Современные проблемы исследований приземного озона
 Атмосфера
представляет собой сложную физико-химическую систему, находящуюся во взаимодействии
с земной поверхностью, океаном и биосферой. Ее состав непрерывно меняется. В
последнее столетие эти изменения резко ускорились в результате человеческой
деятельности. Промышленностью, транспортом, коммунальными службами в атмосферу
выбрасываются опасные для человека и живой природы химически активные и токсичные
соединения. Некоторые из них формируются непосредственно в воздушной среде из
относительно нейтральных химических предшественников. Такие вещества как углеводороды,
окислы азота, серы и углерода способны изменять окислительные свойства атмосферы,
т.е. возможность атмосферы трансформировать загрязняющие примеси в нейтральные
формы и выводить их из воздушной среды. Они также способствуют фотохимическому
образованию озона в тропосфере, высокие концентрации которого сильно снижают
биологическую продуктивность растений, в том числе, и сельскохозяйственных культур,
и негативно влияют на здоровье человека. Растворяясь в дождевых каплях, окислы
азота и серы приводят к выпадению кислотных осадков, которые наносят большой
ущерб природной среде в индустриальных регионах.
Усиление в последнее время внимания в мире к наблюдениям приземного озона связано со следующими основными факторами: 1) озон является токсичным загрязнителем атмосферы, концентрация которого нередко превышает предельно допустимую, вследствие чего Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) включила его в список пяти основных загрязнителей, содержание которых необходимо контролировать при определении качества воздуха; 2) озон играет ключевую роль в химических и фотохимических процессах в тропосфере, обусловливая ее окислительную способность; 3) обеспокоенность вызывают наблюдаемый в обширных континентальных районах Северного полушария как общий рост тропосферного и приземного озона, так и эпизоды с его повышенными значениями. В немалой степени резко возросший объем исследований приземного озона в последние полтора десятилетия связан с появлением сравнительно недорогих, высокоточных и способных работать в автономном режиме средств измерений концентрации озона. Временное поведение приземного озона тесно связано и во многом определяется поведением других малых газовых составляющих атмосферы (МГС), в первую очередь, оксидов азота (NO и NO2), оксида углерода, широкой группы так называемых летучих органических соединений (английское сокращение - VOC) и других соединений, однако данных об этих соединениях гораздо меньше и они менее надежны.
Как правило, исследования тропосферного озона и озонового слоя (который в основном находится в нижней стратосфере) мало связаны между собой и соответствующие конференции за рубежом проходят раздельно. До сих пор в бывшем СССР и нынешней России не проводилось конференций, специально посвященных приземному озону, и, как показало проведенное в сентябре 2002 г. на физическом факультете МГУ Рабочее совещание по исследованиям тропосферного озона в рамках подпрограммы TOR-2 (Tropospheric Ozone Research - исследования тропосферного озона), большинство российских участников в недостаточной степени представляли себе как уровень и масштабы работ за рубежом, так и объем исследований в собственной стране.
Первые достаточно представительные наблюдения приземного озона в бывшем СССР проведены А.С. Бритаевым в начале 1970-х гг. сначала в г. Долгопрудном (ЦАО), а потом продолжены в МосЦГМС совместно с Г.П. Фарапоновой. Были оценены суточные и сезонные изменения приземного озона в Москве. Во второй половине 1970-х гг. наблюдения стали проводить с подвижных платформ (корабли и самолеты). Но первые регулярные наблюдения, продолжающиеся и в настоящее время, были начаты в Литве на побережье Балтийского моря (Р. Гирджене) в начале 1980 гг. С 1989 г. регулярные измерения приземного озона начаты на высокогорной станции ИФА РАН близ г. Кисловодска, в начале 1990 гг. - в г. Долгопрудном (ЦАО), Томске (ИОА СО РАН), на станциях сети фонового мониторинга (ИГКЭ). С 1999 г. регулярные наблюдения начаты на Кольском полуострове на базе ПГИ КНЦ РАН вблизи пос. Ловозеро и недавно наблюдения - в районе озера Байкал. С 1995 г. практически ежегодно происходят железнодорожные экспедиции "Тройка" вагона, оборудованного широким набором аппаратуры для измерения большого числа МГС (включая озон) и различных метеопараметров (в т.ч. уникальных) на маршрутах Москва-Хабаровск и Мурманск-Кисловодск. Результаты исследований свидетельствуют о важности, прежде всего, влияния на приземный озон метеорологических факторов. В числе наиболее актуальных задач на будущее названы существенное расширение сети мониторинга и его метрологическое обеспечение на уровне, принятом в странах Европы.
Существенно лучше развиты исследования приземного и тропосферного озона в Европе. С начала 70-х годов в Европе работает Программа EMEP (Европейская совместная программа мониторинга и оценки переноса воздушных загрязнений на большие расстояния; адрес в интернете: http://www.emep.int). Она выполняется под эгидой Европейской экономической комиссии ООН и имеет целью получение геофизической и экологической информации, необходимой для разработки и контроля достигнутых международных соглашений по вопросам охраны окружающей среды; полученные при ее выполнении данные наблюдений в сельских районах Западной Европы являются, по-видимому, самыми надежными из имеющихся. От России в программе участвует Институт глобального климата и экологии (ИГКЭ) РАН и Росгидромета.
Одновременно с программой EMEP в Европе проводились исследования приземного и тропосферного озона в рамках проекта TOR (Tropospheric Ozone Research), основными целями которого являлись 1) оценка трендов концентрации тропосферного озона и его предшественников, и механизмы их формирования, вклад фотохимических и динамических процессов в наблюдаемые тренды, моделирование долговременных изменений газового состава атмосферы; 2) процессы вертикального обмена озоном между планетарным пограничным слоем и свободной тропосферой, тропосферой и стратосферой и 3) периодические вариации концентрации тропосферного озона различного масштаба (сезонные и суточные вариации), механизмы этих вариаций и их моделирование, влияние процессов переноса и синоптических процессов на вариации приземного озона. Работа проекта завершилась в 2002 году рабочим совещанием на физическом факультете МГУ.
В рамках проекта было показано, что в загрязненных регионах концентрация предшественников озона: ЛОС и СО (от -35 до -50%), и NOx (-20 to -40%) относительно уровня 10-15 лет назад. Максимальные концентрации приземного озона значительно уменьшились за последнее десятилетие одновременно с повышение минимальных концентраций (в загрязненных условиях). Исследования отдельных случаев (наблюдаемых и модельных) показали огромное разнообразие процессов, приводящих к вертикальному транспорту озона из погранслоя в свободную тропосферу. Механизм "конвейерного транспорта" является эффективным способом переноса загрязнений в свободную тропосферу с дальнейшим их переносом на большие расстояния. Горные регионы Европы также приводят к забросу загрязнения в свободную тропосферу. Конвективное перемешивание также может играть значительную роль.
Показано, что in situ фотохимическая генерация озона в нижней тропосфере над континентальными районами Европы является важным фактором, обеспечивающим рост озона в весенние месяцы, значительное количество фотохимически образованного озона может переноситься на дальние расстояния.
Несмотря на существенный прогресс в понимании климатологии приземного озона в Европе, на развитие его исследований в России, до сих пор остаются открытые вопросы.
Среди основных проблем можно выделить тот факт, что большинство европейских проектов являются слишком политико-ориентированными, они нацелены на анализ аномальных концентраций, связь трендов озона с изменением антропогенных эмиссий. Это приводит к недооценке роли естественных процессов, органической связи приземного/тропосферного и общего озона. Более того, в последнее время наблюдается сильное "увлечение" модельными оценками, что приводит к непониманию роли отдельных влияющих факторов и физических механизмов такого влияния.
Кафедра физики атмосферы.
Оксана Тарасова
|
Виртуальный тур и фильмы о факультете
Вестник МГУ. Серия 3.
связаться с нами