Мониторинг состояния атмосферы

РСМСА дополнит систему  глобального мониторинга состава  атмосферы (GAW), действующую под эгидой ВМО и испытывающую крайнюю необходимость в создании сети станций на севере Евразии. Структура РСМСА повторяет в основном структуру GAW. На территории России создаются две обсерватории (глобальные станции) – на Северном Кавказе и в центре Сибири, и около десятка региональных станций. Особенностью РСМСА является включение в эту систему Передвижной железнодорожной обсерватории, способной вести измерения всех ключевых примесей и параметров на большей части территории России и в соседних странах.        

В состав сети входят две  стационарных обсерватории, глобальные станции, одна передвижная обсерватория, 10-11 региональных станций и корреспондентские  станции (рис.1). В число последних  включаются все наблюдательные станции  или наблюдательные пункты, которые ведут измерения в рамках международных, национальных, областных и отраслевых экологических программ хотя бы одного необходимого для контроля состава атмосферы параметра.

Такое относительно небольшое количество станций при оптимальном их размещении способно давать необходимую информацию о составе атмосферы над всей территорией страны, антропогенных и природных эмиссиях ключевых примесей, процессах регионального и дальнего переноса загрязняющих веществ, включая перенос через российскую границу, а также давать независимую оценку состояния глобальной атмосферы. 

 

Согласно рекомендациям ВМО и предложениям многочисленных экспертных групп, одна из обсерваторий должна располагаться в центре Сибири в зоне бореальных лесов на значительном удалении от промышленных объектов. При наличии высотной мачты (250-300 м) такая обсерватория способна давать информацию, репрезентативную для значительной части всего Сибирского региона. 

 

Вторая обсерватория должна располагаться в высокогорной незагрязненной местности. Таким местом может быть Северный Кавказ. Ее отличительная особенность –

способность контролировать состав свободной  атмосферы, вынос загрязнений вверх  за пределы загрязненного пограничного слоя и давать оценку изменениям состава глобальной атмосферы под воздействием человеческой деятельности. 

 

Сеть региональных станций должна охватывать все эколого-климатические области России. В пределах каждой из этих областей воздушную среду можно, в первом приближении, рассматривать как единую фотохимическую систему. Т.е. достаточно иметь одну станцию высокого уровня, ведущую комплексные измерения, и несколько наблюдательных пунктов, чтобы, используя современные численные модели атмосферы, следить за состоянием воздушной среды в масштабе региона и прогнозировать ее изменения.  

 

Передвижная обсерватория на базе двух специализированных железнодорожных вагонов объединяет все станции в единую сеть и сводит отдельные фрагменты химического состояния атмосферы в единую картину. Также она обеспечивает калибровку сетевых приборов, валидацию спутниковых данных и выполняет многие другие функции, в том числе обычной стационарной станции или обсерватории. В дополнение к перечисленным выше задачам мониторинга она может выявлять природные и техногенные экстремальные ситуации и прослеживать их развитие. Передвижная обсерватория действует на сети железных дорог России и стран СНГ. Предполагается, что обсерватория будет направляться и в другие страны, с целью уточнения источников примесей, фотохимических и динамических процессов, действующих на континенте. 

 

Другой составной частью Российской системы мониторинга  состава атмосферы являются космические средства наблюдений. Поскольку наиболее приоритетным направлением атмосферного мониторинга является контроль ее химического состава и возможных его изменений над территорией России, а не в глобальном масштабе, то в ближайшие годы работа космической системы должна проходить в основном в рамках двустороннего и многостороннего Международного сотрудничества в области космических исследований с активным использованием зарубежных спутников и систем наблюдения состава атмосферы. Благодаря разработанным в России методам и алгоритмам дистанционного зондирования, наличию уникальных технических разработок участие российских специалистов в уже действующих и планируемых международных космических проектах может быть полноценным и эффективным. Это позволяет в ближайшие годы сосредоточить огромные средства на развертывании наземной сети станций.

Передвижная обсерватория мониторинга природной  среды 

 

В 2003 году по техническому заданию разработанному Институтом физики атмосферы им. А.М. Обухова  РАН и ВНИИ железнодорожного транспорта МПС на Торжокском вагоностроительном заводе изготовлена передвижная обсерватория для наблюдения состава атмосферы и загрязнения природной среды.  

 

Состав из 2-ух специализированных вагонов:

1 - вагон-лаборатория для наблюдений состава атмосферы в непрерывном режиме;

2 - химическая лаборатория. 

 

Основные задачи:

Обсерватория решает широкий круг научных задач, связанных  с изучением атмосферы, состояния  экосистем и климата Земли, и  дает необходимую информацию для  прогнозирования их изменений под воздействием человеческой деятельности.

• В рамках Киотского протокола, Монреальского протокола и других международных соглашений ведет контроль исполнения принятых решений по ограничению выбросов в атмосферу парниковых, озоноразрушающих, токсичных и других веществ.
• Ведет калибровку национальных сетей и космических средств наблюдений атмосферы, связывая их в единую систему климатического мониторинга в Евразии.
• Проводит оценку региональных и местных загрязнений атмосферного воздуха и природной среды в интересах отдельных регионов, отраслей народного хозяйства и промышленных предприятий.
• Выполняет роль арбитра в экологических спорах, в том числе, международных.
• Контролирует возникновение и развитие экстремальных ситуаций природного и техногенного происхождения.
• Служит научно-производственной базой для обучения студентов российских и зарубежных учебных заведений в области наук о Земле и экологии.

Области применения:

 

• Контроль исполнения Международных экологических соглашений (Киотский и Монреальский протоколы, конвенции о трансграничном переносе загрязнении, ограничении производства устойчивых органических соединений и др.);
• Калибровка наземных наблюдательных сетей, валидация данных космического мониторинга природной среды;
• Выявление и прослеживание экстремальных ситуации и техногенных воздействии на окружающую среду;
• Решение фундаментальных научных проблем, связанных с глобальными изменениями природной среды и климата Земли;
• Контроль загрязнения полосы отвода железнодорожного транспорта;
• Оценка влияния работы железнодорожного транспорта на экологическое состояние окружающей территории.

 

Передвижная обсерватория ТРОИКА состоит из двух специализированных железнодорожных вагонов: непосредственно  вагона-обсерватории и химической лаборатории.  

 

Вагон-обсерватория ведет все те измерения и отбор проб , которые включены в систему GAW. В химической лаборатории проводится анализ проб воздуха и аэрозолей, а также воды, почвы и растений на химический, элементный и биологический состав. Обсерватория оборудована высокоточной навигационной системой GPS, автоматизированной системой сбора, обработки и передачи данных измерений, видео- и аудиоинформации через спутник. Кроме научного оборудования каждый из вагонов имеет два купе для операторов, кухню, душ, биотуалет, систему отопления и кондиционирования воздуха, комбинированную  систему энергообеспечения с высокой полезной нагрузкой (20 кВт – в вагоне-обсерватории).            

 В состав химической  лаборатории входит автомобиль-лаборатория  для проведения специальных измерений  и отбора проб на местности. Оба вагона могут работать вместе или раздельно в зависимости от научной программы.

Измерительный комплекс: 
1. Непрерывные измерения концентраци и газов (O3, NO, NO2,СО, СO2, SO2, СН4, неметановые углеводороды) - газоанализаторы, газовые хромотографы. 
2. Непрерывные измерения концентрации и микрофизических свойств аэрозолей 
- счетчики, нефелометры, аэтолометры. 
3. Дистанционное зондирование содержания О3, NO2, СО, СН4 и аэрозолей в атмосфере 
-спектрофотометры, радиометр, поляризационный фотометр. 
4. Отбор и анализ воздуха и аэрозолей на элементный, химический и изотопный состав 
- пробоотборники разных типов, рентгеновский спектрометр, газовые хромотографы. 
5. Измерения солнечной радиации, термодинамических и метеорологических параметров 
-измерители интегральной и УФ радиации, измерители скоростей фотодиссоциации О3 и NO2, измеритель профиля температуры в слое 0-1200 м, акустоанемометр, метеоприборы. 
6. Регистрация данных и их передача по телекоммуникационным каналам 
- GРS, телефон, сервер, персональные компьютеры. 
7. Вспомогательное оборудование.

Характерные особенности  и достоинства: 
1. Использование сетевых приборов и международных калибровочных средств. Соответственно, высокое качество данных и привязка их к мировой сети мониторинга атмосферы. 
2.Широкий диапазон измерений содержания примесей от низких фоновых значений до очень высоких концентраций вблизи источников. 
3.Автоматизация измерений и передача основных результатов в Центр данных (г. Москва) в реальном времени. 
4.Оптимальный набор измеряемых параметров позволяет контролировать текущее фотохимическое состояние атмосферы и прогнозировать его изменения, что важно в экстремальных экологических ситуациях.

Оценка качеств  данных

Принципиальное значение для правильной интерпретации данных измерений с подвижной платформы имеет ответ на вопрос - насколько сильно искажаются значения концентраций примесей в приземном воздухе под влиянием движения поезда с вагоном-лабораторией и встречных поездов относительно их невозмущенного фонового?  

 

Влияние собственного поезда

 

 

   При  изменении скорости движения  и торможении перед остановкой  на показания приборов могут  действовать различные факторы.  Поэтому были проанализированы  данные наблюдений на участках  торможения перед остановкой, во  время стоянки и при последующем разгоне.

Рис 1.   Вариации измеряемых параметров до и

после остановок при отсутствии (а) и наличии (в) инверсий 

 

 

   На  рис. 1 показаны изменения концентрации  О3, NO, NO2, а также метеопараметров  и градиента температуры в  слое 0-50 м до и после остановок в виде осредненных отклонений от средних их значений на каждом участке. Осредненные по всем участкам суточные изменения концентрации примесей и метеопараметров приведены в виде пунктирной линии и средние отклонения даны относительно нее.  

 

 

   На  рисунке 1. также показаны удвоенные  значения среднеквадратичных значений. Заштрихованные области - средние  продолжительности замедления и  набора скорости.  

 

 

   В  целом изменения всех величин  очень малы. Обращает на себя  внимание лишь некоторое увеличение в границах населенных пунктов концентрации NOx и вертикального градиента температуры, отрицательного днем и положительного ночью. Концентрация озона немного в пределах абсолютной  погрешности приборов возрастает при торможении и снижается во время стоянки.  Изменения концентрации CO, CO2 и CH4  и радиационных характеристик не зарегистрировано.  

 

Влияние встречных  поездов   

 Для оценки влияния  встречных поездов рассматривались  участки пути продолжительностью  ±10 мин. относительно прохождения  встречного поезда. На рис. 2 приведены вариации содержания примесей, температуры, градиента температуры и влажности с учетом их суточных изменений в районе встреч поездов при отсутствии и наличии инверсий. Заштрихованная область соответствует реальному времени прохождения встречных поездов с учетом неопределенностей, связанных с задержкой отметки оператора, длительностью прохождения анализируемого воздуха  по воздушным коммуникациям и временем реагирования прибора.

Рис 2.  Вариации измеряемых параметров при прохождении встречных

поездов при наличии (а) и при  отсутствии (в) инверсий. 

 

 

   В  отсутствие инверсий (рис. 2а) встречные  поезда вызывают небольшое, в  пределах 1ppb, уменьшение регистрируемого  прибором содержания озона, концентрация NO2 тоже несколько снижается, однако эти уменьшения не является значимыми. Практически не меняется содержание NO, что говорит об отсутствии эмиссий от встречных поездов на электрической тяге. В инверсионных условиях (рис. 2б) каких-либо значимых изменений содержания примесей, температурной стратификации и влажности не обнаружено. Концентрации химически более устойчивых примесей CO, CO2, CH4 изменяются в еще более малых пределах.  

 

Основной вывод    

 Измерения в движущейся  по электрифицированной железной  дороге платформе в основном отражают фоновое состояние атмосферы. Однако на на интенсивных участках пути, при наличии ночных температурных инверсий и в отсутствии ветра,  загрязнение воздуха может быть значительным, и транспортная магистраль может рассматриваться как загрязняющее атмосферу предприятие.

 

Мониторинг  атмосферы в г.Москве

 

 

С 1 февраля 2002 г. на территории метеорологической обсерватории при  кафедре метеорологии и климатологии географического факультета МГУ  им. М.В. Ломоносова начала работу совместная экологическая станция МГУ и Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН. 

 

 

 

Цель создания экологической станции – непрерывный круглосуточный мониторинг за состоянием атмосферы над г. Москва, отвечающий мировому уровню, а также проведение испытаний, калибровок и сравнений приборов, действующих в составе обсерватории TROICA. 

 

Регулярные наблюдения, ведущиеся на станции, полностью автоматизированы. Контроль за работой приборов и считывание данных осуществляются через сеть Интернет. Для авторизованных пользователей возможен доступ к страничке наблюдений в реальном масштабе времени.