При сравнении данных по содержанию озона на станции Листвянка за 2015 г. (рис. 1, а), полученных прямым и пассивным методами, отмечается их хорошее согласование (рис. 1, б) - коэффициент корреляции г > 0,9, что подтверждает достоверность результатов измерений двумя методами.
Рис. 1 Станция Листвянка, 2015 г.: а) сезонная динамика концентрации озона; б) корреляция данных пассивного и прямого методов измерения
На станции Монды связь между результатами, полученными пассивным и принудительным методами в 2015-2016 гг., оказалась чуть ниже - коэффициент корреляции г > 0,7.
Повышенные концентрации озона на фоновой станции Монды наблюдаются на протяжении всего года, в том числе и зимой. С одной стороны, это связано с опусканием озона в приземный слой из вышележащих слоев атмосферы, поскольку станция располагается достаточно высоко над уровнем моря, с другой - удаленностью от промышленных центров региона, в результате чего сток озона на протяжении всего года остается минимальным.
В городских условиях отмечен суточный ход содержания озона в приземной атмосфере, наиболее ярко выраженный в зимний период года. Возможной причиной повышенного стока озона в холодное время года является процесс окисления газов антропогенного характера, прежде всего оксидов азота. На рисунке 2 представлен фрагмент совместной автоматической регистрации концентрации озона и диоксида азота на станции Иркутск в январе 2015 г. Показано, что изменения концентраций этих газов находятся в противофазе: с повышением содержания двуокиси азота происходит резкое понижение озона.
Рис. 2 Многосуточный ход содержания озона и N02 в г. Иркутск. Январь 2015 г.
Ранее нами отмечалось, что на станции Листвянка пониженные концентрации озона могут быть связаны с переносами обедненных озоном воздушных масс на Южный Байкал со стороны индустриальных центров - Иркутска и Ангарска (70-100 км от Листвянки). Происходят они обычно в ночные и утренние часы с так называемыми струйными течениями низкого уровня, которые формируются в инверсионных слоях атмосферы на высотах 200-500 м.
Диоксиды серы и азота. В приземном слое атмосферы существует ряд природных источников оксидов азота и серы [Белан, Савкин, Толмачев, 2006; Звягинцев, Какаджанова, Тарасова, 2010]. Однако в последние десятилетия на первое место выходят антропогенные источники поступления этих газов в атмосферу, к ним относятся крупные тепловые электростанции, предприятия промышленности, оксиды азота и серы поступают в воздух в результате сжигания топлива, мусора, от транспорта [Contributions to cities'..., 2015; Kelly, Fussell, 2012; Vu, Delgado-Saborit, Harrison, 2015]. Транспорт становится основным источником загрязнения атмосферы во многих регионах мира, например Индии, Юго-Восточной Азии, Юго-Восточной Европы, Южной Азии, Бразилии, Южной Америки [Contributions to cities'..., 2015; Sahu, Beig, Parkhi, 2014]. В частности, в Иркутске за период с 2000 по 2014 г. количество единиц автотранспорта выросло более чем на 80 %.
Как показали измерения SO2, на станции Иркутск прослеживается четкая сезонная динамика концентраций этого газа с максимальными значениями в холодный и минимальными - в теплый периоды года (рис. 3, а). Отмечена высокая корреляция между данными, полученными в результате пассивного и принудительного методов отбора проб (г > 0,8) (рис. 3, б).
Рис. 3 Станция Иркутск, 2015-2016 гг.: а) внутригодовая динамика содержания Б02; б) корреляция данных пассивного и принудительного методов измерения
Оксиды азота являются компонентами озоновых циклов, влияют на динамику озонового слоя, а также играют ключевую роль в образовании фотохимического «смога». В силу этого обстоятельства загрязнение атмосферы оксидами азота оказывает как локальное, так и глобальное воздействие на состояние окружающей среды. NO2 является вторичной примесью, которая образуется в результате фотохимических реакций, происходящих в атмосфере, и относится к активным соединениям азота, время жизни которых в атмосфере мало.
Концентрации диоксидов серы и азота в городских и сельских районах значительно подвержены сезонным и межгодовым колебаниям в зависимости от температуры воздуха. В городах Сибири объемы сжигаемого топлива существенно зависят от внешних условий, меняясь как в течение года (зимой - больше, летом - меньше), так и от года к году (в холодные годы - больше, в теплые - меньше). Зависимость содержания диоксида серы и азота от температуры показана на рис. 4.
Рис. 4 Зависимость содержания диоксидов серы и окислов азота от температуры воздуха на станции Иркутск, 2015-2016 гг. (метод пассивного измерения газов)
На станции Иркутск содержание оксидов азота в приземном слое воздуха высокое, что объясняется высокой антропогенной нагрузкой на атмосферу в городе с населением более 600 тыс. человек. На станции Листвянка содержание анализируемых газов в два раза ниже, чем в г. Иркутске, и носит преимущественно локальный характер, хотя повышенные значения определяются и в теплый период года. Это связано с высокой рекреационной нагрузкой поселка как одной из самых больших туристических зон на Байкале в Иркутской области.
Согласно рис. 4 прослеживается четкая сезонная динамика концентраций 802 и N0,, с максимумом в декабре - феврале и минимумом в июне - августе. В данной интерпретации результатов измерений оксиды азота К0х представляют собой сумму соединений N0 и К02.
Заключение
Исследования динамики концентраций озона в тропосферном слое БПТ (2015-2016 гг.) дополнены результатами наблюдений за состоянием МГС с использованием различных методов и средств измерений. Результаты исследований подтвердили выявленные ранее тенденции годового хода в распределении озона в приземной атмосфере на всех станциях мониторинга. Средние концентрации озона в городских условиях (Иркутск) существенно ниже, чем на станциях Монды и Листвянка. Кратковременные колебания концентрации озона зависят не только от фотохимической его генерации под воздействием солнечной радиации днем и частичного разрушения в ночные часы, но и от содержания оксидов серы и азота антропогенного характера в приземном слое атмосферы. Прослеживается сезонная динамика концентраций S02 и N0x в атмосфере Листвянки и Иркутска, связанная с выбросами предприятий теплоэнергетики, повышением концентраций МГС в холодные периоды года и понижением - в теплые. Станция Монды остается фоновой станцией атмосферы на азиатской территории РФ, где источники и сезонная динамика анализируемых газов в приземной атмосфере обусловлены в основном природными процессами. Показана хорошая сходимость результатов измерений озона и МГС, отобранных разными методами. Выявлена высокая корреляция данных при отборе проб озона прямым и пассивным методами и результатов измерений диоксида серы пассивным и принудительным методами. Это позволяет использовать пассивный, более дешевый, не требующий внешнего источника питания и универсальный метод отбора проб в труднодоступных и удаленных районах.
Работа выполнена при финансовой поддержке гос. задания 0345-2016-0008 «Оценка и прогноз экологического состояния озера Байкал и сопряженных территорий в условиях антропогенного воздействия и изменения климата». Работы выполнялись также в рамках международной программы ЕЛНЕТ. Аналитические работы выполнены в Приборном центре коллективного пользования физико-химического ультрамикроанализа ЛИН СО РАН.
Список литературы
1. Актуальность проблемы тропосферного озона в России / С. Н. Котельников, Е. В. Степанов, И. А. Щербаков, В. Т. Ивашкин ; Рос. акад. Наук // Тр. ин-та общ. физики им. А. М. Прохорова. 2015. Т. 71. С. 3-9.
2. Белан Б.Д. Озон в тропосфере / под. ред. В.А Погодаева. Томск: Изд-во Ин-та оптики атмосферы СО РАН, 2010. 488 с.
3. Белан Б. Д., Савкин Д. Е., Толмачев Г. Н. Зависимость образования озона в приземном слое от температуры воздуха // Оптика атмосферы и океана. 2017. Т. 30, № 11. С. 971-979. БОЇ: 10.15372/А0020171110.
4. Звягинцев А. М, Какаджанова Г., Тарасова О. А. Изменчивость приземного озона и других малых газовых составляющих атмосферы в мегаполисе и сельской местности // Оптика атмосферы и океана. 2010. Т. 23, № 1. С. 32-37.
5. Измерения концентрации приземного озона пассивным методом / А. А. Холявицкая, Л. Потёмкин, Л. П. Голобокова, Т. В. Ходжер // Оптика атмосф. и океана. 2011. Т. 24, № 9. 828-831.
6. Исследование процессов распространения диоксида серы и озона на юге Восточной Сибири / В. Л. Потемкин, И. В. Латышева, В. Л. Макухин, Т. В. Ходжер // Оптика атмосф. и океана. 2006. Т. 19, № 7. С. 567-569.
7. Концентрации озона в приземном слое тропосферы в урбанизированных, сельских и фоновых районах юга Восточной Сибири / О. И. Хуриганова, В. А. Оболкин, В. Л. Потемкин, Т. В. Ходжер, О. В. Артемьева, Л. П. Голобокова // Оптика атмосферы и океана. 2015. Т. 28, № 6. С. 579-584. DOI: 10.15372/AOO20150614.
8. Котельников С. Н. Основные механизмы взаимодействия озона с живыми системами и особенностями проблемы приземного озона для России // Рос. акад. наук. Тр. ин-та общ. физики им. А. М. Прохорова. 2015. Т. 71. С. 10-41.
9. Озон и окислы азота в приземном воздухе Северной Евразии по наблюдениям в экспериментах TROICA / Н. В. Панкратова, Н. Ф. Еланский, И. Б. Беликов, О. В. Лаврова, А. И. Скороход, Р. А. Шумский // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2011. Т. 47, № 3. С. 343-358.
10. Akimoto H. Tropospheric ozone a growing threat. Japan, Niigata: Acid deposition and oxidant research center Publ,. 2006. 26 р.
11. Contributions to cities' ambient particulate matter (PM): A systematic review of local source contributions at global level / F. Karagulian, C. A. Belis, C. F. C. Dora, A. M. Pruss-Ustun, S. Bonjour, H. Adair-Rohani, M. Amann // Atmos. Environ. 2015. Vol. 120. Р. 475-483. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2015.08.087.
12. Kelly F. J., Fussell J. C. Size, source and chemical composition as determinants of toxicity attributable to ambient particulate matter // Atmos. Environ. 2012. Vol. 60. Р. 504-526. DoI: 10.1016/j.atmosenv.2012.06.039.
13. Increasing background ozone in surface air over the United States / C. C.-Y. Lin, D. J. Jacob, W. Munger, A. M. Fiore // Geophys. Res. Lett. 2000. Vol. 27(21). P. 3465-3468.
14. Lin J.-T., Patten K. O. Effects of Future Climate and Biogenic Emissions Changes on Surface Ozone over the United States and China // J. Appl. Meteorol. Climatol. 2007. Vol. 47. P. 18881909. DOI: 10.1175/2007JAMC1681.
15. Regional background ozone and carbon monoxide variations in remote Siberia (East Asia) / P. Pochanart, H. Akimoto, Y. Kajii, V. Potemkin, T. Khodzher // J. Geophys. Res. 2003. Vol. 108(1). Р. ACH. 7-1-7-18. DOI: 10.1029/2001JD001412.
16. Eurasian continental background and regionally polluted levels of ozone and CO observed in northeast Asia / P. Pochanart, S. Kato, T. Katsuno, H. Akimoto // Atmos. Environ. 2004. Vol. 38(9). Р. 1325-1336. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2003.11.014.
17. Sahu S. K., Beig G. Parkhi N. Critical Emissions from the Largest On-Road Transport Network in South Asia // Aerosol and Air Qual. Res. 2014. Р. 135-144. DOI: 10.4209/aaqr.2013.04.0137.
18. Vu T. V., Delgado-Saborit J. M., Harrison R. M. Review: Particle number size distributions from seven major sources and implications for source apportionment studies // Atmos. Environ. 2015. Vol. 122. Р. 114-132. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2015.09.027.
References
1. Kotel'nikov S.N., Stepanov E.V., Shherbakov I.A., Ivashkin V.T. Aktualnost problemy troposfemogo ozona v Rossii [An importance of the tropospheric ozone problem for Russia]. Ros- sijskaja Akademija Nauk. Trudy instituta obshhej fiziki im. A.M. Prohorova [Prokhorov General Physics Institute of RAS], 2015, vol. 71, pp. 3-9. (in Russian).
2. Belan B.D. Ozon v troposfere [Ozone in the troposphere]. Tomsk, Institute of atmospheric optics SB RAS Publ., 2010, 488 p. (in Russian).
3. Belan B.D., Savkin D.E., Tolmachev G.N. Zavisimost obrazovaniya ozona v prizemnom sloe ot temperatury vozduha [Generation of ozone in the surface air layer versus air temperature]. Optika atmosf. i okeana [Atmospheric and oceanic optics], 2017, vol. 30, no. 11, pp. 971-979. DOI: 10.15372/AOO20171110. (in Russian).
4. Zvjagincev A.M., Kakadzhanova G., Tarasova O.A. Izmenchivost' prizemnogo ozona i drugih malyh gazovyh sostavljajushhih atmosfery v megapolise i sel'skoj mestnosti [Cycles of surface ozone and other trace gases in urban and rural regions]. Optika atmosferi i okeana [Atmospheric and oceanic optics], 2010, vol. 23, no. 1, pp. 32-37. (in Russian).
5. Holjavickaja A.A., Potjomkin V.L., Golobokova L.P., Hodzher T.V. Izmerenija koncentracii prizemnogo ozona passivnym metodom [Testing of the passive method for measuring ozone concentrations in the atmospheric surface layer (Mondy station, East Siberia)]. Optika atmosferi i okeana [Atmospheric and oceanic optics], 2011, vol. 24, no. 9, pp. 828-831. (in Russian).
6. Potemkin V.L., Latysheva I.V., Makuhin V.L., Hodzher T.V. Issledovanie processov raspros- tranenija dioksida sery i ozona na juge Vostochnoj Sibiri [Studies of the dispersal of sulfur dioxide and ozone in the south of Eastern Siberia]. Optika atmosferi i okeana [Atmospheric and oceanic optics], 2006, vol. 19, no. 7, pp. 567-569. (in Russian).
7. Huriganova O.I., Obolkin V.A., Potemkin V.L., Hodzher T.V., Artem'eva O.V., Golobokova L.P. Koncentracii ozona v prizemnom sloe troposfery v urbanizirovannyh, sel'skih i fonovyh rajonah juga Vostochnoj Sibiri [Ozone concentration in the ground atmospheric layer in urban, rural, and background areas of the south of Eastern Siberia]. Optika atmosferi i okeana [Atmospheric and oceanic optics], 2015, vol. 28, no. 6, pp. 579-584. DOI: 10.15372/AOO20150614. (in Russian).
8. Kotel'nikov S.N. Osnovnye mehanizmy vzaimodejstvija ozona s zhivymi sistemami i osoben- nostjami problemy prizemnogo ozona dlya Rossii [The basic mechanisms of interaction of ozone with live systems and features of a problem of ground ozone for Russia]. Rossijskaya Akademija
9. Nauk. Trudy instituta obshhej fiziki im. A.M. Prohorova [Prokhorov General Physics Institute of RAS], 2015, vol. 71, pp. 10-41. (in Russian).
10. Pankratova N.V., Elanskij N.F., Belikov I.B., Lavrova O.V., Skorohod A.I., Shumskij R.A. Ozon i okisly azota v prizemnom vozduhe Severnoj Evrazii po nabljudenijam v jeksperimentah TROICA [Ozone and Nitric Oxides in the Surface Air over Northern Eurasia According to Observational Data Obtained in TROICA Experiments]. Izvestija RAN. Fizika atmosfery i okeana [Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics]. 2011, vol. 47, no. 3, pp. 343-358. (in Russian).
11. Akimoto H. Tropospheric Ozone a Growing Threat. Japan, Niigata, Acid deposition and oxidant research center Publ., 2006, 26 p.
12. Karagulian F., Belis C.A., Dora C.F.C., Prьss-Ustьn A.M., Bonjour S., Adair-Rohani H., Amann M. Contributions to Cities' Ambient Particulate Matter (PM): A Systematic Review of Local Source Contributions at Global Level. Atmos. Environ, 2015, vol. 120, pp. 475-483. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2015.08.087.
13. Kelly F.J., Fussell J.C. Size, Source and Chemical Composition as Determinants of Toxicity Attributable to Ambient Particulate Matter. Atmos. Environ, 2012, vol. 60, pp. 504-526. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2012.06.039.
14. Lin C.C.-Y., Jacob D.J., Munger W., Fiore A.M. Increasing Background Ozone in Surface air Over the United States. Geophys. Res. Lett, 2000, vol. 27(21), pp. 3465-3468.
15. Lin J.-T., Patten K.O. Effects of Future Climate and Biogenic Emissions Changes on Surface Ozone over the United States and China. J. Appl. Meteorol. Climatol, 2007, vol. 47, pp. 1888-1909. DOI: 10.1175/2007JAMC1681.1.
16. Pochanart P., Akimoto H., Kajii Y., Potemkin V., Khodzher T. Regional Background Ozone and Carbon Monoxide Variations in Remote Siberia (East Asia). J. Geophys. Res, 2003, vol. 108(1), pp. ACH. 7-1-7-18. DOI: 10.1029/2001JD001412.
17. Pochanart P., Kato S., Katsuno T., Akimoto H. Eurasian Continental Background and Regionally Polluted Levels of Ozone and CO Observed in Northeast Asia. Atmos. Environ, 2004, vol. 38(9), pp. 1325-1336. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2003.11.014.
18. Sahu S.K., Beig G. Parkhi N. Critical Emissions from the Largest On-Road Transport Network in South Asia. Aerosol and Air Qual Res, 2014, pp. 135-144. DOI: 10.4209/aaqr.2013.04.0137.
19. Vu T.V., Delgado-Saborit J.M., Harrison R.M. Review: Particle Number Size Distributions from Seven Major Sources and Implications for Source Apportionment Studies. Atmos. Environ, 2015, vol. 122, pp. 114-132. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2015.09.027.