CC BY
144
Вестник^КрасТЛУ. 2014. № 12
УДК 551.510.42 А.В. Тимохина, А.С. Прокушкин, А.В. Панов
СУТОЧНАЯ И СЕЗОННАЯ ДИНАМИКА КОНЦЕНТРАЦИИ СО2 И СН4 В АТМОСФЕРЕ НАД ЭКОСИСТЕМАМИ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ (ПРИЕНИСЕЙСКАЯ ЧАСТЬ)*
Представлены градиентные измерения концентрации атмосферного углекислого газа и метана в среднетаежной подзоне Приенисейской Сибири по результатам пятилетних наблюдений (2009-2014 гг.). В работе обсуждаются особенности суточной и сезонной динамики концентрации СО2 и СН4 в районе обсерватории «ZOTTO».
Ключевые слова: атмосферный СО2 и СН4, обсерватория «ZOTTO».
A.V. Timokhina, A.S. Prokushkin, A.V. Panov
DAILY AND SEASONAL DYNAMICS OF СО2 AND СН4 CONCENTRATION IN THE ATMOSPHERE OVER THE WESTERN SIBERIA (PRI-YENISEYSK PART) ECOSYSTEMS
The gradient concentration measurements of the atmospheric carbon dioxide and methane in the middle taiga subzone of the Pri-YeniseyskSiberia according to the results of five year observations (2009-2014) are presented. The peculiarities of the daily and seasonal concentration dynamics of СО2 and СН4 in the area of "ZOTTO" observatory are discussed in the article.
Key words: atmospheric C02and СН4, "ZOTTO" observatory
Введение. Углекислый газ (СО2) и метан (CH4) относятся к основным парниковым газам (ПГ) атмосферы. Содержание СО2 в атмосфере увеличилось на 25 % с начала прямых инструментальных измерений, инициированных Ч.Д. Киллингом на станции Мауна Лоа (Mauna Loa) в 1958 году [6]. В научном сообществе не существует однозначного мнения касательно наблюдаемого роста концентрации СО2 в глобальном масштабе: связан ли этот процесс с естественными многолетними колебаниями либо происходит за счет возрастающего объема поступлений из антропогенных источников, составляющего до 9.5 ПгС в 2010 году [10]. По данным авторов [5, 12], концентрация СН4 также экспоненциально возрастала в течение этого времени до периода ее стабилизации (1999-2006 гг.), который обусловлен, по их мнению, сокращением антропогенной эмиссии СН4 (на 10 Тг с 1990 по 1995 г.) на территории бывшего Советского Союза и снижением выделения метана из северных болотных экосистем. Начиная с 2007 года концентрация СН4 вновь начала возрастать [11]. Надежные оценки баланса парниковых газов, основанные на модельных экспериментах, требуют верификации математических расчетов прямыми высокоточными инструментальными измерениями, в частности концентрации атмосферного СО2 и СН4. При этом в Российской Федерации государственная система мониторинга за содержанием ПГ не развита в достаточной мере и включает всего четыре станции Росгидромета [3]. Систематические измерения концентрации ПГ также проводятся в рамках различных научных программ, однако они охватывают небольшие по площади территории [12]. Несмотря на эти усилия, значительная часть территории Евразии остается малоизученной с точки зрения пространственного и временного изменения концентрации атмосферного СО2 и СН4. В целях расширения сети наблюдения в 2006 году в
* Работа выполнена при финансовой поддержке проекта РФФИ в рамках научного проекта № 13-05-98053, гранта Президента Российской Федерации для Государственной поддержки молодых российских ученых МК-1691.2014.5.
ЭкРлогия
среднетаежной подзоне Сибири была создана научная обсерватория Zotino Tall Tower Observatory («ZOTTO»), где мониторинг ПГ проводится с использованием высотной мачты (301 м) [14].
Цель работы. Анализ суточной и сезонной изменчивости концентрации СО2 и СН4 в атмосферном воздухе по профилю высот до 301 м в среднетаежной подзоне Сибири по результатам пятилетних наблюдений (май 2009 - май 2014 гг.) на обсерватории «ZOTTO».
Материалы и методы. Обсерватория «ZOTTO» расположена в среднетаежной подзоне (Приенисей-ская часть) Западной Сибири на левом берегу р. Енисей. Тип климата - континентальный, с суровой снежной зимой и умеренно теплым влажным летом. По данным метеостанции Бор (в 100 км севернее обсерватории «ZOTTO»), среднегодовая температура воздуха равна минус 3,7°С, средняя температура января минус 24,2°С, июля +17,8°С, годовое количество осадков 536 мм.
Растительный покров района исследования образован сильнообводненными болотами и озерами (около 60 % территории), среди которых произрастают сосновые и темнохвойные насаждения. В условиях пониженного рельефа развиты бруснично-лишайниковые и зеленомошные боры [2]. Основной фон в структуре почвенного покрова автоморфных позиций составляют подзолы. Многолетняя мерзлота в почвенных разрезах не обнаружена.
Ближайшие населенные пункты расположены более чем в 25 км от обсерватории «ZOTTO», где общая численность населения не превышает 3000 человек, а также отсутствует какое-либо производство. Крупный город Красноярск, с населением более 1 млн человек, находится на расстоянии 700 км в южном направлении. Поэтому из-за низкой плотности населения и достаточной удаленности района исследования от крупных промышленных центров влияние антропогенного фактора невелико, однако значительная часть территории подвержена периодическому влиянию природных пожаров.
Круглогодичный мониторинг за концентрацией СО2 и СН4 в приземном слое воздуха проводится с помощью комплекса измерительного оборудования на базе обсерватории «ZOTTO» с мая 2009 г. Измерительная система включает воздухозаборники, расположенные на шести высотах металлической мачты (4, 52, 92, 156, 227 и 301 м), и газоаналитический комплекс EnviroSense 3000i (Picarro Inc., США), установленный в лаборатории у основания мачты. Подробно экспериментальная установка описана ранее [14].
В настоящей работе приведены данные градиентных измерений содержания диоксида углерода и метана, полученные в период с 1 мая 2009 г. по 1 мая 2014 г. Для оценки сезонной изменчивости концентрации исследуемых газов были использованы только дневные измерения, усредненные с 13:00 ч до 17:00 ч местного времени. Рассматриваемый временной период характеризуется полным перемешиванием воздуха во всей толще ПСА, поэтому вертикальный градиент концентрации СО2 и СН4 по высотному профилю близок к 0. Кроме того, использование такого способа расчета позволяет исключить завышение средних значений концентраций исследуемых газов, связанное с их накоплением (ночное дыхание растительного покрова и эмиссия СН4 из болотных экосистем) в приземном воздухе при температурной инверсии. Наиболее информативной для оценки динамики СО2 и СН4 в приземном слое атмосферы является высота 301 м, которая и была нами выбрана. Усредненные дневные значения затем использовались для получения сглаженных кривых временного хода концентрации СО2 и СН4 с помощью специально разработанного метода для анализа длительных наблюдений за концентрацией ПГ [13].
Результаты и их обсуждение. Наиболее выраженные изменения концентрации исследуемых газов по профилю высоты в течение суток наблюдаются в теплое время года, а для холодного периода характерны незначительные различия (рис.1). На протяжении годового цикла показано, что период со значительными суточными колебаниями содержания диоксида углерода в атмосфере продолжительнее по сравнению с таковым для метана на 2 месяца. Так, накопление СО2 в ночные часы и его снижение в дневные часы начинают проявляться уже в апреле, а заканчиваются только в октябре, для метана эти сроки сдвинуты на май и сентябрь соответственно. Этот временной сдвиг, вероятно, связан с тем, что физиологическая деятельность растительности в районе исследования (поглощение СО2) продолжительнее, чем активность анаэробных метаногенных бактерий (выделение СН4). Максимальная величина суточной амплитуды для обоих исследуемых газов наблюдается в июле около поверхности земли (4 м) и составляет в среднем 21 ppm и 60 ppbv для СО2 и СН4 соответственно.
ВестникКрасГАУ. 2014. № 12
Январь
Февраль
Март
Апрель
4 8 12 16 20 Время суток, ч.
4 8 12 16 20 Время суток, ч.
4 8 12 16 20 Время суток, ч.
4 8 12 16 20 Время суток, ч.
Май
Июнь
Июль
Август
4 8 12 16 20 Время суток, ч.
4 8 12 16 20 Время суток, ч.
4 8 12 16 20 Время суток, ч.
4 8 12 16 20 Время суток, ч.
Сентябрь
Октябрь
Ноябрь
Декабрь
4 8 12 16 20 Время суток, ч.
4 8 12 16 20 Время суток, ч.
4 8 12 16 20 Время суток, ч.
4 8 12 16 20 Время суток, ч.
Январь
4 8 12 16 : Время суток, ч.
Февраль
N/hnvr
Апрель
4 8 12 16 20 Время суток, ч.
4 8 12 16 20 Время суток, ч.
4 8 12 16 20 Время суток, ч.
Май
4 8 12 16 20 24 Время суток, ч.
Июнь
Июль
Август
4 8 12 16 20 24 Время суток, ч.
4 8 12 16 20 24 Время суток, ч.
4 8 12 16 20 24 Время суток, ч.
Сентябрь
Октябрь
4 8 12 16 20 24 Время суток, ч.
4 8 12 16 20 24 Время суток, ч.
Ноябрь
Декабрь
4 8 12 16 20 24 Время суток, ч.
4 8 12 16 20 Время суток, ч.
а
б
0
Рис. 1. Динамика суточной концентрации СО2 (а) и СН4 (б) в атмосфере на разных высотах (обсерватория «ZOTTO») в отдельные месяцы года для пятилетнего периода измерений (май 2009 г. - май 2014 г.): 1 - 6 - высота измерительного уровня в градации 4, 52, 92, 156, 227 и 301 м
соответственно
Изменение концентрации СО2 в течение суток в теплое время года определяется главным образом газообменом диоксида углерода между экосистемами и атмосферой, а именно процессами фотосинтеза (поглощение) и дыхания (выделение) [7]. Интенсивность эмиссий метана из болотных экосистем на протяжении суток примерно одинакова либо может незначительно возрастать в дневное время в летний период [9]. Также существенное влияние на формирование суточного хода концентрации исследуемых газов оказывает динамика высоты ПСА. Так, в ночное время образуется устойчивый пограничный слой, который характеризуется малой высотой, обычно не превышающей 150-200 м, и низкой интенсивностью вертикального переноса [4]. В связи с этим концентрация СО2 и СН4 постепенно нарастает внутри слоя. Суточный максимум атмосферной концентрации СО2 регистрируется в 6:00-7:00 ч местного времени, тогда как пик концентрации СН4 приходится на период 7:00-10:00 ч. Смещение утренних пиков в содержании исследуемых газов объясняется тем фактом, что фотосинтез (поглощение СО2) запускается до того, как начинается перемешивание ПСА [12]. После восхода солнца происходит разрушение стабильной температурной инверсии и увеличение высоты ПСА, а обогащенный парниковыми газами воздух начинает перемешиваться. В течение дня, преимущественно во второй его половине, высота ПСА достигает 3000 м [8]. Минимум концентраций фиксировался в вечерние часы (16:00-19:00 ч). На верхней высоте измерений (301 м) суточные колебания концентраций Ш2 и СН4 в течение всего года выражены относительно слабо, что свидетельствует об ослаблении сигнала биогеоценозов подстилающей поверхности с высотой измерений. Вместе с тем, однако, прослеживается незначительное увеличение их уровня в утренние часы в летний период, когда происходит проникновение восходящих потоков приземного воздуха с повышенным содержанием диоксида углерода и метана в верхний слой приземной атмосферы.
Динамика концентрации СО2 в атмосферном воздухе в районе обсерватории <^ОТТО» за пятилетний период наблюдений имела ярко выраженную сезонную периодичность с максимумами в зимний и минимумами в летний периоды (рис. 2, а). Начало снижения содержания диоксида углерода фиксируется, как правило, в апреле-мае в период запуска фотосинтетической активности в районе обсерватории и продолжается до конца июля-начала августа, когда достигает минимума. При этом для всего периода наблюдений регистрируется устойчивое возрастание концентраций СО2 в атмосфере. Так, с начала наших измерений минимальные концентрации возросли на 14 ppm: с 367,3±1,5 ррт в 2009 г. до 382,4±2,4 ppm в 2013 г. Начиная с августа, несмотря на продолжающуюся фотоассимиляцию СО2 растительным покровом, наблюдается нарастание его концентрации в атмосфере, что свидетельствует о превышении поглощения респирацион-ным потоком в этот период. Накопление СО2 в атмосфере происходит вплоть до марта. Тем не менее пиковых концентраций СО2, по данным обсерватории «ZOTTO», достигает в декабре-январе. Подобно летним концентрациям мы наблюдаем ежегодный рост СО2 и в зимний период: от 397,2±2,7 ррт в 2010 г. до 407,6± 2,7 ppm в 2014 г. Сравнительный анализ прироста концентраций СО2 в летний (15 ppm/5 лет) и зимний (10 ppm/5 лет) периоды свидетельствует о значительно более выраженном их росте в течение вегетационного сезона. Причины, способствующие большему нарастанию концентраций СО2 в теплое время года по сравнению с холодным, будут выявлены в дальнейших исследованиях. Результаты наблюдений в районе обсерватории <^ОТТО» позволили оценить годовую амплитуду колебаний концентрации СО2 для среднетаежной подзоны Сибири на основе непрерывных высокочастотных наблюдений. Ее величина с мая 2009 г. по март 2014 г. варьировала незначительно - от 29,9 ppm в 2009 г. до 25,2 ppm в 2013 г., составляя в среднем 28,2 ррт. Полученные результаты согласуются с ранее приведенными оценками (22-28 ррт) [8, 14]. Близкие величины годовой амплитуды концентрации СО2 (24-30 ррт) для территории Западной Сибири показаны в работе, обобщающей данные сети мониторинга ПГ <^^ТАТЮ№ [1]. В отличие от поведения годового цикла атмосферного СО2, концентрации СН4 в атмосфере в районе обсерватории «ZOTTO» имеют два ярко выраженных максимума - в летний (август) и зимний (январь - февраль) периоды (рис. 2, б).
Вестник^КрасТЛУ. 2014. № 12
О О
435 т
415 --
395 --
375 --
355
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
> -О
л л
2300 2200 2100 +
^ 2000 --
1900
1800
2009
2010
2011
2012
2013
2014
2015
Рис. 2. Динамика дневных концентраций атмосферного Ш2 (а) и СН4 (б) на обсерватории «ЮТТО» за период измерений (май 2009 - май 2014). Черными крестиками обозначены дневные средние (13:00-17:00 ч) концентрации, серыми крестиками - дневные средние концентрации, лежащие за пределами 2о, серая кривая - выровненная суточная динамика
а
б
Возрастание концентрации СН4 в летний период фиксируется с середины июня, когда температура почвы увеличивается и способствует нарастанию активности метаногенных микроорганизмов, а достигает своего пика в августе, отражая сезонный максимум эмиссий СН4 из болотных экосистем. За исследуемый пятилетний период среднее содержание атмосферного метана в августе возросло от 1900±45 ppb в 2009 г. до 1941±52 ppb в 2013 г. В октябре уровень метана в атмосфере вновь начинает увеличиваться до своего зимнего максимума в январе-феврале. В отличие от концентрации СО2 в зимний период, в содержании атмосферного ^4 не отмечается устойчивого ежегодного прироста. Так, в 2010-2011 гг. оно сохранялось на уровне 1935-1945 ppb, а с 2012 г. возросло до 1964-1967 ppb. Годовой ход концентрации СН4 в районе обсерватории «ZOTTO» хорошо согласуется с ранее показанным для различных постов Западной Сибири, где также прослеживаются два максимума - в летний и зимний периоды. Тогда как время наступления летнего минимума в концентрации СН4 в некоторых районах Западной Сибири может регистрироваться раньше - в мае, как, например, на посту «Демь-янское». При этом сравнительный анализ среднемесячных значений содержания метана в атмосфере средне-таежной подзоны с другими районами Сибири (широтный диапазон от 58 до 63°) [12] выявил общую тенденцию к его снижению в восточном направлении от 65 до 130° в.д. В связи с этим среднегодовое содержание метана в районе обсерватории ниже, чем в других района Западной Сибири, что согласуется с сокращением площадей заболоченных территорий при продвижении на восток к р. Енисей.
Выводы. В результате проведенной нами работы установлено, что в теплое время года концентрация как СО2, так и СН4 имеет выраженную суточную динамику. Ее амплитуда максимальна на высоте 4 м (около поверхности земли) и практически отсутствует на высоте 301 м. Для обоих исследуемых газов пока-
зано формирование вертикального градиента в концентрациях ночью и его отсутствие днем как следствие суточной динамики функционировании лесных биогеоценозов и состояния пограничного слоя атмосферы. Показано, что в среднетаежной подзоне Сибири концентрация СН4 имеет два годовых пика - в зимнее (январь-февраль) и летнее (август) время. Максимальные концентрации СО2 фиксировались с декабря по март, а минимальные - в июле. Установлено, что зимнее содержание метана за исследуемый период изменялось незначительно: от 1935-1945 ppb в 2010-2011 гг. до 1964-1967 ppb в 2012 г., в отличие от содержания диоксида углерода, которое увеличилось: от 397.2±2.7 ppm в 2010 г. до 407,6±2,7 ppm в 2014 г. Летние концентрации исследуемых газов возросли с 367,3±1,5 ppm в 2009 г. до 382,4±2,4 ppm в 2013 г. для СО2 и с 1900±45 ppb в 2009 г. до 1941±52 ppb в 2013 г. для СН4.
Литература
1. Динамика вертикального распределения парниковых газов в атмосфере / М.Ю. Аршинов, Б.Д. Белан, Д.К. Давыдов [и др.] // Оптика атмосферы и океана. - 2012. - Т.22. - № 12. - C.1051-1061.
2. Карпенко Л.В., Прокушкин А.С., Корец М.А. Территориальные особенности болот северной части сым-дубческого междуречья (Красноярский край) // Вестник КрасГАУ. - 2012. - № 9. - С. 103-111.
3. Обзор состояния и загрязнения окружающей среды в Российской Федерации за 2012 год. - М.: Росгидромет, 2013. - 178 с.
4. Measurements of carbon dioxide on very tall towers: results of the NOAA/CMDL program / P.S. Bakwin, P.P. Tans, D.F. Hurst [et al.] // Tellus. - 1998. - № 50B. - P. 401-415.
5. Atmospheric methane levels off: temporary pause or a new steady-state? / E.J. Dlugokencky, S. Houweling, L Bruhwiler [et al.] // Geophys. Res. Lett. - 2003. - Vol. 30. - Issue 19.
6. Keeling C.D. The concentration and isotopic abundances of carbon dioxide in the atmosphere // Tellus. -1960. - Vol. 12. - Issues 2. - P. 200-203.
7. Seasonal and annual variations in the photosynthetic productivity and carbon balance of a central Siberian pine forest / J. Lloyd, O. Shibistova, D. Zolotoukhine [et al.] // Tellus. - 2002. - № 54 B. - Р. 590-610.
8. A trace-gas climatology above Zotino, central Siberia / J. Lloyd, R.L. Langenfelds, R.J. Francey[et al.] // Tellus. - 2002. - № 54B. - P. 749-767.
9. Long K.D., Flanagan L.B., Cai T. Diurnal and seasonal variation in methane emission in a northern Canadian peatland measured by eddy covariance // Global change biology. - 2010. - №16. - P. 2420-2435.
10. Rapid growth in CO2 emissions after the 2008-2009 global financial crisis / G.P. Peters, G. Marland, Le Quere [et al.] // Nature Climate Change. - 2012. - Issues 2. - P. 2-4.
11. Renewed growth of atmospheric methane / M. Rigby, R.G. Prinn, P.J. Fraser [et al.] // Geophys. Res. Lett. -2008. - Issue 35.
12. Continuous measurements of methane from a tower network over Siberia / M. Sasakawa, K. Shimoyama, T. Machida [et al.] // Tellus. - 2010. - Vol. 62B. - P. 403-416.
13. Thoning K.T., Tans P., Komhyr W.D. Atmospheric carbon dioxide at Mauna Loa observatory 2. Analysis of the NOAA GMCC data, 1974-1985 // Journal of geophysical research. - 1989. - № D6. - Vol. 94. - P. 8549-8565.
14. Winderlich J. Setup of a CO2 and CH4 measurement system in Central Siberia and modeling of its results. // Technical report № 26. - Hamburg, 2011. - P.120.
