Отправить статью по E-mail Черный углерод в приводном слое атмосферы над северной Атлантикой и морями российской Арктики в июне–сентябре 2017 г.
- Авторы: Шевченко В.П.1, Копейкин В.М.2, Новигатский А.Н.1, Малафеев Г.В.1
-
Учреждения:
- Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН
- Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН
- Выпуск: Том 59, № 5 (2019)
- Страницы: 771-776
- Раздел: Морская геология
- URL: https://journals.eco-vector.com/0030-1574/article/view/17604
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0030-1574595771-776
- ID: 17604
Цитировать
Полный текст
Аннотация
В статье представлены результаты исследования концентраций черного углерода в приводном слое атмосферы над Балтийским и Северным морями, Северной Атлантикой, Норвежским, Баренцевым, Карским морями и морем Лаптевых в период с 30 июня по 29 сентября 2017 г. в 68- и 69-м рейсах научно-исследовательского судна “Академик Мстислав Келдыш”. Черный углерод оказывает существенное влияние на климатические изменения и степень загрязнения Арктики. Черный углерод образуется в результате неполного сгорания ископаемого топлива (в первую очередь угля, нефти) и биомассы или биотоплива. Он состоит из субмикронных частиц и их агрегатов и может переноситься на большое расстояние от источника. Пробы отбирали прокачкой воздуха в течение 4–6 часов через кварцевые фильтры Hahnemule на высоте 10 м над уровнем моря при встречном ветре для исключения попадания на фильтры дыма из трубы судна. В дальнейшем содержание черного углерода определяли в лабораторных условиях аэталометрическим методом. Обратные траектории переноса воздушных масс и транспортируемых ими частиц черного углерода в точки отбора проб рассчитывали с помощью модели HYSPLIT (Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory) на сайте http://www.arl.noaa.gov/ready.html. Проведенные исследования показывают низкие значения концентраций черного углерода (<50 нг/м3) вдоль маршрута экспедиции тогда, когда воздушные массы поступали из фоновых районов Северной Атлантики и Арктики. Высокие концентрации черного углерода (100–200 нг/м3 и выше) характерны для участков с активным судоходством (Юго-Восточная Балтика, Северное море) и вблизи портов (например, Рейкьявик), а также при поступлении воздушных масс из индустриально развитых районов Европы в Юго-Восточной Балтике и из районов нефтегазовых месторождений, на которых проводят сжигание попутного газа (Северное, Норвежское и Карское моря).
Полный текст
ВВЕДЕНИЕ
Существенное влияние на климатические изменения и степень загрязнения Арктики оказывает черный углерод (black carbon), являющийся важным компонентом аэрозолей и нерастворимых частиц, накапливающихся в снежном покрове [12, 17, 18]. Черный (сажевый) углерод образуется в результате неполного сгорания ископаемого топлива (в первую очередь угля, нефти) и биомассы или биотоплива. Он состоит из субмикронных частиц и их агрегатов и может переноситься на большое расстояние от источника, как и значительная часть рассеянного осадочного вещества атмосферы [15, 17]. Кроме различного воздействия на радиационные свойства атмосферы, черный углерод оказывает заметное влияние на оптические свойства подстилающей поверхности: выпадая на снег и лед, он изменяет альбедо и радиационный баланс в слое “атмосфера — земная поверхность” [17, 18]. Частицы сажи являются опасным загрязняющим веществом воздуха для здоровья людей, особенно в районах интенсивного транспорта (в том числе вблизи портов). Они составляют значительную часть фракции аэрозолей с диаметром менее 2.5 мкм, являющихся наиболее токсичными: такие частицы вызывают и усиливают дыхательные, сердечно-сосудистые и аллергические заболевания [14, 18].
Исследования черного углерода в приводном слое атмосферы над Северной Атлантикой и морями Российской Арктики проводились в ряде экспедиций [3–7, 16, 19–21].
Целью данного исследования являлось изучение количественного распределения черного углерода в приводном слое воздуха над Северной Атлантикой и ее морями (Балтийским и Северным) и морями Российской Арктики в летне-осенний период и определение его основных регионов-источников.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Пробы для определения концентрации черного углерода (сажи) в приводном слое воздуха над Северной Атлантикой и ее морями (Балтийским и Северным) отбирали с 30 июня по 9 августа 2017 г. в 68-м рейсе НИС “Академик Мстислав Келдыш” и с 24 августа по 29 сентября 2017 г. в 69-м рейсе этого судна прокачкой воздуха в течение 4–6 часов через кварцево-волоконные фильтры Hahnemule на высоте 10 м над уровнем моря при встречном ветре для исключения попадания на фильтры дыма из трубы судна. Районы отбора проб показаны на рис. 1 и 2. В дальнейшем содержание черного углерода определяли в лабораторных условиях аэталометрическим методом [21]. Обратные траектории переноса воздушных масс и транспортируемых ими аэрозолей, включая черный углерод, в точки отбора проб рассчитывали с помощью модели HYSPLIT (Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory) на сайте http://www.arl.noaa.gov/ready.html [10].
Рис. 1. Концентрация черного углерода (нг/м3) в приводном слое атмосферы, 30.06–9.08.2017 г.
Рис. 2. Концентрация черного углерода (нг/м3) в приводном слое атмосферы, 24.08–29.09.2017 г.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 показаны значения концентраций сажевого углерода (нг/м 3) в приводном слое атмосферы, полученные по ходу движения судна в 68-м рейсе НИС “Академик Мстислав Келдыш” в июне — августе 2017 г. Высокие концентрации сажевого углерода (100–200 нг/м 3 и выше) характерны для областей, находящихся под сильным антропогенным влиянием. Так, выделяются районы с активным судоходством и промышленностью в Юго-Западной Балтике (№ 107–109). В 2011 г. концентрация черного углерода в приводном слое атмосферы над Восточной Балтикой по литературным данным в среднем составляла 280 нг/м 3 [9]. Активная добыча углеводородного сырья и сжигание попутных газов на шельфе Северного моря повышает уровень концентрации сажевого углерода в этих областях (№ 110, 111, 114). Кроме этого, здесь активное судоходство. Было показано, что выбросы черного углерода и парниковых газов в атмосферу являются существенной частью их эмиссий в районах активного судоходства и оказывают существенное влияние на климат и загрязнение окружающей среды [11]. Кроме того, выделяются зоны с портовой инфраструктурой (№ 139–140, порт Рейкьявик), где фиксируются достаточно высокие концентрации сажевого углерода 100–120 нг/м 3.
На открытых участках Северной Атлантики в первой половине июля 2017 г. концентрации черного углерода варьируют от 29 до 88 нг/м 3, в среднем 58.2 нг/м 3 при стандартном отклонении 17.5 нг/м 3 (n = 14 проб). Рассчитанные обратные траектории воздушных масс для точек с низкими концентрациями показывают, что атмосферные потоки прибывали из юго-западных областей Северной Атлантики (рис. 3а) или Центральной Арктики.
Рис. 3. Обратные траектории воздушных масс для района отбора проб в Северной Атлантике и Баренцевом море: (а) — № 135 от 13:00 UTC (всемирное координированное время) 14.07.2017 г.; (б) — № 167 от 12:00 UTC 06.08.2017 г., рассчитанные по методу, описанному в работе [10].
В Норвежском море во второй половине июля концентрации черного углерода были выше (от 50 до 95 нг/м 3, в среднем 76.6 нг/м 3 при стандартном отклонении 17.4 нг/м 3, n = 8). Одной из причин повышения концентраций черного углерода в этом районе является сжигание попутных газов.
В период с 29 июля по 9 августа 2017 г. концентрации черного углерода над Баренцевым морем варьировали от 34 до 72 нг/м 3, составляя в среднем 46.2 нг/м 3 при стандартном отклонении 12.9 нг/м 3 (n = 10). Воздушные массы в этот район поступали в основном из чистых районов Центральной Арктики (рис. 3б).
Во время 69-го рейса НИС “Академик Мстислав Келдыш” в юго-восточной части Баренцева моря 24 августа 2017 г. и 29 сентября 2017 г. концентрации черного углерода варьировали от 24 до 52 нг/м 3, составляя в среднем 36.2 нг/м 3 при стандартном отклонении 9.2 нг/м 3 (n = 6). Ранее, в октябре 2015 г., во время экспедиции “Север-2015” на борту НЭС “Академик Трёшников” концентрации черного углерода были в основном ниже 30 нг/м 3 [16].
Во второй половине августа 2013 г. во время экспедиции на НЭС “Академик Фёдоров” концентрации черного углерода в восточной части Баренцева моря вблизи берегов Кольского полуострова варьировали от 80 до 250 нг/м 3 (в среднем 140 нг/м 3 при стандартном отклонении 100 нг/м 3, n = 3), а на удалении от Кольского полуострова — от 30 до 80 нг/м 3 (в среднем 60 нг/м 3 при стандартном отклонении 20 нг/м 3, n = 6) [19].
На рис. 2 показаны концентрации сажевого углерода (нг/м 3) в приводном слое атмосферы, полученные по ходу движения судна в 69-м рейсе НИС “Академик Мстислав Келдыш”. В целом на открытых морских участках преобладают низкие концентрации (20–50 нг/м 3), при среднем значении 30.8 нг/м 3 (стандартное отклонение 16.7 нг/м 3, n = 54), которые допустимо считать фоновыми.
Рассчитанные с помощью модели HYSPLIT [10] обратные траектории воздушных масс для точек с низкими концентрациями показывают, что атмосферные потоки прибывали из северных и северо-восточных районов Арктики.
Высокие концентрации сажевого углерода (79 и 93 нг/м 3) в Карском море зафиксированы в области Новоземельской котловины (№ 11, рис. 4а) и в устье р. Оби (№ 58, рис. 4б), что связано с поступлением воздушных масс из районов добычи углеводородов и сжигания попутных газов в Западной Сибири [1, 2].
Рис. 4. Обратные траектории воздушных масс для района отбора проб в Карском море: (а) — № 11 от 10:00 UTC 27.08.2017 г.; (б) — № 58 от 1:00 UTC 23.09.2017 г., рассчитанные по методу, описанному в работе [10].
Ранее такое увеличение концентраций черного углерода в Карском море было зарегистрировано при поступлении воздушных масс со стороны севера Западной Сибири в сентябре–октябре 2011 г. (59-й рейс НИС “Академик Мстислав Келдыш”) [21], сентябре–октябре 2015 г. (63-й рейс НИС “Академик Мстислав Келдыш” и в экспедиции “Север-2015”) [16, 20].
Для двух проб в Карском море в сентябре 2015 г. наряду с поступлением воздушных масс из районов со сжиганием попутных газов было отмечено поступление воздушных масс из районов в период происходящих лесных пожаров в Сибири [20]. Сравнительно высокие концентрации черного углерода (около 100 нг/м 3) были отмечены у северной оконечности Новой Земли 9–11 сентября 2016 г. во время поступления воздушных масс со стороны Южной Сибири в период мощных лесных пожаров на севере Иркутской области [6].
Концентрация черного углерода над морем Лаптевых в периоды с 31 августа по 4 сентября и с 13 сентября по 21 сентября 2017 г. варьировала от 6 до 51 нг/м 3, составляя в среднем 22.9 нг/м 3 при стандартном отклонении 11.2 нг/м 3 (n = 18). В июне 2010 г. на побережье море Лаптевых в районе Тикси концентрация черного углерода в среднем составляла 26 нг/м 3 [3]. В сентябре 2015 г. в море Лаптевых вблизи порта Тикси была зарегистрирована концентрация черного углерода равная 112 нг/м 3 при поступлении воздушных масс из районов происходящих тогда лесных пожаров в Сибири, т. е. наряду с влиянием порта существенный вклад в концентрацию черного углерода вносили частицы, образовавшиеся в результате лесных пожаров [20].
Высокие значения эмиссии антропогенного черного углерода в атмосферу характерны для густонаселенных, экономически развитых районов центра Европейской территории России, южных районов Урала и Западной Сибири, а также для малонаселенных Ямало-Ненецкого и Ханты-Мансийского автономных округов, промышленность которых основана на добыче природных нефти и газа и где широко проводится сжигание попутных газов [1, 2, 13, 22].
Повышение концентрации элементного (черного) углерода на северо-западном побережье Кандалакшского залива Белого моря на полуострове Киндо отмечали ранее во время поступления воздушных масс со стороны Северного и Норвежского морей, где происходит активная добыча нефти и газа и сжигание попутных газов [8].
ВЫВОДЫ
Таким образом, проведенные исследования показали, что низкие значения концентраций черного углерода вдоль маршрута экспедиции наблюдались тогда, когда воздушные массы поступали из фоновых районов Северной Атлантики и Арктики. Высокие концентрации были характерны для участков с активным судоходством (Юго-Восточная Балтика, Северное море) и вблизи портов (например, Рейкьявик), а также при поступлении воздушных масс из индустриально развитых районов и из районов нефтегазовых месторождений, на которых проводят сжигание попутного газа (Северное, Норвежское и Карское моря).
Благодарности. Авторы благодарят академика А. П. Лисицына за поддержку и ценные советы, экипаж научно-исследовательского судна “Академик Мстислав Келдыш” за помощь в экспедиции, Э. В. Соколову за помощь в обработке фильтров.
Источник финансирования. Экспедиционные исследования проведены при поддержке РНФ (грант № 14-50-00095). Интерпретация результатов выполнена в рамках госзадания ФАНО (тема № 0149-2019-0007).
Об авторах
В. П. Шевченко
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН
Автор, ответственный за переписку.
Email: vshevch@ocean.ru
Россия, Москва
В. М. Копейкин
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН
Email: kopeikin@ifaran.ru
Россия, Москва
А. Н. Новигатский
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН
Email: vshevch@ocean.ru
Россия, Москва
Г. В. Малафеев
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН
Email: vshevch@ocean.ru
Россия, Москва
Список литературы
- Виноградова А. А. Эмиссии антропогенного черного углерода в атмосферу: распределение по территории России // Оптика атмосферы и океана. 2014. Т. 27. № 12. С. 1059-1065.
- Виноградова А. А., Васильева А. В. Черный углерод в воздухе северных районов России: источники, пространственные и временные вариации // Оптика атмосферы и океана. 2017. Т. 30. № 6. С. 467-475.
- Голобокова Л. П., Полькин В. В., Кабанов Д. М. и др. Исследования атмосферного аэрозоля в арктических районах России // Лед и cнег. 2013. № 2 (122). С. 129-136.
- Полькин В. В., Голобокова Л. П., Козлов В. С. и др. Оценка связи микрофизического и химического состава для приводного аэрозоля Белого моря // Оптика атмосферы и океана. 2004. Т. 17. № 5-6. С. 377-385.
- Полькин В. В., Панченко М. В., Грищенко И. В. и др. Исследования дисперсного состава приводного аэрозоля Белого моря в конце летнего сезона 2007 г. // Оптика атмосферы и океана. 2008. Т. 21. № 10. С. 836-840.
- Терпугова С. А., Зенкова П. Н., Кабанов Д. М. и др. Результаты исследований характеристик аэрозоля в атмосфере Карского и Баренцева морей в летне-осенний период 2016 г. // Оптика атмосферы и океана. 2018. Т. 31. № 5. С. 391-402.
- Шевченко В. П., Лисицын А. П., Купцов В. М. и др. Состав аэрозолей в приводном слое атмосферы над морями западного сектора Российской Арктики // Океанология. 1999. Т. 39. № 1. С. 142-151.
- Шевченко В. П., Стародымова Д. П., Виноградова А. А. и др. Элементный и органический углерод в атмосферном аэрозоле над северо-западным побережьем Кандалакшского залива Белого моря // Докл. РАН. 2015. Т. 461. № 1. С. 70-74.
- Byčenkiene S., Ulevicius V., Dudoitis V., Pauraite J. Identification and characterization of black carbon aerosol sources in the East Baltic region // Advances in Meteorology. 2013. V. 2013. Article ID 380614.
- Draxler R. R., Rolph G. D. HYSPLIT (Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory). Silver Spring (MD): NOAA Air Resources Lab., 2003. Mod access via NOAA ARL READY Website (www.arl.noaa.gov/ ready/hysplit4.html).
- Fuglestvedt J., Berntsen T., Eyring V. et al. Shipping emissions: from cooling to warming of climate and reducing impacts on health // Environmental Science & Technology. 2009. V. 43. № 24. P. 9057-9062.
- Hansen J., Nazarenko L. Soot climate forcing via snow and ice albedos // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2004. V. 101. P. 423-428.
- Huang K., Fu J. S., Prikhodko V. Y. et al. Russian anthropogenic black carbon: Emission reconstruction and Arctic black carbon simulation // J. Geophys. Res: Atmospheres. 2015. V. 120. № 21. P. 11306-11333.
- Lappalainen H. K., Kerminen V.-M., Petaja T. et al. Pan-Eurasian Experiment (PEEX): towards holistic understanding of the feedbacks and interactions in the land-atmosphere-ocean-society continuum in the northern Eurasian region // Atmospheric Chemistry and Physics. 2016. V. 16. P. 14421-14461.
- Lisizin A. P. Arid sedimentation in the oceans and atmospheric particulate matter // Russian Geology and Geophysics. 2011. V. 52. № 10. P. 1100-1133.
- Popovicheva O. B., Evangeliou N., Eleftheriadis K. et al. Black carbon constrained by observations in the Russian high Arctic // Environmental Science & Technology. 2017. V. 51. № 7. P. 3871-3879.
- Quinn P. K., Bates T. S., Baum E. et al. Short-lived pollutants in the Arctic: their climate impact and possible mitigation strategies // Atmospheric Chemistry and Physics. 2008. V. 8. № 6. P. 1723-1735.
- Quinn P. K., Stohl A., Arneth A. et al. The Impact of Black Carbon on Arctic Climate. Oslo: Arctic Monitoring and Assessment Programme (AMAP), 2011. 72 p.
- Sakerin S. M., Bobrikov A. A., Bukin O. et al. On measurements of aerosol-gas composition of the atmosphere during two expeditions in 2013 along the Northern Sea Route // Atmospheric Chemistry and Physics. 2015. V. 15. № 21. P. 12413-12443.
- Shevchenko V. P., Kopeikin V. M., Evangeliou N. et al. Atmospheric black carbon over the North Atlantic and the Russian Arctic seas in summer — autumn time // Химия в интересах устойчивого развития. 2016. Т. 24. № 4. С. 441-446.
- Stohl A., Klimont Z., Eckhardt S. et al. Black carbon in the Arctic: the underestimated role of gas flaring and residential combustion emissions // Atmospheric Chemistry and Physics. 2013. V. 13. № 17. P. 8833-8855.
- Vinogradova A. A. Anthropogenic black carbon emissions to the atmosphere: surface distribution through Russian territory // Atmospheric and Oceanic Optics. 2015. V. 28. № 2. P. 158-164.
Дополнительные файлы
