Сравнительный анализ фонового состава аэрозолей экосистем Сибири и Амазонии
|
Введение 4
1. Глава 1. Атмосферные аэрозоли 7
1.1. Определение 7
1.2. Источники образования аэрозолей 7
1.3. Классификации аэрозолей 7
1.4. Форма и размеры аэрозолей 8
1.5. Классификация аэрозолей по размеру 10
1.6. Химический состав аэрозолей 11
1.7. ' ’Жизненный цикл"аэрозолей 12
1.8. Углеродосодержащие аэрозоли 14
1.9. ' ’Фоновое" состояние 15
1.10. Влияние углеродосодержащих аэрозолей на климат 15
2. Глава 2. Техника эксперимента 17
2.1. Места отбора проб 17
2.2. Методика отбора и химического анализа аэрозольных проб 18
2.2.1. Забор проб 18
2.2.2. Термооптический метод спектроскопии 18
2.3. Алгоритм робастного оценивания REBS 21
3. Глава 3. Анализ полученных данных 24
3.1. Анализ временных рядов концентраций углеродосодержащих
компонентовчастиц 24
3.2. Выделение фоновых и антропогенных концентраций 29
3.3. Изучение траекторий переноса источников частиц 35
3.3.1. Модель HYSPLIT и дистанционное зондирование очагов пожаров 35
3.3.2. Временные интервалы ,используемые для траекторного
анализа 36
3.3.3. Траектории переноса воздушных масс в фоновые периоды в
Амазонии 38
3.3.4. Траектории переноса воздушных масс в фоновые периоды в
Сибири 41
3.3.5. Траектории переноса воздушных масс в периоды загрязнений...44
3.3.5.1. Зимние периоды 44
3.3.5.2. Весенние периоды 47
3.3.5.3. Летние периоды 50
3.4. Фоновые значения концентрации компонентов аэрозолей для двух регионов и их сравнение 56
Результаты и выводы 63
Список литературы 65
1. Глава 1. Атмосферные аэрозоли 7
1.1. Определение 7
1.2. Источники образования аэрозолей 7
1.3. Классификации аэрозолей 7
1.4. Форма и размеры аэрозолей 8
1.5. Классификация аэрозолей по размеру 10
1.6. Химический состав аэрозолей 11
1.7. ' ’Жизненный цикл"аэрозолей 12
1.8. Углеродосодержащие аэрозоли 14
1.9. ' ’Фоновое" состояние 15
1.10. Влияние углеродосодержащих аэрозолей на климат 15
2. Глава 2. Техника эксперимента 17
2.1. Места отбора проб 17
2.2. Методика отбора и химического анализа аэрозольных проб 18
2.2.1. Забор проб 18
2.2.2. Термооптический метод спектроскопии 18
2.3. Алгоритм робастного оценивания REBS 21
3. Глава 3. Анализ полученных данных 24
3.1. Анализ временных рядов концентраций углеродосодержащих
компонентовчастиц 24
3.2. Выделение фоновых и антропогенных концентраций 29
3.3. Изучение траекторий переноса источников частиц 35
3.3.1. Модель HYSPLIT и дистанционное зондирование очагов пожаров 35
3.3.2. Временные интервалы ,используемые для траекторного
анализа 36
3.3.3. Траектории переноса воздушных масс в фоновые периоды в
Амазонии 38
3.3.4. Траектории переноса воздушных масс в фоновые периоды в
Сибири 41
3.3.5. Траектории переноса воздушных масс в периоды загрязнений...44
3.3.5.1. Зимние периоды 44
3.3.5.2. Весенние периоды 47
3.3.5.3. Летние периоды 50
3.4. Фоновые значения концентрации компонентов аэрозолей для двух регионов и их сравнение 56
Результаты и выводы 63
Список литературы 65
Присутствие аэрозольных частиц определяет многие свойства газовых сред, в том числе важнейшие для существования человека свойства атмосферного воздуха как среды обитания. Ученые многих стран давно пришли к выводу, что атмосферные аэрозоли играют важную роль в быстропротекающих климатических изменениях, являясь важнейшим климатообразующим фактором. Их наличие существенно влияет на термический режим атмосферы и земной поверхности. Известно, что количество приходящей солнечной радиации зависит от состава атмосферы и прежде всего от наличия аэрозолей, которые поглощают и рассеивают коротковолновую солнечную радиацию, уменьшая тем самым величину потока, приходящего на подстилающую поверхность.
Исследование состава и физических свойств фоновых аэрозолей имеет большое значение для построения моделей, описывающих естественные климатические изменения. Такие модели необходимы для корректной оценки уровня климатических изменений, вызванных антропогенной деятельностью. Задача выделения фоновых составляющих весьма актуальна, т.к. на планете осталось совсем немного мест, где можно пренебречь влиянием антропогенных факторов на формирование климата. К их числу относятся Амазонский бассейн (Бразилия) и Сибирский регион (Россия). Именно эти регионы и были выбраны для анализа фонового состава аэрозолей.
В 2004 году уже были проведены исследования аэрозольных образцов на содержание ОС и ЕС и детальное изучение органических составляющих аэрозоля в лесах Финляндии, однако были изучены отдельные сезоны и короткие временные ряды. Похожие исследования проводились в смешанных лиственных лесах в городе Йулих (Германия), который расположен в области, слабо подверженной антропогенным загрязнениям.
Целью данной работы является исследование временных зависимостей фоновых значений концентрации углеродосодержащих компонентов аэрозоля, а так же сравнение этих значений в экосистемах Сибири и Амазонии.
Основными задачами работы является анализ временных рядов концентраций углеродосодержащих компонентов аэрозоля, изучение их источников и стоков, анализ фоновых значений концентрации, полученных с помощью алгоритма робастного оценивания и сравнение их в двух экосистемах Сибири и Амазонии.
Научная и практическая значимость работы:
1. Данные о сезонных концентрациях аэрозолей и содержании в них углеродных компонентов могут быть использованы для построения уточненных моделей аэрозольного форсинга бореальных и тропических лесов.
2. Полученные результаты могут служить базисом для оценки степени климатических изменений.
3. Они также важны для оценки экологической обстановки в Сибири и Амазонии и ее влиянии на здоровье людей.
Материалы исследований данной работы подразделены на главы:
В первой главе даны основные определения и классификация аэрозолей. Рассмотрен химический состав, источники и стоки атмосферных аэрозолей. Отдельно рассмотрены источники углеродсодержащей фракции частиц, их свойства и механизмы трансформации в атмосфере, роль углеродсодержащего компонента в задачах радиационного форсинга.
Во второй главе описывается место и методика отбора аэрозольных проб, аппаратура, используемая для анализа углеродного состава аэрозоля, приводятся инструментальные погрешности аппаратуры, а также метод выделения фоновых концентраций аэрозоля.
В третьей главе приводятся данные измерений содержания органического и элементарного углерода полученных за период измерений с апреля 2010 по июнь 2014 на станции ZOTTO в Сибири и участках ZF2, TIWA Hotel и UEA в период с января 2014 по март 2015 года. В последующих разделах отдельно рассматривается состав фоновых аэрозолей. Статистический материал предоставляется в виде рисунков и таблиц. Приведен сравнительный анализ фонового состава аэрозолей двух регионов. Отдельный раздел главы посвящен анализу сезонных источников загрязнений за весь период измерений.
Исследование состава и физических свойств фоновых аэрозолей имеет большое значение для построения моделей, описывающих естественные климатические изменения. Такие модели необходимы для корректной оценки уровня климатических изменений, вызванных антропогенной деятельностью. Задача выделения фоновых составляющих весьма актуальна, т.к. на планете осталось совсем немного мест, где можно пренебречь влиянием антропогенных факторов на формирование климата. К их числу относятся Амазонский бассейн (Бразилия) и Сибирский регион (Россия). Именно эти регионы и были выбраны для анализа фонового состава аэрозолей.
В 2004 году уже были проведены исследования аэрозольных образцов на содержание ОС и ЕС и детальное изучение органических составляющих аэрозоля в лесах Финляндии, однако были изучены отдельные сезоны и короткие временные ряды. Похожие исследования проводились в смешанных лиственных лесах в городе Йулих (Германия), который расположен в области, слабо подверженной антропогенным загрязнениям.
Целью данной работы является исследование временных зависимостей фоновых значений концентрации углеродосодержащих компонентов аэрозоля, а так же сравнение этих значений в экосистемах Сибири и Амазонии.
Основными задачами работы является анализ временных рядов концентраций углеродосодержащих компонентов аэрозоля, изучение их источников и стоков, анализ фоновых значений концентрации, полученных с помощью алгоритма робастного оценивания и сравнение их в двух экосистемах Сибири и Амазонии.
Научная и практическая значимость работы:
1. Данные о сезонных концентрациях аэрозолей и содержании в них углеродных компонентов могут быть использованы для построения уточненных моделей аэрозольного форсинга бореальных и тропических лесов.
2. Полученные результаты могут служить базисом для оценки степени климатических изменений.
3. Они также важны для оценки экологической обстановки в Сибири и Амазонии и ее влиянии на здоровье людей.
Материалы исследований данной работы подразделены на главы:
В первой главе даны основные определения и классификация аэрозолей. Рассмотрен химический состав, источники и стоки атмосферных аэрозолей. Отдельно рассмотрены источники углеродсодержащей фракции частиц, их свойства и механизмы трансформации в атмосфере, роль углеродсодержащего компонента в задачах радиационного форсинга.
Во второй главе описывается место и методика отбора аэрозольных проб, аппаратура, используемая для анализа углеродного состава аэрозоля, приводятся инструментальные погрешности аппаратуры, а также метод выделения фоновых концентраций аэрозоля.
В третьей главе приводятся данные измерений содержания органического и элементарного углерода полученных за период измерений с апреля 2010 по июнь 2014 на станции ZOTTO в Сибири и участках ZF2, TIWA Hotel и UEA в период с января 2014 по март 2015 года. В последующих разделах отдельно рассматривается состав фоновых аэрозолей. Статистический материал предоставляется в виде рисунков и таблиц. Приведен сравнительный анализ фонового состава аэрозолей двух регионов. Отдельный раздел главы посвящен анализу сезонных источников загрязнений за весь период измерений.
В данной работе представлены результаты измерений углеродсодержащих компонентов, содержащихся в аэрозольных пробах, отобранных на Сибирской станции ZOTTO в период с апреля 2010 по июнь 2014 года и Амазонских станциях ZF2, TIWA Hotel и UEA в период с января 2014 по март 2015 года.
Были выделены фоновые концентрации углеродосодержащих компонентов с помощью алгоритма робастного оценивания REBS (Robust extraction of background signal) дня двух регионов и проведен их сравнительный анализ.
К числу наиболее важных результатов, полученных в ходе исследований, можно отнести следующие:
1) Были получены многолетние данные о фоновом составе аэрозолей для двух
регионов Сибири и Амазонии. Показано, что вариации фоновых
концентраций элементарного (ЕС) и органического (ОС) углерода в Амазонии носят периодический характер и связаны с постоянно меняющимися метеорологическими условиями. В Сибири периодический ход имеют лишь вариации фоновых концентраций элементарного углерода, которые связаны с различной природой дальнего переноса загрязнений .
2) Обнаружено, что в летний период проявляется устойчивая связь между температурой воздуха и фоновым содержанием аэрозольного органического углерода, что указывает на преимущественный вклад биогенных источников на формирование органического компонента частиц.
3) В зимний сезон основными источниками поступления элементарного углерода на станцию ZOTTO являются техногенные выбросы промышленных центров Сибири, а на Амазонских станциях - выбросы от автомобильного транспорта и промышленных предприятий города Манаус.
4) Средние значения фоновых концентраций органического углерода выше на Амазонских станциях. Среднегодовая температура и влажность в Амазонии велики и интенсивность разложения целлюлозы, в результате которого образуется большая часть органического углерода, выше, чем в Сибири.
5) Средние значения фоновых концентраций элементарного углерода выше в Амазонии в 1.5 - 2 раза, так как станции расположены в непосредственной близости от города Манаус, в отличии от станции ZOTTO, расположенной в 600 км от ближайшего промышленного центра - города Красноярска.
6) В периоды поступления загрязненных воздушных масс на станцию ZOTTO,
ZF2, TIWA Hotel, UEA существенно увеличиваются концентрации
углеродосодержащих компонентов антропогенного происхождения, достигая пика в весенний и летний периоды, когда пожары охватывают огромные территории Сибири и Амазонии.
Были выделены фоновые концентрации углеродосодержащих компонентов с помощью алгоритма робастного оценивания REBS (Robust extraction of background signal) дня двух регионов и проведен их сравнительный анализ.
К числу наиболее важных результатов, полученных в ходе исследований, можно отнести следующие:
1) Были получены многолетние данные о фоновом составе аэрозолей для двух
регионов Сибири и Амазонии. Показано, что вариации фоновых
концентраций элементарного (ЕС) и органического (ОС) углерода в Амазонии носят периодический характер и связаны с постоянно меняющимися метеорологическими условиями. В Сибири периодический ход имеют лишь вариации фоновых концентраций элементарного углерода, которые связаны с различной природой дальнего переноса загрязнений .
2) Обнаружено, что в летний период проявляется устойчивая связь между температурой воздуха и фоновым содержанием аэрозольного органического углерода, что указывает на преимущественный вклад биогенных источников на формирование органического компонента частиц.
3) В зимний сезон основными источниками поступления элементарного углерода на станцию ZOTTO являются техногенные выбросы промышленных центров Сибири, а на Амазонских станциях - выбросы от автомобильного транспорта и промышленных предприятий города Манаус.
4) Средние значения фоновых концентраций органического углерода выше на Амазонских станциях. Среднегодовая температура и влажность в Амазонии велики и интенсивность разложения целлюлозы, в результате которого образуется большая часть органического углерода, выше, чем в Сибири.
5) Средние значения фоновых концентраций элементарного углерода выше в Амазонии в 1.5 - 2 раза, так как станции расположены в непосредственной близости от города Манаус, в отличии от станции ZOTTO, расположенной в 600 км от ближайшего промышленного центра - города Красноярска.
6) В периоды поступления загрязненных воздушных масс на станцию ZOTTO,
ZF2, TIWA Hotel, UEA существенно увеличиваются концентрации
углеродосодержащих компонентов антропогенного происхождения, достигая пика в весенний и летний периоды, когда пожары охватывают огромные территории Сибири и Амазонии.
