосферы суточная изменчивость приземной концентрации озона обусловлена динамикой слоя перемешивания и формированием температурных инверсий в ночное время. Также днем изменчивость выше, чем в вечернее и ночное время, изменчивость в холодное время года меньше по сравнению с теплым. Это объясняется, во-первых, большей фотохимической генерацией днем в летнее время. Во-вторых, летом более интенсивен турбулентный обмен воздушных масс, что приводит к увеличению концентрации озона в приземном слое из-за поступления из верхних слоев атмосферы. В зимние месяцы скорость осаждения озона над снегом на 1-2 порядка меньше, чем над грунтом (снег 0,02-0,03 см/с, грунт 0,1-1 см/с). Зимой фактически отсутствует генерация озона из-за дегазации почвы радиоактивных эманаций радона.
В январе суточный ход выражен слабо. Наличие снежного покрова приводит к сглаживанию суточного хода концентрации озона в приземном слое атмосферы, поскольку на поверхности снега разрушение озона идет менее интенсивно по сравнению с поверхностью открытого грунта. Минимум приходится на 9-11 ч утра, максимум - на 19 ч вечера. Суточная изменчивость минимальная, суточная амплитуда составляет всего лишь 1 ppb. Фотохимическая генерация озона практически отсутствует.
В апреле минимум приходится на 10 ч утра, максимум - на 17 ч. Суточная амплитуда в апреле составляет 2 ppb. Суточные концентрации озона повышены, что связано с общим весенним максимумом содержания озона, который приходится на апрель-май.
В июле самый ярко выраженный по амплитуде и изменчивости суточный ход в году. Минимум приходится на 8 ч утра, максимум наблюдается на протяжении трех часов: с 13 до 16 часов. Суточная амплитуда составляет 5 ppb. Сдвиг максимума концентрации озона относительно полуденного 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. В октябре минимум приходится на 9 ч утра, максимум на - 16 ч. Суточная амплитуда составляет 2 ppb.
Электрические характеристики атмосферы по сравнению с концентрацией озона имеют более значительную изменчивость, как в годовом, так и в суточном ходе. Годовые изменения напряженности электрического поля повсеместно имеют максимум зимой и минимум летом. Они противоположены годовому ходу электропроводности воздуха. Электрическая проводимость определяется действием основных ионизаторов воздуха, во-первых, ионизирующими излучениями почвы, которые связанны с ее промерзанием и снежным покровом. Второй ионизующий фактор - космические лучи. Их интенсивность у поверхности земли уменьшается в зимние месяцы из-за более высокого атмосферного давления. Изменения напряженности электрического поля обусловлены местными причинами и глобальными, которые разделить невозможно. Проводимость воздуха в при-
земном слое зависит от действия ионизирующих излучений и скорости рекомбинации ионов. Первый и второй факторы тесно связаны с метеорологическими условиями, способствующими выходу радионуклидов из почвы. Этот выход радионуклидов связан с осадками, температурой, атмосферным давлением, снежным покровом, влажностью, направлением и скоростью переноса воздуха, а также концентрацией аэрозолей.
В теплый период года проводимость воздуха подвержена значительным суточным вариациям. Причем в момент восхода солнца происходит довольно резкое возрастание проводимости воздуха с одновременным уменьшением напряженности электрического поля.
В холодный период при наличии снежного покрова амплитуда суточных вариаций, как напряженности поля, так и проводимости уменьшаются. Причем максимум суточного хода напряженности электрического поля приближается к 18-19 ч по гринвичскому времени, что может указывать на уменьшение влияния региональных условий и увеличению проявления глобальных факторов на электрическое поле, которое наблюдается на океанах. Амплитуда суточного хода напряженности электрического поля в зимние месяцы около 20 %.
В летние месяцы суточные изменения напряженности имеют характер двойной волны с двумя максимумами и двумя минимумами. При этом вторичные максимумы и минимумы связаны с локальными условиями и зависят от поясного времени. Вторичный максимум в теплое время появляется около полудня по местному времени.
Для нахождения связи электрических характеристик с концентрацией озона и метеорологическими величинами для каждого месяца по среднечасовым значениям рассчитывались корреляционные матрицы. Так, для всех месяцев корреляция О3 с температурой воздуха положительна и в среднем около 0,4, что можно объяснить большим выходом радона с ростом температуры. Корреляция О3 с электрической проводимостью воздуха по среднечасовым данным отрицательна - около -0,3, что трудно объяснимо, поэтому требуются дополнительные исследования с измерением концентрации радона.
На рис. 2 приведен пример записи вариаций электрического поля, электрической проводимости воздуха и О3 для условий «хорошей погоды», из которого видно, что проводимость и О3 изменяются в противофазах, а ряд изменений электрического поля происходит синхронно. Под термином «хорошая погода» при измерениях атмосферно-электрических характеристик понимаются условия, при которых влияние метеорологических факторов минимально: облачность нижнего яруса менее 3 баллов, скорость ветра менее 5 м/с и отсутствие атмосферных явлений.
Для анализа вариаций концентрации озона проведен спектральный анализ по среднечасовым значениям. На рис. 3 приведены спектры вариаций 8(1) для июня и января. На спектральных кривых отчетливо видны суточные, полусуточные составляющие и составляющие в несколько суток, которые связаны с естественно-синоптическим периодом. В январе более ярко проявляется максимум 5-7 ч.
«=1
<и
2 15- 1 г 1 ■
1 >- - 1-2 ^ ш ; 1 | ч о - о.0 Ж а. - О 6 х
0 5- Л Г* Л
0 - 1 > X г- Ш
4 N *4
* -1 < е_ > ' > {
-15- V 3 > < Л * % - о -04 3 - 0.2
п. , ¿Г г •/ -ч
-2.5
1 XXX
2 ------
сч
сч
Рис. 2. Фрагмент совместной регистрации О3, проводимости и Е (28-31 августа 2004 г.) 1 - Е; 2 - озон; 3 - электрическая проводимость
Январь.
период(час)
« 48888
30000
28888
18888
5888
4888
3888
2888
1888
588
488
388
288
- -
д
у
11|1'
(VI
35
4
48 38 58
388 588 288 488
июнь период(час)
Рис. 3. Спектральные функции вариаций концентрации озона в июне и январе
2
4
18
38 58
288 488
188
28
188
2
18
Большая часть спектра описывается законом «—5/3» Обухова-Колмогорова, т. е. изменения обусловлены турбулентностью в атмосфере. Спектры вариаций для электрических характеристик похожи на спектры изменения О3 в диапазонах от синоптических до полусуточных, что говорит о сопряженности процессов.
Заключение
В суточном ходе концентрации озона минимум приходится на утренние часы в момент восхода солнца, а в суточном ходе электрической проводимости в это время отмечается рост. Обычно в условиях хорошей погоды вариации концентрации озона следуют в противофазе с электрической проводимостью воздуха и связаны с вариациями электрического поля. Для решения проблемы связи О3, электрических параметров атмосферы с процессами ионизации необходимы прямые измерения ионизирующих излучений и, в основном, радиоактивного газа радона.
Список литературы
1. Мюлейзен Р. Общие вопросы атмосферного электричества, явления хорошей погоды // Проблемы электричества атмосферы : тр. III междунар. конф. по электричеству атмосферы и косм. пространства. - Л. : Гидрометеоиздат, 1969. - 816 с.
2. Длительные наблюдения приземных концентраций озона и окиси углерода в Восточной Сибири / В. Л. Потемкин [и др.] // Сиб. экол. журн. - 1999. - № 6. -
С. 601-603.
3. Потемкин В. Л. Сезонная динамика концентрации приземного озона над Восточным Саяном / В. Л. Потемкин, Э. В. Шультайс // Оптика атмосферы и океана. - 2004. - Т. 17(4). - С. 317-321.
4. Потемкин В. Л. Исследование процессов распространения диоксида серы и озона на юге Восточной Сибири / В. Л. Потемкин [и др.] // Оптика атмосферы и океана. - 2006. - 19(7). - C. 632-634.
5. Тимофеева С. С. Динамика грозовой активности и ее влияние на вариации озона в регионе оз. Байкал / С. С. Тимофеева, И. В. Латышева, В. Л. Потемкин // Вестн. ИрГТУ. - 2008. - № 2(34). - C. 24-27.
6. Laurila T. Observational study of transport and photochemical formation of ozone over northern Europe // Journal of geophysical research-atmospheres. - 1999. -Vol. 104. - D. 21. - P. 26235-26243.
7. Regional background ozone and carbon monoxide variations in remote Sibe-ria(East Asia) / P. Pochanart [et al.] // J. of Geophys. Res. - 2003. - Vol. 108. - N D1. 4028. - P.7-18.
Surrounding Ozone and Electrical Condition of Atmosphere
U. V. Shamansky, V. L. Potemkin
Annotation. Results of long time synchronous observations for electric field of the atmosphere, concentration of surrounding ozone, and meteorological conditions are con-
sidered with high time resolution (minutes). Correlation and spectral analyses were applied to evaluation of ozone and electric field interrelation; and some hypotheses on the mechanism of their interaction are discussed. The mean daily changes of considered parameters are obtained.
Key words: atmospheric electricity, atmospheric ozone.
Шаманский Юрий Васильевич Потемкин Владимир Леонидович
кандидат географических наук, доцент кандидат географических наук, старший
Иркутский государственный университет научный сотрудник 664003, г. Иркутск, ул. К. Маркса, 1 Лимнологический институт СО РАН
тел.: 52-10-94 664033, г. Иркутск, ул. Улан-Баторская, 3
