Введение
1. Основные сведения о метане
1.1. Антропогенные источники метана
1.2. Природные источники метана
1.3. Стоки метана
2. Аппаратура и метод измерения
3. Калибровка газоанализатора
3.1. Калибровка по вторичному стандарту WMO
3.2. Измерения концентраций СН4 при помощи газоанализатора LGR на станции Воейково
4. Экспериментальные результаты
4.1. Анализ суточного хода концентраций СH4 за 2013-2016 гг.
4.1.1. Среднемесячный суточный ход концентраций СН4
4.1.2. Сравнения среднемесячных суточных ходов для 2013-2016 гг.
4.2. Анализ годового хода концентраций СН4 за 2013-2016 гг.
4.2.1 Годовой ход средних значений концентраций СН4
4.2.2 Годовой ход минимальных значений концентраций СН4
4.2.3. Годовой ход по периодам суточного минимума
4.2.4. Сравнительный анализ
4.2.5. Тренд метана за 2013-2016 гг.
4.3. Сравнение годового хода концентраций СН4 для Петергофа с другими станциями
4.3.1. Сравнение со станциями Pallas-Sammaltunturi (Финляндия), Териберка (Россия), Neuglobsow (Германия), Mace Head (Ирландия) за 2013-2015 гг.
4.3.2. Сравнение со станцией Воейково (2013 год)
4.4. Оценка интенсивности эмиссий для пригорода Санкт-Петербурга
4.4.1. Влияние антропогенных источников метана
4.4.2. Оценка ночных эмиссий для пригорода Санкт-Петербурга
Выводы
Благодарности
Литература
В последние десятилетия влияние жизнедеятельности человека на окружающую среду становится все более ощутимым. Возросшее антропогенное влияние указывается в качестве наиболее вероятных причин следующих важнейших проблем, связанных с изменениями состава атмосферы:
- уменьшение содержания озона в стратосфере в полярных и приполярных районах [1,2];
- ухудшение качества атмосферного воздуха [3];
- климатические изменения [4].
Уменьшение содержания озона в стратосфере (т.н. «озоновые дыры») приводят к возрастанию интенсивности УФ излучения на поверхности Земли, что для некоторых районов Земного шара (в основном, приполярные районы) уже стало значимой проблемой (например, для белокожего населения Новой Зеландии).
Озон (О3), оксиды азота (NOx, NOy), оксид углерода (CO), сернистый газ (SO2) и летучие органические соединения относятся к короткоживущим химически активным соединениям – показателям качества атмосферного воздуха. При превышении уровней предельно допустимых концентраций (ПДК) этих газов, здоровью человека может быть нанесён ощутимый вред [5]. Эта проблема особенно важна, поскольку затрагивает промышленно развитые регионы с высокой плотностью населения (Европа, Китай, США).
Основными антропогенными «парниковыми» газами, согласно классификации Всемирной Метеорологической Организации (WMO), являются следующие долгоживущие компоненты атмосферы [6]: углекислый газ (СО2), метан (СН4), закись азота (N2O), фреоны, гексафторид серы (SF6), молекулярный водород (Н2) (водяной пар относится к естественным парниковым газам). Метан является вторым по важности, после СО2, парниковым газом. Особенность этих молекул состоит в том, что, интенсивно поглощая ИК-излучение Солнца и Земли, они разогревают тропосферу. [7,8]
Атмосферный метан (CH4), относящийся к парниковым газам, в атмосфере Земли поглощает ИК излучение Солнца и поверхности Земли, что приводит к нагреванию тропосферы. С начала индустриальной эпохи концентрация метана удвоилась [9]. Временная изменчивость СН4 в атмосфере относительно невелика (метан является долгоживущим газом, время его жизни составляет около десяти лет), по этой причине наземные и спутниковые системы наблюдений должны иметь высокие измерительные точности [10-12].
Наиболее интенсивные источники метана – болота, океаны, термитники, месторождения нефти и газа, угольные шахты, транспортировка природного газа, пищеварительные процессы животных, рисовые плантации [13]. СН4 не имеет источников в атмосфере (он не образуется в результате реакций в атмосфере), все его источники расположены на Земле. [8] К основным стокам метана относят и атмосферные химические реакции (основной из них является реакция с радикалом гидроксила в тропосфере) и природные процессы в почве (окисление бактериями). При изучении изменений концентрации метана в приземном слое необходимо также учитывать динамические процессы: конвективное перемешивание, а так же дальний перенос этого газа воздушными массами (адвекция). [14]
Основной массив данных о содержании метана в атмосфере в настоящее время поступает:
- с глобальных наземных сетей GAW/NOAA (WMO Global Atmosphere Watch) [15,16], NDACC (Network for the Detection of Atmospheric Composition Change) [17] и TCCON (Total Carbon Column Observing Network) [18]
- со спутниковой аппаратуры, например: SCIAMACHY [19], AIRS [20], IASI [21], TES[22] , GOSAT [23,24].
В России (ранее, в СССР) последние 20-40 лет активные исследования временных изменений общего содержания СН4 проводились с использованием классических спектрометров низкого спектрального разрешения, которые были спроектированы и изготовлены Институте физики атмосферы РАН (ИФА РАН)[25], Институте экспериментальной метеорологии [26] и CПбГУ [27].
В 2009г. введена в строй Атмосферная Фурье-станция Уральского федерального университета (Коуровская астрономическая обсерватория) [28], которая входит в международную сеть измерений TCCON.
Институт оптики атмосферы СО РАН осуществляет программу башенных измерений концентрации метана на сети станций, расположенных в Сибири, [29]. Например, в работе [29] по результатам анализа башенных измерений СН4 (JR-STATION: Japan-Russia Siberian Tall Tower Inland Observation Network), которые получены с 2004г., предприняты попытки оценить источники, отвечающие за вариации концентрации метана для различных условий: лесов, степей и болот Сибири.
Главная геофизическая обсерватория им. Воейкова осуществляет регулярные газохроматографические измерения приземных концентраций СН4 на четырех станциях: Териберка (c 1996г., станция WMO), Новый Порт (c 2003 г.), Тикси (с 2011 г., станция WMO), Воейково (c 2003 г.) [30]. Долговременными рядами измерений приземной концентраций метана обладает также Московский государственный университет [7]. Усилиями ИФА РАН осуществляется проект TROICA [31], в рамках которого передвижная обсерватория курсирует по железным дорогам России, обеспечивая широтные и долготные разрезы различных характеристик атмосферы и, в том числе приземных концентраций метана.
В 2009 г. СПбГУ [32] начаты измерения важнейших климатически и химически активных малых газовых составляющих атмосферы при помощи Фурье-спектрометра высокого спектрального разрешения Bruker IFS 125 HR [33-35]. По результатам этих измерений проведено сравнение средних по столбу атмосферы отношений смеси метана, измеренных гиперспектральными методами наземной Фурье спектроскопии в 2009–2012 гг., с аналогичными данными, полученными японским спутником GOSAT[36]. Показано, что данные GOSAT версии V02.xx лежат ниже результатов наземных Фурье-спектрометрических измерений на 2 млрд-1 (при дисперсии ~18 млрд-1). Это соответствует расхождениям XCH4, измеряемых спутником GOSAT с данными международных сетей фурье-спектроскопических наблюдений TCCON и NDACC. В статьях [37,38] представлен совместный анализ экспериментальных данных Фурье-спектрометрических измерений и расчетов модели EMAC для станции Петергоф, даны основные сравнительные статистические характеристики рядов СН4. Оценки долговременного тренда содержания метана в атмосфере, полученные в этой работе составляют ~0.2%/год для периода 2009-2012гг. и ~0.13%/год для периода 2009-2013гг.
После начала промышленной революции произошёл рост содержания метана в атмосфере Земли на ~ 250% (по сравнению с 722 млрд‾¹ в 1750 г.), который связывают с деятельностью человека [39]. Глобальное среднегодовое приземное содержание СН4 на 2015 год по данным WMO [39] составляло 1845 ppbV.
Несмотря на то, что активные исследования атмосферного СН4 ведутся начиная с 80-х годов XX века, пространственно-временные изменения интенсивностей его биогенных и антропогенных источников в настоящее время известны с недостаточной точностью. Это наглядно демонстрируют современные изменения содержания метана в атмосфере [14]. В 1992 г. было отмечено резкое падение скорости роста содержания метана (по оценкам [40] в период 1989-1996 гг. – с 0.6% до 0.2% в год), а в 1998 г. – резкое увеличение [14]. В 2000-м году скорость роста метана имела практически нулевое значение [41], то в 2006 г. метан резко возобновил свой рост [42]. В период с 2007 по 2009 гг. содержание СН4 в Северном полушарии СН4 увеличивалось со скоростью ~1% в год [43], затем скорость роста снова упала до значений ~0.1-0.2%/год [37]. Резкий рост СН4 в атмосфере в 2007-2009гг. зафиксирован как по результатам измерений приземных концентраций [44], так и общего содержания метана во всей толще атмосферы [42]. С 2007 содержание СН4 растёт со скоростью ~0,32% в год [39,45]. Основными предположениями, выдвигаемыми в качестве причин наблюдающейся изменчивости тренда метана, являются: влияние эмиссий болотных комплексов, которые зависят от температуры и количества осадков; рост антропогенных выбросов; выделение СН4 при таянии вечной мерзлоты и высвобождение метана в атмосферу из запасов метангидратов Северного Ледовитого Океана [41,42, 46]. Подчеркнем, что до настоящего момента, причины, вызвавшие рост метана с 2006г., точно не установлены и в настоящее время активно обсуждаются научным сообществом [41-44, 46].
Целью данной работы являлось анализ характеристик временной изменчивости концентрации метана по данным наземных наблюдений, а также оценка эмиссии СН4 для территории пригорода Санкт-Петербурга.
Станция атмосферного мониторинга СПбГУ (Старый Петергоф) принадлежит к станциям субарктического региона, что делает измерения концентрации СН4, получаемые на ней, чрезвычайно ценными. В работе используются результаты непрерывных наблюдений, полученные при помощи аппаратуры (Greenhouse Gas Analyzer GGA-24r-EP), установленной в РЦ «Геомодель» в 2013г.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- провести анализ временных изменений концентрации СН4 для станции Старый Петергоф;
- провести анализ основных факторов, влияющих на изменчивость концентрации метана;
- провести анализ суточного и годового хода метана;
- провести сравнение полученных результатов с независимыми измерениями
- получить оценки скорости изменения СН4
- оценить интенсивность эмиссий метана для территории пригорода Санкт-Петербурга.
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы.
Во введении обоснована актуальность исследования, сформулирована цель работы, перечислены решаемые задачи и приведен обзор современного состояния науки.
В первой главе даны общие сведения о метане.
Во второй главе приведено описание аппаратуры и метода измерений.
Третья глава посвящена анализу точности измерений и вопросам калибровки измерительной аппаратуры.
В четвёртой главе представлены экспериментальные результаты и их анализ.
В заключении диссертации сформулированы основные выводы работы.
Анализ данных измерений концентрации СН4 в атмосферном воздухе на станции Петергоф за 2013-2016 гг. показал:
• Анализ среднемесячных суточных ходов концентрации СН4 за 2013-2016 гг. показал, что наибольшие суточные вариации наблюдались в период с мая по сентябрь (3-5%), наименьшие – с ноября по декабрь (0,7-1%). Отмечается уменьшение амплитуд суточного хода в 2015-2016 гг. по сравнению с 2013-2014 гг.
• Анализ годового хода средних значений концентрации СН4 показал рост амплитуды с 3.8% для 2013-2014гг. по 6.8 % для 2015-2016гг. Максимальные значения для всего периода измерений фиксировались зимой, минимальные – летом.
• Анализ годового хода по периодам суточного минимума показал рост средних значений концентраций метана с 1924.11 ppbV в 2013 г. по 1990.95 ppbV в 2016 г.
• Оценки скорости роста концентрации метана за рассматриваемый период показали рост со скоростью 0.45±0,04% в год, что хорошо согласуется с данными независимых измерений на сети станций WMO
• Сравнение годовых изменений регионального фона концентраций СН4 для станции Петергоф за 2013-2016 г. было проведено с аналогичными величинами, полученными для следующих станций (все входят в программу GAW международной сети WMO): Pallas-Sammaltunturi, Териберка, Neuglobsow и Mace Head. Получено, что максимальные значения концентраций для всех станций приходятся на зимний период, минимальные – на летний. Данные станции Петергоф лежат в интервале ±20 ppbV относительно других станций.
• Оценка интенсивности эмиссий СН4 была проведена для 2014-2015 гг. для пригорода Санкт-Петербурга и составила 42±27 . Сравнение с независимыми источниками показало допустимое согласование полученных нами оценок и оценок интенсивностей эмиссий СН4 для Лондона, Кракова и Воейково.
Благодарности
Исследования выполнены при финансировании Российского научного фонда (№14-17-00096). Измерения проведены на оборудовании Ресурсного центра СПбГУ "Геомодель".
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
