В онлайне: 2 (гостей - 2, участников - 0)  Вход | Регистрация

 

УДК 502.1: 502.3

Уточнение картины аэрозолного загрязнения приземной атмосферы Центрального федерального округа РФ на примере Тульской области

 

Волков А.В., доцент, Кашинцева Л.В., доцент, Панин Д.В., магистрант, Силивеева И.В., магистрант, Баранова Е.К., магистрант

Тульский государственный университет, Россия

 

Рассмотрены пространственные и временные закономерности изменения количественных характеристик запылённости атмосферы территорий ЦФО различных климатических зон, а также результаты многолетних замеров сезонного хода запылённости воздуха г. Тулы. Выполнен анализ устойчивости аномалий запылённости воздуха с учётом динамики режима увлажнения территории.

 

Ключевые слова: факторы прогнозирования ситуаций развития, прозрачность атмосферы, радиационный эксперимент, коэффициент аэрозольного рассеивания солнечной радиации, горизонтальные планшеты, интенсивность осаждения пыли, сезонный ход запылённости воздуха, многолетняя устойчивость аномалий запылённости.

 

В первой четверти XXI века всё более очевидное исчерпание базы традиционных ресурсов, увеличение численности населения, изменения глобального климата и рост климатической миграции, всеобщая дестабилизация биосферы и иные проблемы ведут к тому, что понятие «комфорт» перестаёт играть прежнюю императивную, организующую мышление и деятельность человека функцию. Как следствие, о себе заявляют всеобщее разочарование, психозы, терроризм и иные признаки социальной деградации, включая большую вероятность локальных и крупных военных конфликтов.

В частности, согласно нашему прогнозу, для России предстоящая в 2018 – 2019 годах социально-экономическая ситуация складывается из следующих компонент –  групп причин: 

• в целом, локального максимума «технологической» моды (ОПК);

• максимума «военной» моды (вероятности военного конфликта);

• снижения степени влияния на процессы экзогенного фактора развития – геомагнитной активности;

• роста нестабильности в финансово-экономической сфере, но, может быть, более слабого, чем в ходе минувших событий данного класса.

Различные варианты решения проблемы прогноза геополитических конфликтов в среднесрочном аспекте – в пределах 7-10 лет – не исключает анализа внутригодовой динамики социально-экономических, природных и иных факторов, комбинации которых могут выступить ситуативным поводом к подобным конфликтам. Среди всех этих факторов внимание следует уделять и прозрачности атмосферы, определяющей эффективность применения современных видов военной техники, управляемой дистанционно [1]. Одним из возможных подходов к оценке прозрачности атмосферы того или иного региона является радиационный эксперимент и математическое моделирование распространения солнечной радиации в атмосфере.

Согласно монографии С.И. Сивкова [2], интенсивность интегрального потока солнечной радиации на уровне земной поверхности (Sm) определяется зависимостью вида:

Sm = ∫(Sо,λ pλm)dλ,

 

где pλ –  комплексный спектральный коэффициент прозрачности атмосферы;  m – число оптических масс атмосферы; Sо,λ – спектральная интенсивность солнечной радиации вне земной ат­мосферы.

Величина m может быть рассчитана по формуле Ламберта:

 

mi = 796 [( sin2(hi) + 0,002514)1/2 – sin(hi)],

 

где hi – угловая высота Солнца над горизонтом для данной географической широты и долготы в момент i-го замера.

Коэффициент pλ представляет собой произведение частных коэффициен­тов прозрачности:

 

pλ = pλ pλ-О3 pλ-О2 pλ-СО2 pλ-w pλ-d.

 

Каждый частный коэффициент прозрачности связан с соответству­ющим коэффициентом ослабления соотношением р = е–а.

Следовательно, коэффициент аλ может быть представлен как сумма частных коэффициентов, определяющих ослабление радиации молекулами воздуха аλ,  озона аλ-О3, кислорода аλ-О2, углекислого газа аλ-СО2, водяного пара аλ-w и аэрозольными частицами аλ-d:

 

аλ = аλ + аλ-О3 + аλ-О2 + аλ-СО2 + аλ-w + аλ-d.

 

Коэффициенты ослабления солнечной радиации углекислым газом и кислородом малы и в большинстве случаев ими пренебрегают. Основное значение при расчетах солнечной радиации имеют коэффици­енты ослабления радиации чистым воздухом, озоном, водяным паром и аэрозольными частицами.

Поэтому

 

Sm = òSо,λ [pλpλ-О3pλ-wpλ-d]mdλ = òSи [pλ-dpλ-w]mdλ,

где Sи = Sо,λ (pλ-О3)m (pλ)m – интен­сивность радиации в так называемой «идеальной атмосфере», соответствующая длине вол­ны λ и числу оптических масс m.

Параметры а и р могут характеризовать селективное ослабление радиации на длине волны λ – монохроматические аλ и pλ, либо обобщенное для всех длин волн коротковолнового диапазона солнечного спектра – интегральные а и р. Для решения большинства практических задач определяют интегральные характеристики прозрачности по данным о величине интегрального потока прямой солнечной радиации на длине волны λ = 0,550 мкм.

Расчёт интегральных коэффициентов ослабления радиации молекулами воздуха, озона и водяным паром ведётся по формулам:

 

ав = 9,934 (m0,0022) – 9,836,

  аО3 = 0,022 (m0,551) + 0,0028,

 аw = 0,156 (w m)0,294,

 

где w = 0,1(1,6e + 1,3) – запас воды в атмосфере, см; е – упругость водяного пара.

В наиболее общем виде коэффициент аэрозольного рассеяния солнечной радиации в реальной атмосфере выражается формулой aλ-d = bλ–n, где b и n – численные коэффициенты. Результат расчёта ок­ругляют до десятых долей единицы. При этом значения ad ~ 0,1 соответствуют сравни­тельно небольшой аэрозольной мутности атмосферы; ad ~ 0,2 – состоянию мутности, близкому к среднему и наблюдаемому наиболее часто; ad ~ 0,3 – сильно повышенной аэрозольной мутности.

В случае реальной атмосферы коэффициенты молекулярного (по Релею) и аэрозольного рассеяния обычно рассматривают совместно. Их сумму обозначают t и именуют оптической толщиной атмосферы или её опти­ческой плотностью. Поскольку величина коэффициента молекулярного рассеяния близка к значению 0,1, пе­речисленные значения ad соответствуют значениям оптической плот­ности 0,2, 0,3 и 0,4. Влияние сезонных изменений оптической толщины атмосферы на интенсивность интегрального потока радиации превышает влияние содержания водяного пара.

Интегральный коэффициент прозрачности содержащей аэрозоли атмосферы р может быть определен по результатам непосредственных измерений величин потоков прямой солнечной радиации. В предположении, что закон ослабления света справедлив и для интегрального потока радиации, принимают: 

p = (Sизм / Sо)1/m,

 

где Sизм – измеренный интегральный поток прямой солнечной радиации.

Выполненный по данной формуле расчёт годовых и месячных сумм радиации имеет более высокую точность, чем расчёт для отдельных суток. Для анализа дневного хода интенсивности прямой солнечной ра­диации и расчёта суточных сумм радиации применяют специальные эмпирические формулы. Точность расчёта при этом составляет 5-10 %. Использование же методов, ориентированных на временные интервалы в декаду, месяц и год,  даёт ошибку около 50 %.

Для расчётов дневного хода радиации большинство эмпиричес­ких зависимостей считают равноценными. Однако лучшее приближение к действительности при пониженной и очень по­ниженной прозрачности атмосферы, сохраняя при этом высокую точность, обеспечивает формула В.Г. Кастрова вида:

 

Sm = Sо / (1 + С m),

 

где С – коэффициент, характеризующий суточный ход прозрачности атмосферы. Параметром формулы является не величина астрономической постоянной Sо = 1,98 кал/(см2×мин), а величина т.н. метеорологической солнечной постоянной Sо = 1,80 кал/(см2×мин). Для вычисления характеристик прозрачности атмосферы применяют астрономическую солнечную постоянную [3].

При расчётах по формуле В.Г. Кастрова учитывают суточный ход альбедо поверхности, часто характеризуемой как «сухая серо-зеленая почва». При средних высотах Солнца (h 30о или m 2) альбедо такого грунта равно 0,27, что близко к  альбедо осадочных пород в воздушно-сухом состоянии (0,21&heλλip;0,35) либо к альбедо сухих бетонных оснований (0,28).

Распространение радиации в облачной среде контролируется теми же законами рассеяния и поглощения лучистой энергии, что и в безоблачной атмосфере.

При изучении потоков солнечной радиации в качестве основного параметра принимают аэрозольную компоненту оптической толщины атмосферы ad для эффективной длины волны 550 нм. Абсолютная погрешность определения параметра ad в среднем составляет 0,02, а максимальные значения достигают 0,05. Главная проблема формирования информационной базы ad состоит в эпизодичности актинометрических наблюдений, часто осуществляемых по различным методикам [4, 5].

Величина ad характеризуется значительной временной изменчивостью. Например, в Москве дневная амплитуда ad варьирует в пределах 18-28 % от среднего за сутки значения в январе и в пределах 18-87 % в августе.  Годовая амплитуда в среднем составляет 50 % от среднего многолетнего значения.

Аэрозольное загрязнение атмосферы определяется параметрами источников эмиссии и метеорологическими условиями. Для Москвы и Московской области наибольшие значения ad регистрируются при ветрах восточного и юго-восточного направлений скоростью 1-2 м/с зимой и более 5 м/с летом. Южные и юго-западные ветры сохраняют значения ad на уровне средних величин, а ветры северного направления снижают значения в 2 раза. Особенно сильно на величину ad влияет стратификация атмосферы. Превышения средних значений в 3-4 раза совпадают с продолжительными и мощными инверсиями, развивающимися в условиях устойчивой стратификации атмосферы, что препятствует рассеянию промышленных и транспортных выбросов. Сход снежного покрова в апреле, поступление запыленных воздушных масс с юго-востока, минимум осадков и усиление конвекции атмосферы способствуют увеличению запыленности воздуха, росту величины ad и вариаций её дневной амплитуды до 41 %.

В лесной и лесостепной зонах бассейна Оки годовой ход аэрозольной составляющей оптической толщины атмосферы характеризуется несколькими максимумами. Основной максимум приходится на апрель-май, что объясняется увеличением в атмосфере естественного аэрозоля вследствие полного схода снежного покрова, усиления конвекции и частых выносов запыленных воздушных масс с юга и юго-востока. Те же южные воздушные массы и преобладание антициклональной погоды обуславливают второй максимум – в августе. Минимум величины ad наблюдается в ноябре, что вызывается интенсивным вымыванием аэрозоля в условиях высокой повторяемости и продолжительности обложных осадков, мороси и туманов. В это время увлажненная подстилающая поверхность менее подвижна, а также происходит частая адвекция чистых арктических воздушных масс.

Для центральных областей Европейской территории РФ прослеживается общая тенденция к увеличению фоновых значений ad с севера на юг: зимой – от 0,07 до 0,11; весной – от 0,11 до 0,16; летом – от 0,08 до 0,18 и осенью – от 0,05 до 0,13. Наибольшие значения ad отмечаются для юго-западных регионов РФ. Изменения ad по долготе характеризуются тенденцией к уменьшению с запада на восток. В городах превышение фоновых значений может достигать 20-300 %, в пригородных зонах – 20 %. Например, для Курска отклонение составляет 20 и 10 %, для Нижнего Новгорода – 100 и 20 %. Величина отклонения служит одним из количественных критериев степени экологического неблагополучия региона. В этом отношении, наибольшие экологические риски характерны для Московской, Тульской и Курской областей. В свою очередь, количественными мерами аэрозольного загрязнения атмосферы являются химический состав атмосферных осадков и их общая минерализация [4, 5, 6]. 

Итак, сезонная изменчивость величины ad определяется не только циркуляцией атмосферы, состоянием подстилающей поверхности и рельефом, но и антропогенными факторами. Анализ многолетнего ряда наблюдений, выполненный метеорологической обсерваторией МГУ имени М.В. Ломоносова, выявил тенденцию к уменьшению прозрачности атмосферы. Однако вопрос о степени и механизмах влияния на атмосферу аэрозолей антропогенного происхождения требует дальнейших исследований. 

Региональные величины ad получены нами в 1997-1998 годах в ходе обработки натурных измерений компонент естественной освещённости, выполненных на левом берегу Оки в районе Приокско-террасного биосферного заповедника. Согласно принятому географическому делению, эта территория относится к пограничной зоне, разделяющей бореальные и суббореальные ландшафты. Полученные результаты характеризуют прозрачность атмосферы в условиях снижения объемов промышленных выбросов в атмосферу и сокращения площадей сельскохозяйственных угодий. Для разработки радиационной модели атмосферы использовался методологический подход С.И. Сивкова. Расчёт потоков солнечной радиации в серии приближений «идеальная атмосфера – реальная атмосфера» осуществлялся по формулам В.Г. Кастрова. Обработка эмпирических данных позволила получить сезонный ход параметра ad при разных значениях параметра m. Сезонный ход величины ad условно назван «сценарием прозрачности» атмосферы (табл.).

 

Таблица 1 - Сезонный ход аэрозольной компоненты

оптической толщины атмосферы ad

 

Графики сезонного хода аэрозольной составляющей оптической толщины атмосферы среднего течения Оки (при m = 1,556 и m = 2), а также графики интенсивности выведения пыли на горизонтальные планшеты, установленные в 2015 и 2017 годах в центральном районе Тулы в границах ЦПКиО им. П.П. Белоусова и ближайшей к парку дороги (улица Первомайская), представлены на рис. 1.

 

 

Рис. 1 - Сезонный ход количественных показателей

запылённости атмосферы

 

Несмотря на то, что между замерами величин ad и величин осаждения пыли на планшеты прошло много лет, определённая корреляция сезонного хода параметров, всё же, наблюдается. По-видимому, эта корреляция отражает многолетнюю устойчивость картины запылённости и приземной, и свободной атмосферы в границах среднего течения Оки. В частности, для тёплого периода года величина весеннего (конец марта – апрель) максимума запылённости атмосферы превышает величину максимума начала осени (конец августа – сентябрь). 

На рис. 2 представлены графики сезонного хода аэрозольной составляющей оптической толщины атмосферы, измеренной на севере Тульской области (Ad-1), и сезонного хода параметра в Санкт-Петербурге (Ad-2) и Нижнем Новгороде (Ad-3; усреднённые за 1955-1980 годы).

 

 

Рис. 2 - Сезонный ход количественных показателей запылённости

атмосферы в регионах Европейской территории России

 

Привлечение к анализу подобных данных позволяет допустить, что основные максимумы величин осаждения пыли (позиции 1 и 3), наблюда-емые в центральном районе Тулы следует связывать с ежегодно повторяю-щейся повышенной запылённостью всего объёма атмосферы Европейской территории России (ЕТР). Меньший по величине максимум осаждения пыли июня – начала июля совпадает с некоторым снижением величин аэрозоль-ной составляющей оптической толщины атмосферы (позиция 2). Это может быть связано с недостаточной детализацией привлекаемых моделей сезон-ного хода аэрозольных компонент либо с преобладанием факторов переноса пыли в приземной атмосфере над факторами, обусловленными циркуляцией воздушных масс в свободной атмосфере. Последние определяют некоторое снижение общей запылённости атмосферы, а ход осадков, напротив, обес-печивает увеличение осаждения пыли на планшет. Действительно, в гра-ницах Тульской области вторая половина июня – первая половина июля обычно отмечена минимумом хода суточных сумм осадков. Выпадающие в это время осадки, как правило, кратковременны и непродолжительны.    

Сезонный ход величин ad и околополуденной температуры воздуха коррелируют друг с другом с учётом временного лага, составляющего 1-2 недели. При этом увеличение величины ad опережает повышение температуры. Явление обусловлено адвекцией (от лат. advectio – доставка; горизонтальное перемещение воздуха из одних районов Земли в другие) запыленных воздушных масс из полупустынных и степных регионов ЕТР, наблюдаемую при ветрах юго-восточного и южного направлений. Причем весной этот эффект проявляет себя сильнее, чем осенью. В целом, высоким значениям температур соответствуют повышенные значения ad. Понижение температуры ведёт к снижению величин ad. В тёплый период года к интервалам снижения температуры приурочены осадки, обеспечивающие вымывание аэрозолей из атмосферы.

Для оценки силы связи между временными последовательностями и величины лага, отражающего положение их максимального соответствия, по данным 1997-1998 годов рассчитана функция взаимной корреляции для следующих пар: 1) ad и общая минерализация осадков; 2) ad и сумма осадков за месяц; 3) ad и температура воздуха.

В первом случае максимальная корреляция рядов достигает 0,458 при величине лага 9 суток. Иными словами, температуру действительно следует считать фактором опосредованного влияния на величину аэрозольной компоненты оптической толщины атмосферы. Связь проявляется через влияние температуры на подвижность деятельного слоя и интенсивность эрозии почв и грунтов в тех регионах ЕТР, откуда происходит вынос воздушных масс.

Согласно рис. 3, содержание растворимых веществ в пробах осадков напрямую связано с величиной ad. Положение максимального соответствия совпадает с нулевым лагом и характеризуется коэффициентом взаимной корреляции, равным 0,689.

 

 

Рис. 3 - Расчёт величины функции взаимной корреляции

для рядов величин ad и общей минерализация осадков (г/л)

 

Рис. 4 иллюстрирует обратное влияние ежемесячной суммы осадков на величину ad: чем больше сумма осадков, тем меньше запылённость воздуха. Максимальный коэффициент корреляции соответствует сдвигу рядов на один лаг и составляет –0,473. С изменением величины сдвига рядов t коэффициент корреляции быстро меняется. Правда, согласно изысканиям М.Е. Берлянда [7], более существенно на запыленности воздуха влияют не суточные и ежемесячные суммы, а периодичность осадков в изучаемом регионе.

 

Рис. 4 - Взаимная корреляция в положении максимального

несоответствия Ad и суммы осадков за месяц, мм

 

Профессором М.Е. Берляндом установлена практически важная связь интенсивности осаждения пыли на горизонтальный планшет и её массовой концентрацией в приземной атмосфере (Труды ГГО им. А.И. Воейкова, вып. 185). В ходе исследований учёным решалась следующая задача: оценка зависимость вертикального потока пыли от размеров планшета λ [м] и текущих метеорологических условий – скорости ветра V [м/с] и величины коэффициента турбулентного обмена k2/с]. При этом особенности обтекания планшета воздушным потоком не учитывались, а величины V и  k принимались, в первом приближении, постоянными по высоте.

Для практического использования этой закономерности в наших исследованиях принимались следующие данные:  q ≈ 0,2 мг/м3, V = 2,5 м/с,    k = 0,25 м2/с, λ = 0,0177 м. То есть, длина планшета единичной ширины составляла π·D2/4 ≈ 3,1416·(0,15 м)2/4 = 0,0177 м × 1 м. Поэтому средним величинам запылённости приземной атмосферы горнопромышленного региона (q) соответствовала величина поступления пыли на планшет, равная 0,021 мг/(м2×с) или 669 т/(км2×год).

Итак, прикладные исследования, ориентированные на оценку устойчивости картины многолетней динамики запылённости приземной атмосферы промышленных центров Европейской территории России, способные выступить эмпирической базой обсуждения общих проблем техносферной безопасности, инженерной защиты окружающей среды, безопасности жизни и трудовой деятельности населения, актуальны и практически значимы.

В исследованиях рассмотрены пространственные и временные закономерности изменения количественных характеристик запылённости приземной атмосферы территорий различных климатических зон, установленные экспериментальными методами; изучен опыт многолетних замеров сезонного хода запылённости воздуха г. Тулы; выполнен анализ устойчивости аномалий запылённости с учётом динамики режима увлажнения территории.

 

Библиографический список

1. Козодеров В.В., Ахмедов Ш.А. Атмосфера как помеха в исследованиях биосферы из космоса // Природа и ресурсы. Том XXV. 1989. № 1-4. С. 76-103.

2. Сивков С.И. Методы расчёта характеристик солнечной радиации. Л.: Гидрометеоиздат, 1968. 232.

3. Евневич Т.В. О расчёте солнечной радиации и естественной освещённости в идеальной атмосфере // Метеорология и гидрология. 1994. № 2. С. 41-49.

4. Горбаренко Е.В. Аэрозольная составляющая оптической толщины атмосферы как характеристика антропогенного загрязнения воздуха над промышленными центрами //  Метеорология и гидрология. 1997. № 3. С. 12-18.

5. Горбаренко Е.В. Пространственно-временная изменчивость аэрозольной составляющей оптической толщины атмосферы на территории СССР // Метеорология и гидрология. 1997. № 5. С. 36-34.

6. Байков И.М. Особенности многолетнего изменения коэффициента прозрачности атмосферы и составляющих солнечной радиации в Сибири и на Дальнем Востоке в 1967-1986 годах // Метеорология и гидрология. 1998. № 1. С. 29-35.

7. Берлянд М.Е. Современные проблемы атмосферной диффузии и загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 448 с.

 

 

 


 

Разделы конференции »

  1. Государственный кадастр недвижимости и земельно-имущественные отношения
  2. Мониторинг природных ресурсов и охрана окружающей среды
  3. Комплексное использование природных ресурсов
  4. Современные вопросы геологии
  5. Физика горных пород
  6. Новые технологии в природопользовании
  7. Применение современных информационных технологий
  8. Экономические аспекты недвижимости
  9. Мониторинг использования объектов недвижимости
  10. Топографо-геодезическое обеспечение кадастровых работ

 

Проекту Kadastr.ORG требуются средства на хостинг и развитие

Сумма: руб.