31 minute read
ИССЛЕДОВАНИЕ АРКТИКИ / EXPLORING OF THE ARCTIC
М.А. Струнин,
д.ф.-м.н., Московский физико-технический институт
Dr. Phys.-Math.Sci., Moscow Institute of Physics and Technology
Введение
Одним из характерных загрязнителей атмосферы в Арктике является сажевый аэрозоль, который может иметь как природное (вследствие лесных пожаров), так антропогенное (за счет сгорания различных видов топлива) происхождение. Известно, что крупные европейские города являются источником выброса в атмосферу не только мелкого и субмикронного аэрозоля, но и частиц черной сажи [1]. Сажевый аэрозоль в значительных концентрациях обнаруживается даже в удаленных районах Арктики в виде так называемой арктической дымки, которая образуется обычно весной. Вследствие высокой поглощающей способности солнечного излучения черная сажа способна влиять на замутнение и тепловой баланс атмосферы [2]. Возникающие в последнее время претензии к Российской Федерации со стороны ряда европейских стран, обвиняющих нашу страну в загрязнении Арктики, требуют создания ответной доказательной базы и тщательного исследования источников и путей поступления в Арктический регион атмосферных примесей. Очевидно, что контроль концентрации аэрозоля и особенностей его распространения в Арктике необходим для оценок и прогноза изменения климата и решения ряда задач экологической безопасности РФ, а одним из наиболее действенных инструментов контроля может служить самолет-лаборатория.1 Центральная аэрологическая обсерватория (ЦАО) имеет большой опыт исследования атмосферы в районах Крайнего Севера с помощью летающих лабораторий. В частности, в 1994 г. ЦАО использовала самолет-лабораторию Ил-18Д «Циклон» [3] для исследования термодинамических условий распространения аэрозолей в рамках российско-германского проекта Arctic Haze, в результате которого были получены данные о загрязнении атмосферы Арктики черной сажей. Исследования, выполненные в раз-
1 Исследование комплексным методом — по данным самолетных наблюдений и компьютерного моделирования. Introduction1
Black carbon aerosol is one of typical contaminants of the Arctic atmosphere, which can be both of natural (due to forest fi res) and human-induced (due to combustion of diff erent types of fuel) origin. It is known that big European cities are sources of emission of not only small and submicron aerosol, but also black carbon particles [1]. Black carbon aerosol is detected in signifi cant concentrations even in remote areas of the Arctic in the form of the so-called Arctic haze, which usually appears in spring. Black carbon is able to impact turbidity and heat balance of the atmosphere due to a high absorbing capacity of solar radiation [2]. The recent claims from a number of European countries against the Russian Federation, which put the blame for the Arctic pollution on our country, require building a responsive evidence base and detailed study of sources and routes of ingress of atmospheric pollutants into the Arctic region. It is obvious that the monitoring of aerosol concentration and particularities of its dissemination in the Arctic is needed to assess and forecast climate change and solve a number of problems of the RF environmental security, and a fl ying laboratory can be one of the most effective instruments of monitoring. The Central Aerological Observatory (CAO) has extensive experience in studying the atmosphere in the Far North using fl ying laboratories. In particular, CAO used a fl ying laboratory IL-18D Cyclone in 1994 to study thermodynamic conditions of dissemination of aerosols
1 Research using an complex method – based on the data of aircraft observation and computer simulation.
within the Russian-German Project Arctic Haze resulting in obtaining data on the Arctic atmosphere pollution with black carbon. The research performed in diff erent areas of the Arctic Ocean (Figure 1) allowed obtaining vertical profi les of black carbon concentrations [4]. A maximum concentration in the profi les is recorded at elevations of 2–2.5 km, i.e. above the atmospheric boundary layer, to give evidence of transport of aerosol particles to the Arctic from remote areas. The calculation of characteristics of atmospheric turbulence allowed estimating the rate of deposition of aerosols and their lifetime in the atmosphere [5]. Thus, according to the estimates, their concentration amounted to over 50 percent of its initial value during 5 days after the transfer of pollutants with airfl ow above compact ice. This meant that aerosols in signifi cant concentrations could be emitted to a distance of more than 2500 km from a pollution source at a typical wind speed of 5–10 m/s. личных районах Северного Ледовитого океана (рис. 1), позволили получить, в частности, вертикальные профили концентраций черной сажи [4]. Максимальная концентрация на профилях была отмечена на высотах в 2–2,5 км, т.е. над пограничным слоем атмосферы, что свидетельствует о поступлении аэрозольных частиц в Арктику из удаленных районов. Расчеты характеристик атмосферной турбулентности позволили оценить скорость осаждения аэрозолей и время их жизни в атмосфере [5]. Так, по оценкам, после переноса примесей воздушным потоком над сплошным льдом в течение пяти суток их концентрация составляла более 50% начального значения. Это означает, что при характерной скорости ветра 5–10 м/c аэрозоли в значительных концентрациях могли быть заброшены на расстояние более 2500 км от источника загрязнений. В 2014 г. был создан многоцелевой самолет-лаборатория Як-42Д «Росгидромет» [6], оснащенный современным оборудованием и приборами для геофизического мониторинга (рис. 2). Самолет-лаборатория, имевший на борту, в частности, высокоточные навигационные системы и оборудование для определения термодинамических
Рис. 1. Районы работ самолета-лаборатории Ил-18Д № 74442 «Циклон» в арктических регионах в марте-апреле 1994 г. Fig. 1. Area of operation of fl ying laboratory IL-18D No. 74442 Cyclone in Arctic areas in March-April 1994
параметров атмосферы, был задействован в 2014–2015 гг. для исследований распространения аэрозольных примесей в Арктическом и Московском регионах. Для измерения концентрации и массы частиц черной сажи использовался прибор SP-2 [7]. Частота регистрации концентрации составляла один отсчет в секунду, данные о концентрации частиц корректировались по давлению и температуре воздуха на уровне полета самолета. Для измерения субмикронных частиц размером 0,055–1 мкм использовался самолетный спектрометр субмикронных частиц UHSAS фирмы Droplet Measurement Technologies Inc., а для измерения мелких частиц аэрозоля (от 0,1 до 3 мкм) — датчик-спектрометр Passive Cavity Aerosol Spectrometer Probe PCASP-100X. Все результаты измерений аэрозоля приводились в соответствие с данными навигационных систем самолета-лаборатории (координатами места), высотой полета и термодинамическими параметрами атмосферы (температурой воздуха, скоростью и направлением ветра).
С помощью самолета-лаборатории Як-42Д «Росгидромет» было выполнено пять серий исследований в Арктическом и Московском регионах [8]. Полеты выполнялись в течение двух дней по маршрутам Москва — Нарьян-Мар — In 2014, the multipurpose fl ying laboratory Yak-42D Roshydromet [6] was equipped with modern equipment and tools for geophysical monitoring (Figure 2). The fl ying laboratory, which had, in particular, high-precision navigation systems and equipment to determine thermodynamic parameters of the atmosphere was used in 2014–2015 to study the dissemination of aerosol pollutants in the Arctic and Moscow regions. Spectrometer SP-2 [7] was used to measure concentration and mass of black carbon particles. The frequency of concentration recording was one count per second; data on concentration of particles were corrected as per air pressure and temperature at the aircraft fl ight level. The Droplet Measurement Technologies Inc. aircraft ultra-high sensitivity aerosol spectrometer UHSAS was used to measure 0.055–1 μm submicron particles; while a passive cavity aerosol spectrometer probe PCASP-100X – to measure small (from 0.1 to 3 μm) aerosol particles. All aerosol measurement results were submitted according to data from the fl ying laboratory navigation systems (location coordinates), fl ight altitude and thermodynamic parameters of the atmosphere (air temperature, and wind speed and direction).
Рис. 2. Самолет-лаборатория Як-42Д № 42440 «Росгидромет» для исследования атмосферы и поверхности Fig. 2. Flying laboratory Yak-42D No. 42440 Roshydromet for studying the atmosphere and surface
Five series of research in the Arctic and Moscow regions were performed using the fl ying laboratory Yak-42D Roshydromet [8]. The fl ights were performed along the routes Moscow – Naryan-Mar – Yamal Peninsula – Moscow and Moscow – Naryan-Mar and Novaya Zemlya – Moscow on the following dates: • June 9 and 10, 2014; • June 18 and 19, 2014; • June 23 and 24, 2014; • October 2 and 3, 2014; • February 27 and 28, 2015. The fl ight diagrams of the fl ying laboratories and the atmosphere state from board during observation are given in Figure 3. All in-fl ight researches to be carried out were preceded by computer simulation of air-mass transport using a well-known dispersion model of atmospheric pollutants transport FLEXPART [9, 10]. The calculation were made in two modes: mode 1 is that of transboundary transport, which is an analysis of transport of pollutants from European region; mode 2 is to assess regional transport of aerosol pollutants usually emission of pollutants in the areas of oil and gas production on Yamal Peninsula. Such an complex method of research based on a combination of experimental (aircraft) observation in the atmosphere and computer simulation of processes of pollutants transport made it possible to understand the peculiarities of actual distribution of aerosols in the Arctic and Moscow region and reveal the reasons of the occurrence of such aerosol anomalies in the Arctic as the Arctic haze. The concentration of aerosols in the Arctic region was measured during the fl ying laboratory fl ight with a height vertical profi le and vertical sounding of the atmosphere in particular points (over the Naryan-Mar airport, Yamal Peninsula in the area of Cape Kamenny (the Gulf of Ob) and the northernmost tip of Novaya Zemlya Archipelago Severny Island, and in the vicinity of Moscow). The computer simulation results of pollutants transport were also used in analyzing experimental data obtained.
Comparative analysis of distribution of black carbon concentration in the Arctic and Moscow region
It is known that black carbon ingresses into the atmosphere directly from fuel combustion sources, as well as biomass burning. So, the area around Naryan-Mar could serve as a kind of п-ов Ямал — Москва и Москва — Нарьян-Мар — о. Новая земля — Москва в следующие даты: • 9 и 10 июня 2014 г.; • 18 и 19 июня 2014 г.; • 23 и 24 июня 2014 г.; • 2 и 3 октября 2014 г.; • 27 и 28 февраля 2015 г. Схемы маршрутов полета самолета-лаборатории и вид состояния атмосферы с борта самолета во время наблюдений представлены на рис. 3. Все выполняемые летные исследования предварялись компьютерным моделированием переноса воздушных масс с помощью известной дисперсионной модели переноса атмосферных загрязнений FLEXPART [9, 10]. Расчеты выполнялись в двух режимах: первый — режим трансграничного переноса, представлявший собой анализ переноса примесей из Европейского региона. Второй — режим оценки регионального переноса аэрозольных примесей, обусловленных, как правило, выбросом примесей в районах нефте- и газодобычи на полуострове Ямал. Такой комплексный метод исследований, основанный на сочетании экспериментальных (самолетных) наблюдений в атмосфере и компьютерного моделирования процессов переноса примесей, позволил понять особенности фактического распределения аэрозолей в атмосфере Арктики и Московской области и выявить причины возникновения аэрозольных аномалий в Арктике — таких, как арктическая дымка. Измерение концентрации аэрозолей в Арктическом регионе осуществлялось во время полета самолета-лаборатории с переменным высотным профилем и на вертикальном зондировании атмосферы в отдельных точках (над аэропортом Нарьян-Мара, полуостровом Ямал в районе мыса Каменный (Обская губа) и северной оконечностью острова Северный архипелага Новая Земля, а также вблизи Москвы). Результаты компьютерного моделирования переноса примесей использовались и при анализе полученных экспериментальных данных.
Известно, что черная сажа поступает в атмосферу непосредственно от источников сгорания топлива, а также горения биомассы. Поэтому некоторой опорной точкой для анализа данных о распространении сажи мог служить район вокруг Нарьян-Мара, где местная эмиссия сажи была крайне мала ввиду отсутствия развитой транспортной инфраструктуры, крупных промышленных предприятий и возможности значительных лесных пожаров. Характер распределения концентрации сажи в толще атмосферы позволяет определить источники ее происхождения. Так, если концентрация сажи максимальна внутри пограничного слоя атмосферы, то есть все основания полагать, что причиной возникновения аномалии является эмиссия сажевого аэрозоля от локальных источников за счет турбулентности и приземных ветров. Повышенная концентрация черной сажи выше верхней границы пограничного слоя (при от-
Рис. 3. Маршруты полетов самолета-лаборатории Як-42Д «Росгидромет» по исследованию атмосферы Арктического региона 24 июня 2015 г. (Нарьян-Мар — район полуострова Ямал) и 28 февраля 2015 г. (Нарьян-Мар — северная оконечность острова Северный архипелага Новая Земля) Fig. 3. Flight routes of the fl ying laboratory Yak-42D Roshydromet for studying the Arctic region atmosphere on June 24, 2015 (Naryan-Mar – area of Yamal Peninsula) and Fevruary 28, 2015 (Naryan-Mar – northernmost tip of Novaya Zemlya Archipelago Severny Island)
носительно малых концентрациях внутри слоя) свидетельствует о поступлении примесей от удаленных источников, поскольку перемещение примесей на большие расстояния по пограничному слою маловероятно. В то же время, как уже отмечалось, крупномасштабные воздушные потоки в свободной атмосфере могут переносить примеси на весьма значительные расстояния — 2500 км и более. Рассмотрим три самолетных эксперимента, выполненные в Арктическом регионе при различных синоптических условиях распространения примесей. 24 июня 2014 г. самолет-лаборатория выполнил исследовательский полет по маршруту Нарьян-Мар — мыс Каменный — НарьянМар с переменным высотным профилем и вертикальным зондированием в районах мыса Каменный и аэропорта Нарьян-Мара. Компьютерное моделирование (рис. 4, а) для этого дня показало, что вынос примесей из Европейского региона и районов газодобычи в район Нарьян-Мара был незначительным. В то же время, согласно данным компьютерного анализа (рис. 4, б), на полуостров Ямал происходил вынос воздушных масс с южных и юго-западных направлений, где и были расположены районы нефте- и газодобычи, т.е. в район мыса Каменный поступали продукты горения из районов газодобычи. Это нашло отражение в профилях концентраций сажевого аэрозоля, построенных вдоль маршрута полета самолета-лаборатории и представленных на рис. 5. Это подтверждалось и измерениями с борта самоreference point to analyze data on the distribution of black carbon, where the local black carbon emission is extremely low due to the lack of developed transport infrastructure, large industrial facilities and possibility of signifi cant forest fi res. The nature of the distribution of black carbon concentration in the atmosphere column allows to determine its sources. Thus, if black carbon concentration is maximum inside the atmospheric boundary layer, there is every reason to suppose that the anomaly is caused by black carbon aerosol emission from local sources due to turbulence and ground winds. A higher black carbon concentration above the boundary layer upper boundary (at relatively low concentrations inside the layer) gives evidence of the ingress of pollutants from remote sources, since the transfer of pollutants to large distances along the boundary layer is unlikely. At the same time, as already stated, large-scale air fl ows in the free atmosphere can transfer pollutants to quite signifi cant distances – 2500 km and more. Let us consider three aircraft experiments performed in the Arctic region under diff erent meteorological conditions of distribution of pollutants. On June 24, 2014, the fl ying laboratory
a б
Рис. 4. Результаты компьютерного моделирования переноса воздушных масс в зоне маршрута Нарьян-Мар — Ямал (мыс Каменный) — Нарьян-Мар для полета 24 июня 2014 г.: а — моделирование переноса примесей из Западной Европы; б — моделирование распространения аэрозолей из районов нефте- и газодобычи. Красным цветом выделены максимальные концентрации условного аэрозоля Fig. 4. The computer simulation results of air mass transport en route Naryan-Mar – Yamal (Cape Kamenny) for the fl ight of June 24, 2014: a – simulation of pollutants transport from Western Europe; b – simulation of dissemination of aerosols from the areas of oil and gas production. Maximum specifi ed aerosol concentrations are highlighted in red
performed an experimental fl ight en route Naryan-Mar – Cape Kamenny – Naryan-Mar with a variable height profi le and vertical sounding of the atmosphere in the area of Cape Kamenny and Naryan-Mar airport. The computer simulation (Figure 4, a) for this day showed that the discharge of pollutants from European region and areas of gas production to Naryan-Mar was insignifi cant. At the same time, according to computer analysis data (Figure 4, b), air mass was discharged to Yamal Peninsula from south and south-west directions, where the areas of oil and gas production were located, i.e. burning products were transported to the area of Cape Kamenny from the areas of gas production. This was refl ected in the profi les of black carbon aerosol concentrations built along the fl ying laboratory fl ight route and given in Figure 5. This was also confi rmed by measurements on the aircraft board, which also showed the prevalence of winds from south and south-west directions (Figure 5). The concentrations of black carbon in the area of Cape Kamenny were large and quite comparable with the level of aerosol pollution in Moscow region [10]. Naryan-Mar was found outside the area of aerosols discharge, so the black carbon concentrations even in the lower atmosphere layers were negligible. The fl ight experiments for studying aerosols over the Kara Sea and Novaya Zemlya Archipelago Severny Island was performed in diff erent seasons following the same scheme, but under difлета, которые также показали преобладание ветров южного и юго-западного направлений (рис. 5). Концентрации черной сажи в районе мыса Каменный были велики и вполне сопоставимы с уровнем аэрозольного загрязнения в Московском регионе [10]. Нарьян-Мар оказался вне зоны выноса аэрозолей, поэтому концентрации сажи даже в нижних слоях атмосферы были пренебрежимо малы. Летные эксперименты по исследованию аэрозолей над Карским морем и островом Северный архипелага Новая Земля были выполнены в различные времена года и по одной и той же схеме, но при разных условиях поступления аэрозольных примесей в регион. Полеты осуществлялись 3 ноября 2014 г. и 28 февраля 2015 г., исследования проводились по маршруту Нарьян-Мар — Новая Земля — НарьянМар, причем над Нарьян-Маром и северной оконечностью острова Северный архипелага Новая Земля выполнялось вертикальное зондирование атмосферы. По завершении исследований самолет в этот же день возвращался в Москву, что позволяло получить данные и для Московского региона. Компьютерное моделирование переноса примесей для 3 ноября 2014 г. (рис. 6, а), показало, что в районе г. НарьянМар основным источником загрязнений служил вынос примесей с полуострова Ямал. В то же время северная часть Карского моря оказалась вне зоны распространения аэрозолей, а относительно «чистые» воздушные массы здесь перемещались с западного направления. Это находилось в полном соответствии с самолетными наблюдениями за скоростью и направлением ветра и концентрациями черной сажи, представленными на рис. 7, а. Как следствие концентрация сажи была значительной в районе Нарьян-Мара и в утренние, и в дневные часы, а на севере Новой Земли была пренебрежимо мала.
Рис. 5. Высотный профиль полета, термодинамические параметры атмосферы и концентрации аэрозолей вдоль маршрута полета за 24 июня 2014 г.
Fig. 5. Height fl ight profi le, thermodynamic parameters of the atmosphere and concentrations of aerosols along the fl ight routes for June 24, 2014
Основное направление перемещения воздушных масс над Карским морем и Новой Землей 28 февраля 2015 г. существенно отличалось от предыдущего случая. Компьютерное моделирование показало северо-восточный перенос на значительных расстояниях, приводящий к поступлению загрязняющих аэрозольных примесей из Западной Европы как в район Нарьян-Мара, так и на Новую Землю (рис. 6, б). Влияние региональных источников загрязнений полуострова Ямал на структуру концентраций сажи над НарьянМаром и над Новой Землей было незначительным. Профиль концентрации черной сажи, полученный в результате самолетных наблюдений, выполненных 28 февраля 2015 г. (рис. 7, б), показал, что в результате переноса воздушных масс с юго-западного направления наблюдались высокие концентрации сажевого аэрозоля и в Нарьян-Маре, и на севере Новой Земли. Проведенные исследования позволили сопоставить уровни загрязнений сажевым аэрозолем в различных регионах. Были сопоставлены вертикальные профили концентрации черной сажи, полученные в точках зондирования (Нарьян-Мар, полуостров Ямал, остров Северный архипелага Новая Земля), для различных условий движения воздушных масс. Наблюдения, выполненные 24 июня 2014 г. (рис. 8, а), показали, что над Нарьян-Маром практически отсутствовал сажевый аэрозоль, что было обусловлено отсутствием местных источников сажи и выноса аэрозоля от удаленных источников. Над полуостровом Ямал (в районе мыса Каменный) концентрация была существенно больше, причем ее максимальные значения наблюдались выше пограничного слоя атмосферы. Это свидетельствовало о переносе примесей в место измерения от удаленных источников, в данном случае – из районов газодобычи (см. рис. 4, б). В этот же день в Московском регионе были отмечены традиционно высокие значения концентрации аэрозоля, в основном в пограничном слое атмосферы, что было обусловлено прежде всего влиянием местных источников в мегаполисе. ferent conditions of transport of aerosol pollutants to the region. The fl ight were made on November 3, 2014 and February 28, 2015; the study was carried out along the route Naryan-Mar – Novaya Zemlya – Naryan-Mar; and the vertical atmosphere sounding was performed over Naryan-Mar and the northernmost tip of Novaya Zemlya Archipelago Severny Island. Upon the study completion, the aircraft returned to Moscow this very day, which made it possible to obtain data also for Moscow region. The computer simulation of pollutants transport for on November 3, 2014 (Figure 6, a) showed that the export of pollutants from Yamal Peninsula was the main source of pollution in the area of Naryan-Mar. At the same time, the Kara Sea northern part was outside the area of dissemination of aerosols, while relatively clean air masses were transported there from the west direction. This was in full compliance with aircraft observation of wind speed and direction and black carbon concentrations given in Figure 7, a. As a consequence, the black carbon concentration was signifi cant in the area of Naryan-Mar both at morning and day hours, while it was negligible in the north of Novaya Zemlya. The main direction of air mass travel over the Kara Sea and Novaya Zemlya on February 28, 2015 signifi cantly diff ered from the previous case. The computer simulation showed a northeast transport to signifi cant distances leading to the ingress of aerosol pollutants from Western Europe to both Naryan-Mar and Novaya Zemlya (Figure 6, b). The impact of regional sources of Yamal Peninsula pollutants on the structure of black carbon concentrations over Naryan-Mar and Novaya Zemlya was insignifi cant. The profi le of black carbon concentration obtained from
Рис. 6. Результаты компьютерного моделирования переноса воздушных масс в район Нарьян-Мара и Карского моря: а — 13:00 МСК 3 ноября 2014 г.; б — 12:00 МСК 28 февраля 2015 г. Концентрации условной примеси выделены цветами. Стрелками показано направление переноса воздушных масс в точках зондирования Fig. 6. The computer simulation results of air mass transport to the area of Naryan-Mar and the Kara Sea:
a — 01:00 PM MSK, November 3, 2015. Specifi ed pollutant concentrations are highlighted in colors. The arrows show the direction of air mass transport at sounding locations
aircraft observation performed on February 28, 2015 (Figure 7, b) showed that the transport of air mass from south-west direction resulted in high concentrations of black carbon aerosol both in Naryan-Mar and north of Novaya Zemlya. The study performed allowed to compare the levels of pollution with black carbon aerosol in diff erent regions. The height profi les of black carbon concentration obtained in sounding locations (Naryan-Mar, Yamal Peninsula and Novaya Zemlya Archipelago Severny Island) were compared for diff erent conditions of air mass travel. The observation performed on June 24, 2014 (Figure 8, a) showed that almost no black carbon aerosol was detected due to a lack of local sources of black carbon and transport of aerosol from remote sources. Over Yamal Peninsula (in the vicinity of Cape Kamenny), the concentration was signifi cantly higher and its maximum values were observed above the atmospheric boundary layer. This gave evidence of transport of pollutants to the point of measurement from remote sources, in this particular case from the areas of gas production (see Figure 4, b). This very day, traditionally high values of aerosol concentrations mainly in the atmospheric boundary layer were observed in Moscow region, which is, primarily, due to the impact of local sources in the megapolis. The study performed on October 3, 2014 (Figure 8, b) showed a noticeable concentration of black carbon over Naryan-Mar, while there were almost no black carbon particles over Novaya Zemlya Archipelago Severny Island. This distribution was due to transport of particles from Yamal Peninsula. This was confi rmed not only by the computer simulation results, but also by aircraft observation of signifi cant concentration of par-
a
б
Исследования, проведенные 3 октября 2014 г. (рис. 8, б), показали заметную концентрацию черной сажи над Нарьян-Маром, в то время как над островом Северный архипелага Новая Земля сажевых частиц практически не было. Такое распределение было обусловлено выносом частиц с полуострова Ямал. Это подтверждалось не только результатами компьютерного моделирования, но и самолетными наблюдениями значительной концентрации частиц на больших высотах, что характерно для удаленного переноса. Концентрация черной сажи в Московском регионе в этот день наблюдения также была значительна. Отметим, что профили концентраций черной сажи, полученные в дневные и вечерние часы над Нарьян-Маром и в вечерние часы над Московским регионом в один и то же день 28 февраля 2015 г. (рис. 8, в), оказались близки между собой. Это свидетельствовало о том, что основным источником загряз-
a
б
ticles at high altitudes, which is typical for remote transport. The black carbon concentration in Moscow region was also signifi cant that day. Note that the profi les of black carbon concentrations obtained in day and evening hours over Naryan-Mar and in evening hours over Moscow region that very day of out to be close to each other. This gave evidence that the main pollution source that day was airfl ows from Western Europe, which was also confi rmed by the results of computer analysis. It is important that the black carbon concentrations even over Novaya Zemlya Archipelago Severny Island were signifi cant and considerably larger than those from the November 3, 2014 experiment. In almost all cases, the maximum aerosol concentrations in Moscow region were observed in the lowest atmospheric layers. This meant that the pollution layer was formed directly in the region, while aerosol was disseminated due to the winds in the atmospheric boundary layer and turbulent mixing. In northern regions, the maximum concentrations usually occurred at altitudes of more than 0.5–1.0 km, i.e. above the boundary layer, which gave evidence of the transport of pollutants at altitudes from remote regions. Table 1 shows the total content of black carbon in the atmospheric layer for the days of observations under consideration. The table clearly shows that shows a total content of black carbon in particular days in Naryan-Mar was 1.5 times higher than similar pollution levels in Moscow region. A signifi cant amount of black carРис. 7. Высотные профили термодинамических параметров атмосферы bon was observed in such remote Arctic и концентрации аэрозолей вдоль маршрутов полетов за 3 октября 2014 г. (а) regions as Novaya Zemlya Archipelago. и 28 февраля 2015 г. (б) It is in those days that the computer Fig. 7. Height profi les of thermodynamic parameters of the atmosphere and analysis showed the transport of polluconcentrations of aerosols along the fl ight routes for October 3, 2014 (a) and tions from Western Europe. February 28, 2015 (b) The total content of aerosol (small and submicron) in the atmosphere colнений в этот день служили воздушные потоки из Западной umn in question (per 1 m2 of surface) could vary Европы, что подтверждалось и результатами компьютерно- quite widely (Table 2): in Moscow region – more го анализа. Важно, что концентрации сажи даже над остро- than twofold; over Naryan-Mar and Novaya Zemвом Северный архипелага Новая Земля оказались значи- lya northernmost tip – more than by an order deтельными и существенно большими, чем в эксперименте pending on the structure of airfl ows from either 3 ноября 2014 г. Europe or Yamal Peninsula. In Moscow region, Практически во всех случаях в Московском регио- the maximum values of content of black carbon не максимум концентраций аэрозоля наблюдался в самых were nearly 170 mkg/m2; in the Far North regions нижних слоях атмосферы. Это означало, что формирование – up to 90 mkg/m2. A large amount of aerosol par-
загрязняющего слоя происходило непосредственно в регионе, а распространение аэрозоля осуществлялось за счет ветров в пограничном слое атмосферы и турбулентного перемешивания. В северных районах максимумы концентраций, как правило, находились на высотах более 0,5–1,0 км, т.е. выше пограничного слоя, что свидетельствовало о переносе примесей на высотах из удаленных регионов. Табл. 1 показывает общее содержание черной сажи в слое атмосферы для рассматриваемых дней наблюдений. Из таблицы ясно видно, что в отдельные дни общее содержание сажи в Нарьян-Маре могло в 1,5 раза превышать аналогичные уровни загрязнений в Московском регионе. Существенные количества черной
Рис. 8. Вертикальные профили массовой концентрации черной сажи в районах Нарьян-Мара, Москвы, полуострова Ямал и северной оконечности Новой Земли, полученные в полетах 24 июня 2014 г. (а), 3 ноября 2014 г. (б) и 28 февраля 2015 г. (в) сажи наблюдались и в удаленных Арктических регионах, таких как архипелаг Новая Земля. Именно в эти дни компьютерный анализ показывал перенос примесей из Западной Европы.
Fig. 8. Vertical profi les of black carbon mass concentration in Naryan-Mar, Общее содержание аэрозоля (мел-
Moscow, Yamal Peninsula and northernmost tip of Novaya Zemlya obtained кого и субмикронного) в толще исследуduring fl ights on June 24, 2014 (a), November 3, 2014 (b) емой атмосферы (на 1 м2 поверхности) and February 28, 2015 (c) могло варьироваться в достаточно широких пределах (табл. 2): в Московском ticles, up to 160 ·108 per 1 m2, was observed over регионе — более чем в два раза; над Нарьян-Маром и над Yamal. Which was siginifi cantly higher than max- северной оконечностью Новой Земли — более чем на поряimum values in Moscow region (80 ·108 per 1 m2). док в зависимости от структуры воздушных потоков из Европы или с полуострова Ямал. Максимальные значения со Conclusion держания черной сажи наблюдались в Московском регионе (около 170 мкг/м2), в районах Крайнего Cевера (90 мкг/м2). Preliminary results were presented of Большое количество аэрозольных частиц — до 160 ·108 на the study of distribution of atmospheric aerosol 1 м2 — отмечено над Ямалом, что было существенно выше, of diff erent origin, black carbon particles, as well чем максимальные значения в Московском регионе (80 ·108 as small and submicron aerosol, in the range from на 1 м2). 0.03 to 3 μm in the Arctic regions (areas of Naryan-Mar, Yamal Peninsula and Novaya Zemlya Заключение northernmost tip) and Moscow region. The fi eld study was carried out using the using the fl ying Представлены предварительные результаты исслеlaboratory Yak-42D Roshydromet. The results of дований распределения атмосферного аэрозоля различноcomputer simulation of air mass transport allowed го происхождения — частиц черной сажи, а также мелкого to explain the occurrence of anomalies in concen- и субмикронного аэрозоля — в диапазоне от 0,03 до 3 мкм tration of aerosol particles. The concentrations of в арктических регионах (районах Нарьян-Мара, полуостроaerosols in the areas of Novaya Zemlya northern- ва Ямал, северной оконечности архипелага Новая Земля) most tip or in the area of Naryan-Mar could vary и Московском регионе. Натурные исследования были выwidely, while the level of concentrations was con- полнены с помощью самолета-лаборатории Як-42Д «Росгиsistently high in Moscow region (in the vicinity of дромет». Результаты компьютерного моделирования переthe town of Zhukovsky). The black carbon con- носа воздушных масс позволили объяснить возникновение centration at altitude of over 3 km was negligible аномалий в концентрации частиц аэрозолей. Концентрация in all regions. аэрозолей в районах северной оконечности Новой Земли An analysis of experimental (aircraft) data или в районе Нарьян-Мара могла меняться в широких преand computer simulation of air mass transport делах, в то время как в Московской области (в окрестностях showed that the concentration of aerosols in the г. Жуковского) уровень концентраций был неизменно вы-
Таблица 1. Содержание сажевого аэрозоля в толще атмосферы, мкг/м2 , при различных условиях выноса примесей Table 1. The black carbon aerosol content in the atmosphere column, g/m2 , under different conditions of pollutant transport
Регион / Region 24 июня 2014 г. June 24, 2014 3 октября 2014 г. October 3, 2014 28 февраля 2015 г. February 28, 2015
Московская область / Moscow Region 110 172 72 Район г. Нарьян-Мар / Area of Naryan-Mar 9 34 103
Район архипелага Новая Земля / Area of – 4 49 Novaya Zemlya Archipelago Полуостров Ямал (мыс Каменный) / Yamal 80 – –Peninsula (Cape Kamenny)
Таблица 2. Оценки общего содержания массы аэрозоля в толще атмосферы Table 2. Estimates of the total content of aerosol mass in the atmosphere column
Мелкий и субмикронный аэрозоль Регион / Region Черная сажа, мкг/м2 Black carbon, g/m2 (0,055–3 мкм), 108 м–2 Small and submicron aerosol (0,055–3 μm), 108 m–2
Московская область / Moscow Region 72–170 30–80 Район г. Нарьян-Мар / Area of Naryan-Mar 7–90 25–50
Район архипелага Новая Земля / Area of 4–90 –Novaya Zemlya Archipelago Полуостров Ямал (мыс Каменный) / Yamal 80 160 Peninsula (Cape Kamenny)
сок. Концентрация черной сажи на высоте выше 3 км была пренебрежимо мала во всех районах. Анализ экспериментальных (самолетных) данных и компьютерное моделирование переноса воздушных масс показали, что концентрация аэрозолей в Арктическом регионе существенно зависит как от локальных метеорологических условий, так и от структуры воздушных течений синоптического масштаба. Концентрация аэрозолей в районе северной оконечности Новой Земли или в районе Нарьян-Мара изменялась в широких пределах, но при выносе воздушных масс из Европейского региона могла превышать уровень загрязнения в Московской области. Основная масса аэрозоля находилась в нижних слоях тропосферы. В Московской области максимальные значения концентрации мелкого и субмикронного аэрозоля и частиц черной сажи наблюдались в нижней части пограничного слоя атмосферы, а в арктических регионах практически всегда приходились на высоты более 0,5–1 км, что свидетельствовало о переносе примесей из удаленных регионов. Таким образом, анализ полученных данных дал основания полагать, что основным источником периодически появляющихся в атмосфере северных регионов аэрозольных загрязнений высокой концентрации являются районы Западной и Северо-Западной Европы. Это полностью опроArctic region signifi cantly depends on both local meteorological conditions and structure of synoptic scale airfl ows. The concentration of aerosols in the area Novaya Zemlya northernmost tip or Naryan-Mar varied widely, but could exceed the level of pollution in Moscow region air mass transport from European region. The main aerosol mass was in the lower troposphere layer. In Moscow region, the maximum values of concentration of small and submicron aerosol and black carbon particles were observed in the lower part of the atmospheric boundary layer, while in Moscow region it always occurred at altitudes of over 0.5–1 km, which gave evidence of the transport of pollutants from remote regions. Thus, an analysis of data obtained aff orded ground for supposing that the main source of occurrence of high concentration aerosol pollution periodically occurring in the atmosphere of northern regions is the areas of Western and Northwest Europe. This fully disproves the European Union’s claims against the Russian Federations regarding pollution of polar regions. It is needed
to conduct regular study in the Arctic using the fl ying laboratory Yak-42D Roshydromet in amount of at least 12 expedition fl ights within a year to obtain more accurate and justifi ed data on the actual state and sources of pollution of the Arctic atmosphere and counter the claims against the Russian Federation. The conduct of proposed complex study will allow to reveal the real level of the Arctic pollution, determine the sources of such pollution and ways of its ingress into the Arctic and develop the strategy to counter both negative consequences of inadvertent eff ect on the Arctic environment and the European Union’s claims against the Russian Federations. вергает предъявляемые к Российской Федерации претензии Евросоюза в загрязнении Заполярья. Для получения более точных и обоснованных данных о действительном состоянии и источниках загрязнения атмосферы Арктики и парирования претензий к РФ необходимо проводить регулярные исследования в Арктике с помощью самолета-лаборатории Як-42Д «Росгидромет» в объеме не менее 12 летных экспедиций в течение года. Проведение предлагаемых комплексных исследований позволит выявить реальный уровень загрязнений Арктики, определить источники таких загрязнений и пути их поступления в Арктику и выработать стратегию парирования как негативных последствий непреднамеренного воздействия на арктическую среду, так и претензий Евросоюза к Российской Федерации.
Список литературы / List of References
1. Характеристики атмосферного аэрозоля в Московском регионе / Н.О. Плауде, Е.А. Стулов, И.П. Паршуткина, Е.В. Сосникова, Н.А. Монахова. — М.: Научный мир, 2013. — 79 с. 2. Black carbon measurements in the Arctic UT/LS / D. Baumgardner, G. Kok, G. Raga, G. Diskin, G. Sache // J. Aerosol Sci. EAC. — 2003. — P. 979–980. 3. Strunin M.A. Meteorological potential for contamination of arctic troposphere: Aircraft measuring system for atmospheric turbulence and methods for calculation it characteristics. Archive and database of atmospheric turbulence // Atmos. Res. — 1997. — Vol. 44. — P. 17–35. 4. Adaptation of microphysical and chemical instrumentation to the airborne measuring platform Iljushin Il-18 ‘Cyclone’ and fl ight regime planning during the Arctic Haze investigation 1993–1995 / H. Franke, R. Maser, N. Vinnichenko, V. Dreiling, R. Jaenichke, W. Jaeschke, U. Leiterer // Atmospheric Res. — 1997. — Vol. 44. — P. 3–16. 5. Strunin M.A., Postnov A.A., Mezrin M.Y. Meteorological potential for contamination of arctic troposphere: Boundary layer structure and turbulent diff usion characteristics // Atmos. Res. — 1997. — Vol. 44. — P. 7–51. 6. Бортовые комплексы самолета-лаборатории нового поколения Як-42Д «Росгидромет» для измерения и регистрации навигационных параметров полета и термодинамических параметров атмосферы / Н.В. Базанин, Ю.А. Борисов, В.В. Волков, В.К. Дмитриев, Д.Н. Живоглотов, А.А. Макоско, А.М. Струнин, М.А. Струнин // Метеорология и гидрология. — 2014. — № 11. — С. 109–116. 7. Single-particle measurements of midlatitude black carbon and light-scattering aerosols from the boundary layer to the lower stratosphere / J.P.R.S. Gao Schwarz, D.W. Fahey, D.S. Thomson, L.A. Watts, J.C. Wilson, J.M. Reeves, M. Darbeheshti, D. G. Baumgardner, G.L. Kok, S.H. Chung, M. Schulz, J. Hendricks, A. Lauer, B. Karcher, J.G. Slowik, K.H. Rosenlof, T.L. Thompson, A.O. Langford, M. Loewenstein, K.C. Aikin //J. Geoph. Res. — 2006. — Vol. 111. — D16207. 8. Результаты сравнительного анализа распространения аэрозольных примесей в атмосфере регионов Арктики и Московской области по данным самолетных исследований в 2014–2015 гг. / Д.В. Кирин, Н.О. Крутиков, А.Н. Лукьянов, А.М. Струнин, М.А. Струнин // Труды Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского. — 2018. — Вып. 662. — С. 219–223. 9. Technical Note: The Lagrangian particle dispersion model FLEXPART version 6.2 / A. Stohl, C. Forster, A. Frank, P. Seibert, G. Wotawa // Atmos. Chem. Phys. — 2005. — Vol. 5. — P. 2461–2474. 10. Характеристики переноса аэрозольных примесей в районе мегаполиса (г. Москва) по результатам самолетных исследований / Н.В. Базанин В.В. Волков, А.В. Ганьшин, Б.Г. Данелян, Д.Н. Живоглотов, Д.В. Кирин, Н.О. Крутиков, Е.А. Куканова, А.Н. Лукьянов, А.М. Струнин, М.А. Струнин // Сб. трудов памяти Н.О. Плауде. — М., 2015. — C. 89–117.
