Океанология, 2020, T. 60, № 5, стр. 685-695

Измерения малых газовых составляющих атмосферы

В период с 16 августа по 19 сентября 2018 г. в течение 72-го рейса НИС “Академик Мстислав Келдыш” (АМК-72) с борта судна были проведены измерения приводной концентрации метана (CH₄), углекислого газа (CO₂) и водяного пара (H₂O), а также значения δ¹³C_СН4 отклонения изотопной сигнатуры ¹³C/¹²C для метана. Одновременно проводились сопутствующие измерения приводных концентраций моноксида и диоксида азота (NO и NO₂), озона (О₃) и моноксида углерода (СО). Проведенные наблюдения являются продолжением работ, описанных в [3, 15].

Маршрут рейса АМК-72 охватывал четыре моря российской Арктики: Белое, Баренцево, Карское и Лаптевых. Наблюдения проводились, в том числе, и в областях, где ранее работали экспедиции с аналогичными задачами [19]. Карта маршрута рейса приведена на рис. 1а.

Рис. 1.

(а) Карта маршрута рейса АМК-72; (б) схема расположения воздухозаборников газоанализаторов (Picarro G2132-i (CRDS), Dasibi 1008-AH, Thermo TE42C-TL, Thermo TE48S) на судне.

Для проведения наблюдений на борту НИС АМК был установлен специально разработанный автоматизированный измерительный комплекс. В состав комплекса входили газоанализаторы производства ведущих мировых компаний – производителей научного оборудования. Особенностью всех примененных газоанализаторов являлась их способность проводить достоверные измерения на уровнях фоновых концентраций, характерных для незагрязненной атмосферы. Названия и основные параметры всех примененных приборов приведены в табл. 1.

Исследуемый воздух подавался в приборы комплекса по двум тефлоновым трубопроводам внутренним диаметром около 3 мм при расходе воздуха порядка 2–3 л/мин. Воздухозаборники трубопроводов были закреплены на палубе рулевого мостика на высоте 18.5 м над уровнем моря (рис. 1б). Собственно комплекс размещался в одном из помещений судна на палубе рулевого мостика.

Калибровки всех приборов, входящих в комплекс проводились периодически, в течение 2015–2018 гг., а также перед отправкой приборов в рейс и непосредственно после возврата из рейса, по поверочным газовым смесям, поставляемым компанией “Linde Gas Rus”. Калибровки прибора G2132-i, кроме того, проводились по вторичному стандарту, предоставленному Норвежским институтом атмосферных исследований (Norwegian Institute for Air Research, NILU). Результаты калибровок показывают, что долговременный дрейф калибровочных коэффициентов всех примененных приборов не превышает значений их погрешностей (табл. 1), что подтверждает достоверность полученных данных.

При проведении измерений концентраций малых газовых примесей на подвижных платформах (автомобиль, железнодорожный вагон, морское/речное судно) часто возникает проблема отбраковки данных, искаженных выхлопом собственных двигателей используемой платформы. В частности, в работе [17], в качестве критерия попадания в воздухозаборники газоанализаторов выбросов из дымовой трубы судна была использована повышенная концентрация СО₂. Исследование вариаций концентраций, полученных в рейсе АМК-72, показало, что более надежно использовать для этой цели концентрации озона и NO, а также и CO. При попадании загрязненного воздуха в воздухозаборники наблюдается резкое повышение концентраций СО, NO и NO₂, сопровождающееся снижением концентрации озона.

Подобные вариации измеренных концентраций показаны на рис. 2. Попадание в воздухозаборник загрязненного воздуха соответствует положительным пикам NO₂ и отрицательным пикам О₃. При этом концентрация СО₂ может и не увеличиваться, и наоборот, при увеличении СО₂ содержание СО, NO и NO₂ может быть ниже пороговых значений.

Рис. 2.

Пример значений концентраций NO₂, О₃ и СО в приводном воздухе в рейсе АМК-72.

В течение рейса АМК-72 попадание в воздухозаборники выхлопов дымовой трубы судна наблюдалось эпизодически, при соответствующих соотношениях между направлением и скоростью ветра, курсом и скоростью судна, в частности, при движении судна галсами. По описанному выше критерию была проведена отбраковка данных, при этом использовалось значение пороговой концентрации NO, равное 0.2 ppb [1]. В результате было отбраковано около 20% данных.

Измерения черного углерода

В ходе рейса, за исключением периодов с неблагоприятными метеоусловиями, производились измерения массовой концентрации черного углерода. Ранее в морях Российской Арктики и на их побережьях был проведен ряд исследований по оценке концентрации черного углерода в атмосфере, но эти измерения были, в основном, эпизодическими и кратковременными.

В рейсе АМК-72 пробы для определения концентрации черного углерода в приводном слое воздуха отбирались прокачкой воздуха в течение 6–8 ч через кварцевые фильтры Hahnemule на высоте 18.5 м над уровнем моря, и только при встречном ветре, для исключения влияния выхлопов из дымовой трубы судна. В течение рейса было отобрано 34 пробы. В дальнейшем содержание черного углерода определялось в лабораторных условиях аэталометрическим методом [20].

Сравнение со данными обсерватории Тикси

Для анализа полученных в рейсе АМК-72 данных представляет интерес сравнение измеренных концентраций CO₂, и CH₄ с данными стационарной обсерватории Тикси, расположенной на севере республики Якутия на побережье моря Лаптевых (71.6° с.ш., 128. 9° в.д.) (рис. 1а). Для регистрации приземных концентраций CO₂, CH₄ и H₂O в обсерватории используется прибор G2301 производства компании Picarro Inc. (США). Обсерватория расположена на удалении от населенных пунктов, что обеспечивает условия наблюдения в отсутствии действия антропогенных факторов.

В табл. 2 приведены статистические характеристики синхронных во времени измерений концентраций метана и углекислого газа в обсерватории Тикси и в рейсе АМК-72.

Как видно из табл. 2, данные измерений на станции Тикси и с борта НИС АМК относительно хорошо согласуются друг с другом, несмотря на то, что судно в большинстве случаев находилось в сотнях километров от станции. Максимальная величина концентрации метана в данных рейса (3.541 ppm) получена в порту Архангельск. В целом данные свидетельствует о том, что большая часть измеренной изменчивости концентраций CH₄ вызвана крупномасштабными процессами, в особенности адвекцией воздушных масс, обогащенных CH₄ с континента, что согласуется с исследованиями с использованием данных по изотопному составу CH₄ [6].

Измерения озона и его предшественников

Экспедиция АМК-72 проходила в период с середины августа до середины сентября, когда приземная концентрация озона в Арктике достигает наименьших в году значений [10, 14]. Согласно синхронным наблюдениям в прибрежных арктических обсерваториях (Тикси, Барроу (побережье моря Бофорта)) [данные доступны на странице ESRL Global Monitoring Division], а также данным, приведенным в более ранних обзорах [10, 12, 14], приземное содержание озона в это период обычно не превышает 25-30 ppbv, что хорошо согласуется с результатами, полученными во время нашей экспедиции (табл. 3).

В целом изменчивость судовых данных соизмерима с разбросом результатов измерений в обсерватории Тикси и немного выше по сравнению со стационарными измерениями на мысе Барроу (табл. 3). Относительно высокая изменчивость судовых измерений может быть связана с большим территориальным охватом на маршруте экспедиции и значительной неоднородностью подстилающей поверхности: чем выше степень волнения – тем больше скорость сухого осаждения. В среднем концентрация озона над морской поверхностью примерно на 10% больше, что, вероятно, связано с менее активным стоком озона над акваторией Северного Ледовитого океана [13]. Режим озона над Арктическими морями аналогичен режиму для удаленных фоновых районов, при этом не наблюдается выраженного суточного хода – зарегистрированные суточные изменения были очень слабыми. Максимальные значения (более 32 ppb) были отмечены в Белом море при выносе воздушных масс с материка (17–18 августа 2018 г.), в Карском море при западном – юго-западном ветре (19 сентября 2018 г.) (рис. 3).

Рис. 3.

Концентрация озона вдоль маршрута рейса АМК-72 при движении судна в восточном направлении (а) и в западном (б).

Измеренные в ходе рейса значения CO и NO соответствуют фоновым для арктических широт и находятся вблизи пределов измерений соответствующих приборов.

Вариации концентраций метана на маршруте рейса

На рис. 4 представлена карта со значениями концентрации метана на маршруте рейса АМК-72.

Рис. 4.

Концентрация метана на маршрута рейса АМК-72 при движении судна в восточном (а) и западном (б) направлениях.

В ходе рейса концентрация метана в приводном слое воздуха изменялась от 1.9 до 3.5 ppm. Максимум концентрации наблюдался в порту г. Архангельска, и связан, очевидно, с влиянием города и порта и сопутствующей промышленной активностью. На остальной части маршрута представляют интерес повышенные значения концентрации метана, которые наблюдались при проходе на восток в Карском море в районе Обской губы. При пересечении этого же района в западном направлении повышенных значений концентрации метана не отмечалось. Для объяснения подобного явления был привлечен траекторный анализ, результаты которого представлены на рис. 5.

Рис. 5.

Обратные траектории для 22.08.2018 г. 00 UTC (а) и 07.09.2018 г. 00 UTC (б) на уровень 500 м н.у.м., построенные по модели HYSPLIT.

Как видно из рис. 5, при движении судна в восточном направлении наблюдался вынос воздушных масс из северных материковых болотистых районов Европейской территории России, что и могло вызвать рост концентрации метана в южной части Карского моря. Следует также отметить, что повышенную концентрацию метана в этом районе сопровождала пониженная соленость поверхностных вод (и наоборот), что может свидетельствовать о влиянии речного стока Оби и Енисея на концентрацию метана в приводном воздухе. При движении судна в западном направлении, напротив, отмечалась адвекция воздуха из районов Северной Атлантики с концентрациями метана, не превышающими средние по региону. Также повышенная относительно средних величин концентрация метана отмечалась над акваторией Печорского моря, когда происходил вынос воздушных масс с северо-западных районов Евразии.

В ходе рейса были подробно обследованы два локальных района (полигона), в которых ранее были зарегистрированы высачивания метана из донных осадков [3, 4, 21]. В рейсе АМК-72 наличие на дне метановых выходов было вновь подтверждено данными эхолота судна и подводными видеонаблюдениями [7]. В полигоне “С15”, расположенном в районе с координатами 76.78° с.ш., 125.85° в.д. (рис. 1), выявлены локальные пики концентрации метана с максимумом 2083 ppb. При этом средняя концентрация метана на полигоне составила всего 1930 ppb, что ниже, чем в среднем вдоль всего маршрута. На полигоне “Оден”, напротив, отмечалась повышенная относительно среднего концентрация метана – 1971 ppb, при этом отдельные пики не превышали значения 2037 ppb. Статистические характеристики рядов наблюдений для указанных полигонов представлены в табл. 4, диаграммы концентраций и соответствующие им обратные траектории – на рис. 6.

Рис. 6.

Концентрация метана в приводном воздухе на полигоне “С15” (а) и “Оден” (б) и соответствующие им обратные траектории на уровень 500 м н.у.м.

Кроме описанных полигонов были выявлены области высачивания метана и в других районах, в частности, на склоне материкового шельфа моря Лаптевых. Однако в этих областях из-за значительной глубины метан успевает раствориться в воде и его пузыри не доходят до поверхности. При этом концентрация СН₄ в приводном воздухе практически не повышается и соответствует фоновым значениям.

Измеренные в ходе рейса АМК-72 значения содержания изотопа δ¹³C_СН4 в метане позволяют, в некоторой мере, определить источники происхождения метана в исследуемой области, применив так называемый метод Килинга [16]. В работе [18] показано, что для достоверного определения источников метана, кроме изотопного состава, необходимо использовать траекторный анализ. Результаты подобного исследования применительно к данным рейса АМК-72 показали, что для приводного воздуха морей российской Арктики имеют место преимущественно смешанные источники метана. В некоторых областях значение изотопного состава соответствует водно-болотистым тундровым экосистемам. Эти же значения также могут быть связаны с таянием подводной мерзлоты и выходом метановых пузырей в поверхностный слой атмосферы метана [18], хотя последние исследования показали, что это маловероятно [4].

Рис. 7.

Плотность обратных траекторий воздушных масс, соответствующая минимальным концентрациям метана для 7 (а) и 9 сентября 2018 г. (б).

Как отмечалось выше, наблюдаемые в рейсе АМК-72 низкие (менее 1910 ppb) значения концентрации метана в приводном воздухе были связаны с адвекцией воздушных масс из районов Северной Атлантики при северо-западном ветре. Дополнительным подтверждением этого факта являются результаты траекторного анализа, представленные на рис. 7, на котором отображена плотность обратных траекторий, построенная по 8 траекториям через каждые 6 ч для высоты на 500 м н.у.м., по модели HYSPLIT, соответствующая минимальным концентрациям метана.

Концентрация черного углерода

Результаты наблюдений черного углерода в рейсе АМК-72 показаны на рис. 8. Как видно из рисунка, характер вариаций концентрации черного углерода частично схож с ранее проанализированными вариациями концентрации метана.

Рис. 8.

Содержание черного углерода в приповерхностном слое воздуха вдоль маршрута рейса АМК-72 (размер кружка пропорционален значению концентрации черного углерода).

В Баренцевом море 19 августа и 17, 18 сентября средняя концентрация сажи составляла 54 и 14 нг/м³ соответственно. Траекторный анализ показал, что повышенное содержание сажи в приводном слое воздуха обусловлено приходом воздушных масс с северо-западных районов суши Западной Европы, а низкие значения получены в воздушных массах, пришедших из европейской части России (ЕТР) с больших высот (примерно 1300 м н.у.м.). К тому же, результаты измерений Радиозондов показали, что состояние атмосферы по ходу перемещения воздушных масс способствовало рассеянию загрязняющих воздух веществ, так как отсутствовали температурные инверсии.

В Карском море 21 августа, во время прихода воздушной массы из северных районов ЕТР и Скандинавского полуострова, нами зарегистрирована концентрация сажи 46 нг/м³. В случае, когда траектории воздушных масс проходили над морем из сектора с северо-запад–северо-восток, средняя концентрация сажи составляла 11 нг/м³.

Для моря Лаптевых получены самые низкие концентрации сажи за экспедицию. При перемещении воздушных масс над полуостровом Таймыр 24 и 25 августа получена средняя концентрация сажи 6 нг/м³, а 31 августа и 5 сентября в случае прохождения воздушных масс над водной поверхностью с северного направления – всего 2 нг/м³.

Анализ наблюдений, поведенных в рейсе АМК-72, показал, что концентрация черного углерода в приводном слое атмосферы в Арктике в основном находится на фоновом уровне и составляет около 58 нг/м³, при диапазоне вариаций от 18 до 110 нг/м³. При этом самые низкие концентрации отмечаются в восточных областях арктического региона и при ветре северного направления. Возрастание концентрации черного углерода наблюдается эпизодически при поступлении воздушных масс с материка, преимущественно из районов сжигания попутных газов и лесных пожаров.