Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА. I. Литературный обзор
1.1. Окись углерода и метан в свободной атмосфере 14
1. Окись углерода 14
а). Глобальное пространственно-временное распределение окиси углерода
б). Источники и стоки СО
в). Связь атмосферного цикла окиси углерода с циклом метана
2. Метан 21
а). Пространственно-временное распределение
б). Источники атмосферного метана
в). Тенденция роста метана в атмосфере
1.2. Окись углерода в воздушных бассейнах городов 24
1. Обзор методик измерений 24
а). Локальные методы
б). Интегральные методы
2. Исследования локальным методом 28
а). Фотохимические реакции с участием СО в городской атмосфере
б). Содержание и распределение окиси углерода по площади города
в). Рассеяние окиси углерода из воздушного
бассейна города
3. Исследования интегральным методом 32
а). Измерения содержания окиси углерода во всей толще атмосферы
б). Пространственно-временное распределение
СО в городе в). Мощность суммарных ( или удельной ) выбросов СО
ГЛАВА. 2. Методика измерений
2.1. Описание прибора 36
2.2. Методика обработки спектров 38
ГЛАВА. 3. Исследования фоновых содержаний окиси углерода и метана ( Севан, Арктика )
3.1. Измерения содержания окиси углерода на Севане. 46
3.2. Измерения СО и СН в Арктике 51
а). Окись углерода б). Метан
ГЛАВА. 4. Исследование общего содержания окиси углерода (и метана) над городами со сложным рельефом
4.1. Ереван 57
1. Физико-географическая характеристика 57
2. Уровень загрязненности по литературным данным 58
3. Характеристика загрязненности Еревана окисью углерода по длительным спектроскопическим измерениям 61
4. Пространственно-временное распределение иг СО по измерениям с трех пунктов в 1979 г. и с двух пунктов в 1980 г 69
4.2. Кисловодск 79
1. Условия измерений 79
2. Полное содержание окиси углерода в вертикальном столбе атмосферы над местом измерений 79
4.3. Сравнение данных по загрязненности разных городов окисью углерода 84
4.4. Измерения общего содержания метана в атмосфере над Кисловодском и Ереваном интегральной
спектральной методикой 86
ГЛАВА. 5. Оценка вертикальной протяженности антропогенных "облаков" примесей и мощности источников выбросов
5.1. Варианты методик оценки толщины слоя антропогенных загрязнений и приземной концентрации 88
1. Расчет параметра вертикального распределения примеси и ее приземной концентрации (модель экспоненциального профиля) 88
Метод А - по измерениям с двух уровней Метод Б - по измерениям на "ломаной трассе" 2. Расчет параметра Нр и Cr(Z =0)(гауссова модель профиля примеси) 95
Метод А - по измерениям с двух уровней Метод Б - по измерениям на "ломаной трассе"
5.2. Результаты расчетов параметров вертикального распределения и приземной концентрации примесей в Ереване и Кисловодске 96
1. Ереван (окись углерода) 96
2. Кисловодск (окись углерода) 105
3. Сравнение значений параметров вертикального распределения примесей ( Нг ), полученных в разных городах 107
а). Окись углерода
б). Метан
5.3. Оценка мощности источников окиси углерода в городе 112
1. Метод I - по измерениям Аи. на окраине города 112
2. Метод 2 - по "ящичной" модели 114
3. Результаты расчета мощности выбросов в Ереване по методу 2 и сравнение с аналогичной вели
чиной, полученной в других городах 117
Заключение 123
Литература
- Связь атмосферного цикла окиси углерода с циклом метана
- Содержание и распределение окиси углерода по площади города
- Измерения СО и СН в Арктике
- Характеристика загрязненности Еревана окисью углерода по длительным спектроскопическим измерениям
Введение к работе
В последнее время значительно возрос интерес к исследованиям загрязнения атмосферы, как части более общей проблемы охраны окружающей среды от вредного антропогенного воздействия. Существуют самые различные подходы к решению этой задачи. В первую очередь - это усовершенствование технологических процессов производства, имеющих цель уменьшить выбросы, а также установление гигиенических норм на количество выбросов примесей, основанных на теоретическом и экспериментальном изучении закономерностей рассеяния их в пограничном слое атмосферы.
Помимо региональных проблем качества воздуха, в последнее время все большее внимание привлекает вопрос глобального загрязнения атмосферы, т.к. опасение, что возрастающая с каждым годом антропогенная нагрузка может привести к необратимым последствиям, связанным с нарушением нынешнего глобального радиационного баланса.
Для организации мероприятий по борьбе с загрязнением атмосферы необходим достаточно эффективный контроль содержания примесей в воздухе как в региональном, так и в глобальном масштабе. В зависимости от конкретных задач в настоящее время пользуются самыми различными методами контроля, которые можно условно подразделить на два основных класса.
К первому классу относятся методы, основанные на измерении локальной концентрации примесей в определенной точке пространства, ими широко пользуются в сетях службы. Зато в основном неавтоматические химические методы анализа проб воздуха, применение которых оправдывается простотой, что является необходимым условием при регулярных сетевых наблюдениях.
Ко второму классу можно отнести так называемые интегральные методы, основанные на дистанционном измерении количества примесей, усредненных по значительному пространству, вплоть до полного (интегрального) содержания данного газа во всей толще атмосферы. Одним из дистанционных интегральных методов является спектроскопический абсорбционный метод, основанный на селективном поглощении солнечной радиации определенными газовыми примесями в соответствующих спектральных участках полос поглощения. Актуальность исследований интегральной спектральной методикой определяется ее большими возможностями при решении широкого класса задач как регионального, так и глобального мониторинга.
Как показали исследования последних лет, организованные в Шк АН СССР, интегральный спектральный метод позволяет получать данные, характеризующие: I) общую картину загрязненности над воздушным пространством городов [i], 2) характер распределения примеси над загрязненным регионом [2J, 3) достаточно прямым способом определять приземную концентрацию примеси, усредненную по значительному пространству [з], 4) на основе этих данных оценить некоторые параметры пространственного распределения и 5) мощность антропогенных выбросов, усредненных по территории города.
Измерения полного содержания примесей во всей толще атмосферы над незагрязненными районами, проведенные как над территорией СССР, так и за рубежом, указывают на эффективность такой методики при решении задач глобального мониторинга атмосферы.
Спектроскопическая методика является достаточно универсальной и может быть использована для различных аспектов контроля содержания различных газовых примесей. Представляет однако особый интерес изучение содержания и пространственно-временного распределения одной из наиболее токсичных примесей - окиси углерода в городах и промышленных центрах, где в основном сосредоточены ис точникн антропогенных выбросов СО - автотранспорт и промышленность.
Исключительная токсичность окиси углерода связана с тем,что она имеет в 210 раз болшее по сравнении с кислородом сродство с гемоглобином и даже при малых парциальных давлениях во вдыхаемом воздухе легко вытесняет кислород, образуя относительно прочное соединение с гемоглобином - карбоксигемоглобин -USСО М Карбоксигемоглобин не способен присоединять кислород и, следовательно, не участвует в переносе его от легких к тканям. Хотя реакция образования карбоксигемоглобина обратима, она протекает значительно медленнее распада оксигемоглобина, поэтому при концентрациях СО всего около 700ррт наступает смерть от удушья.
Помимо непосредственного воздействия на организм [б] , окись углерода участвует в различных фотохимических реакциях, играя значительную роль в химии атмосферы [б].
Содержание работы. Настоящая работа посвящена главным образом определению общего содержания окиси углерода ( СО ) и изучению закономерностей его пространственно-временного распределения в воздушных бассейнах двух городов со сложным рельефом - в городе Ереване с населением свыше I млн. человек, отличающимся большой степенью загрязненности и сравнительно небольшом и чистом городе-курорте Кисловодск.
В целях дополнения и уточнения глобальной модели пространственно-временного распределения СО [?], построенной на базе данных, относящихся преимущественно к средним широтам северного и южного полушарий, были проведены также измерения фонового содержания окиси углерода в высоких широтах северного полушария - в районе Арктики ( остров Жохова архипелага де-Лонга Ч = 76° с.ш., Л= 153° в.д.).
Для уточнения регионального фона СО, необходимого для сравнения с данными по Еревану были проведены измерения на Севане.
Кроме того, в целях накопления данных о распределении важного в климатическом отношении метана в атмосфере были проведены предварительные измерения его содержания как во всей толще атмосферы ( о. Жохова, Ереван, Кисловодск ), так и приземной концентрации в Ереване и Кисловодске,
Во всех случаях измерений применялась интегральная спектральная методика с использованием Солнца в качестве источника излучения.
В методической части работы впервые практически осуществлена методика измерений содержания примесей в городе на "ломаной трассе", позволяющая достаточно непосредственно определять усредненную по протяженному участку трассы концентрацию примеси. В результате применения этой методики в Ереване и Кисловодске впервые удалось оценить параметры вертикального распределения антропогенной примеси с использованием в качестве трассеров как окиси углерода, так и метана.
На основании данных спектроскопических измерений в Ереване несколькими способами проведена оценка мощности антропогенного источника окиси углерода в городе, имеющей помимо самостоятельного интереса широкое применение в приложениях.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии (116 наименований ) и приложения. Она содержит 159 страниц машинописного текста, включая 26 рисунков, 13 таблиц и 7 таблиц в приложениях.
Глава I - литературный обзор данных о I) содержании и пространственно-временном распределении окиси углерода и метана в свободной атмосфере, 2) содержании и изменчивости количества СО в городах и 3)методиках измерения малых газовых примесей в городах.
Глава 2 - описание установки и методика измерений, применявшаяся в настоящей работе.
Глава 3 - результаты измерения фоновых содержаний СО на полуострове Севан ( региональный фон для выявления антропогенного превышения содержания СО в Ереване ), а также СО и СН4 на о. Жохова. Здесь же выполнено сравнение полученных данных с моделью пространственно-временного распределения СО, предложенной в работе [ 7].
Глава 4 - Результаты исследования общего содержания газовых примесей ( СО, СН ) над городами со сложным .рельефом поверхности ( Ереван, Кисловодск ),
Ереван. Дана физико-географическая характеристика города и обзор литературных данных по загрязненности городского воздуха.
Представлены и обсуждаются: а) результаты по измерениям содержания СО во всей толще атмосферы в течение 5 лет с 1977 по 1981 год, б) данные по синхронным измерениям СО в 1979 г. с трех пунктов по территории города, разнесенных по высоте на 200 метров с целью обнаружения закономерностей в процессах рассеяния антропогенной шапки примесей из воздушного пространства города в зависимости от метеоусловий, в) данные по несинхронным измерениям СО в двух пунктах ( 1980 г.), подтвердившие справедливость выводов о закономерностях рассеяния антропогенного облака СО из воздушного бассейна Еревана.
Кисловодск. Представлены данные по исследованию общего содержания СО над г.Кисловодском, проведенному в 1982 году в сравнении с данными, полученными аналогичной методикой другими авторами. Отмечается небольшое превышение содержания СО над фоновым. Производится сравнение данных по Еревану и Кисловодску с результатами аналогичных измерений окиси углерода в городах с простым рельефом ( Москва, София, Днепропетровск, Новосибирск ).
- II Представлены результаты по измерениям общего содержания метана во всей толще атмосферы над Ереваном и Кисловодском, свидетельствующие о его небольшом превышении в указанных городах по сравнению с фоном.
Глава 5 - оценка вертикальной протяженности антропогенных Чэблаков" примесей и оценка удельной мощности их источников.
A. Описаны две разновидности спектроскопической методики, дающие возможность определять наряду с общим содержанием примеси во всей толще атмосферы, толщину слоя антропогенной "шапки" и приземную концентрацию примеси. При этом привлекаются и сравниваются два варианта моделей профиля концентрации примеси - экспоненциальная и гауссовская.
Б. Приведены и обсуждаются результаты по определению параметров вертикального распределения и приземной концентрации СО в Ереване, полученные двумя методам, один из которых ( метод с ломаной трассой ) позволяет достаточно пряьшм способом определять приземную концентрацию, в то время как по второму методу приземная концентрация определяется косвенно и зависит от выбранной модели профиля измеряемой примеси ( СО ). Благодаря этому, сравнение полученных значений высоты слоя антропогенного облака и приземной концентрации измеряемой примеси упомянутыми методами позволило оценить приемлемость выбранных моделей профилей.
Помимо этого представлены также результаты по определению эффективной высоты антропогенного, слоя окиси углерода в Кисловодске на основе данных, полученных методом "ломаной трассы".
B. По результатам измерений содержания метана на "ломаной трассе в Ереване и Кисловодске и при допущении, что превышение общего содержания метана во всей толще атмосферы в упомянутых городах по сравнении с фоном имеет антропогенное происхождение, оценены параметры вертикального распределения метана в Ереване и Кисловодске. Результаты оценки позволили сделать вывод об универсальности величин этих параметров, характеризующих процесс турбулентной диффузии вверх пассивной примеси в приземном слое атмосферы.
Г. На основе тлеющихся данных о содержании окиси углерода над Ереваном произведена оценка удельной мощности выбросов СО (скорость истечения с единицы поверхности) тремя способами, давшими согласованные результаты. Здесь же даются сравнительные данные по мощности источников СО в других городах.
Основные положения работы, выносимые на защиту и новизна полученных результатов
1. Впервые получены данные относительно общего содержания окиси углерода в толще атмосферы на Севане и о.Жохова (в арктическом зоне). Эти данные дополняют и уточняют предложенную в [7] модель пространственно-временного распределения СО. Содержание окиси углерода во всей толще атмосферы над арктическим районом выше предсказанного в указанной модели, что является следствием особенностей режима общей щркуляции атмосферы, способствующей накоплению примесей в этой зоне.
2. Впервые получен значительный массив данных по измерениям интегрального содержания СО в толще атмосферы над Ереваном, характеризующий высокий уровень загрязненности его воздушного пространства.
3. Впервые технически осуществлены и освоены измерения на "ломаной трассе", позволяющие наряду с общим содержанием во всей толще атмосферы достаточно прямым способом измерять приземную концентрацию примеси, усредненную по пространству порядка ста метров. На основе этих результатов получены обширные данные о параметрах вертикального распределения антропогенной окиси углерода ( а также метана ) в Ереване и Кисловодске.
4. Проведенные впервые в Ереване и Кисловодске измерения содержания метана во всей толще атмосферы и его приземной концентрации позволяют делать вывод о падении относительной объемной концентрации СН с высотой. Полученные на основе интегральной спектральной методики данные о параметрах вертикального распределения примесей ( СО, СН ) над городами позволяют заключить, что численное значение этого параметра ( для любой пассивной примеси, выделяющейся наземным источником ) является достаточно устойчивой характеристикой процесса турбулентной диффузии примеси вверх в городских условиях.
5. На основе данных, полученных при измерениях в Ереване впервые для этого города произведена оценка мощности источника антропогенных выбросов СО тремя различными способами, давшими согласованные результаты.
Связь атмосферного цикла окиси углерода с циклом метана
а). Пространственно-временное распределение. Относительно пространственно-временного распределения СН в атмосфере Земли существуют некоторые различия во мнениях исследователей. В работе [9] по результатам двухлетних наблюдений делается вывод о небольшом превышении ( 6% ) содержания метана в северном полушарии.
Такого же мнения придерживаются авторы в работе [4б]. Они приводят значения концентрации по объему I,6I2ppm для северного и I,525ppm. для южного полушарий. Аналогичный вывод о полушарной асимметрии в содержании СН4 делается в [і4] по данным наблюдений, показавших значения 1,62ррги к югу от ВЗК и 1,72 - севернее 20 северной широты. Этими авторами время жизни метана в атмосфере оценивается в 8 лет.
По результатам спектроскопических измерений интегрального содержания метана во всей толще атмосферы в работе [іб] автор приходит к выводу, что СН равноперемешан по земному шару. Сезонные изменения заметны в северном полушарии, а в южном вариации содержания СН в пределах ошибок измерений. Однако в работах [l7, 47J анализ результатов измерении позволил оценить изменчивость в широтном ходе, которая составила от 1,2 до 1,6 атм.см [1 с минимумом I,3ppnt [47] . На основе полученных данных авторы делают также вывод о том, что концентрация СН с высотой в северном полушарии падает быстрее, чем в южном. Однако, непосредственные измерения в слое 0 - 4 км в южном полушарии с помощью газовой хроматографии и масс-спектрометрии не обнаружили зависимости концентрации СН4 от высоты [24] .
Самолетные измерения, проведенные над обширной территорией восточного полушария в 1979 году [2l] показали, что концентрация СН составляет 1,54 - 1,59.10 и также мало меняется как с высотой ( в тропосфере ), так и с местом. Такой же вывод относительно горизонтального распределения СН4 в тропосфере делают авторы [20], измерившие с помощью подвижной лаборатории содержание метана в различных воздушных массах.
В стратосфере содержание метана убывает с высотой от 1,3ррт ( Н= 21 км ) до 0,45ррт ( Н = 37 км ) [48, 2б], свидетельству - 23 ющее о мощных механизмах стока. О падающем с высотой профиле CIL свидетельствуют и работы [23, 50] .
В работе [5l] методом лазерного зондирования приземного слоя атмосферы изучался суточный ход концентрации СН4 в июле - сентябре 1980 года в пределах Джавахетского нагорья ( северная часть Армянского нагорья ). Наблюдались вариации в суточном ходе, которые авторы объясняют неравномерностью поступления метана из почвенного и подпочвенного слоев в завистгости от температуры, а также различной скорости стока СН в фотохимических реакциях с ОН. По мнению авторов известную роль в вариациях СН имеет также сейсмичность.
б). Источники атмосферного метана. Согласно обширным оцен J4 кам, проведенным в \52J выбросы СН составляют всего 12,1 10 граммов в год, из которых значительная часть ( 9,1 10 г/год ) приходится на долю экосистем, а на разложение органики, сжигание биомассы и ископаемого топлива - 3 10 г/год, однако авторы [37] о дают более низкие оценки выбросов - 4,5 10 т/год ( в пересчете на углерод ).
По данным работ [53, 54] основным источником метана является почва, которая выделяет не менее 3,5 10 г/год [53] , а антропогенные выбросы по оценкам экспериментальных измерений СНд в мес о тах добычи газа - 1,2»10 т/год. Некоторое количество СН выходит в атмосферу непосредственно с лавой из магмы при вулканической деятельности [41] .
в). Тенденция роста метана в атмосфере. Тенденцию роста СН в атмосфере подтверждают ряд авторов [31, 42, -9] . В работе [42] на основе непрерывных измерений СН в течение 22 месяцев методом автоматической газовой хроматографии в незагрязненном районе тихоокеанского побережья США. получены данные, свидетельствующие об - 24 -увеличении концентрации СН от І,6І»І0 в 1979 году до А 1,67.10 в конце 1980 года, то есть на 1,8$ в год при сезонных вариациях 1,2%,
Содержание и распределение окиси углерода по площади города
Содержание и распределение окиси углерода по площади города. Как было отмечено выше, количество антропогенных выбросов СО в настоящее время очень велико и растет с каждым годом. Основные источники этих выбросов - автотранспорт, нефтеперерабатывающая промышленность, черная металлургия [82, 83] сосредоточены главным образом в городах и промышленных центрах. Разумеется доля транспортных выбросов окиси углерода в разных городах отличается в зависимости от количества предприятий и автотранспорта [84] . Однако, о доминирующей роли автотранспорта свидетель ствует большое количество исследований, в частности [85] .
В ряде крупных городов Европы и США по оценкам [8б] средняя концентрация СО составляет 10 мг/м3. На основе анализа многолетних данных о загрязненности окисью углерода городов и промышленных центров СССР в [87] приводятся следующие результаты: среднее значение концентрации СО по городам за 10-летний период составляет 12 мг/м3, а среднегодовые колеблются от 3 до 20 мг/м3. Т.к. измерения проводились титрометрическим методом, обладающим недостаточной избирательностью по отношению к СО, возможно, что эти оценки несколько завышены.
Как было отмечено выше, результаты измерений локальной методикой в значительной степени зависят от выбора места установки измерителей. Для обеспечения репрезентативности при локальных измерениях необходимо, как показано в [88]увеличивать как число пунктов измерений, так и тщательно и обоснованно выбирать места установки приборов. Например, в работе [85] при проведении обширного комплексного эксперимента с целью изучения процессов рассеяния примесей в условиях инверсий в г. Хомптоне ( США ) использовались 4800 хроматографов для контроля концентрации СО.
В целом ряде работ, посвященных распределению примеси по площади города отмечается значительная изменчивость концентрации окиси углерода. В [89] приведены экспериментальные данные, свидетельствующие о 2 - 3-х кратном превышении концентрации СО на перекрестках по сравнению с трассами с такой же интенсивностью движения. Аналогичный вывод делается и в [90] .
Рассеяние окиси углерода из воздушного бассейна города. Условия рассеяния пассивной примеси над воздушным бассейном в городе однозначно определяются метеорологическими условиями, в первую очередь температурной стратификацией и ветровым режимом.
В работе [85] отмечается, что ночные инверсии способствуют даже увеличению концентрации примесей, хотя сильно уменьшается автомобильное движение.
Изменчивость метеоусловий в течение суток наряду с режимом движения автотранспорта приводит к определенным закономерностям в суточном ходе концентраций примесей, дневной ход содержания СО с двумя максимумами в утренние и вечерние часы, соответствующими режиму наибольшей интенсивности движения отмечается в ряде работ [91 - 93] .
Определенное значение для рассеяния примеси из воздушного бассейна города и при формировании антропогенной "шапки" имеет так называемый городской остров тепла, возникающий из-за многих факторов ( аіасуїлуляция тепла в постройках, радиационный нагрев загрязненного воздуха и т.д. ). В работе [94] рассматривается остров тепла над городом ( обычно над его центральной частью ), где перепад температуры по сравнению с окраиной достигает 1-2, что при определенных условиях может вызвать потоки воздуха со скоростью до 3 м/сек, способствующие переносу примесей с одного района в другой и конвекцию. Этот эффект автор предлагает использовать при градостроительстве для улучшения вентиляции города путем целесообразного размещения предприятий, озеленения и т.д. Такие мероприятия по мнению автора особенно целесообразны в южных городах, расположенных в горной местности.
Измерения СО и СН в Арктике
Окись углерода. Особый интерес представляют данные о содержании окиси углерода в арктических районах. Предложенная модель пространственно-временного распределения [7J характеризующаяся значительным возрастанием Uz СО с юга на север базируется на экспериментальных данных, полученных в середине 70-х годов в диапазоне широт лишь от 65 S до 56
В продолжение работ [7, 28] было решено распространить спектроскопические исследования фонового содержания СО и СН во всей толще атмосферы на арктические районы, где, как нам известно, такие работы не проводились.
Местом проведения измерений был выбран остров Жохова в архипелаге де-ліїонга ( координаты: ]р = 76 с.ш. и Л = 153 в.д. ). Измерения проводились в течение 13 дней с 9.04.82 по 24.04.82. Условия эксперимента ( большая длительность солнечного времени ) позволили производить измерения в течение многих часов ежедневно. Среднедневные значения полного содержания окиси углерода в атмосфере представлены в таблице 2,
Представляет интерес сопоставить полученные данные с результатами исследовании, проведенных на других широтах. На рис. 6 вместе со средним апрельским значением UZC0 для о.Жохова, равным 0,151 атм.см, показаны модельные кривые распределения фонового содержания СО [7, 28] для марта и апреля, построенные по экспериментальным данным, относящимся к диапазону широт 67 S -56 А/ ( отмечены пунктирными и штрихпунктирными линиями ). На этом же графике представлено среднее значение СО над Звенигородом за апрель 1982 года [зо] , т.е. результат, полученный на основании практически синхронных с нашими измерений. Методика и обработка результатов идентична во всех случаях. соких широт Арктики за счет самоочищения воздушных масс к северу не оправдывается и эта часть модели требует уточнения.
Факт высокого содержания окиси углерода в полярных широтах Арктики может быть в качестве рабочей гипотезы объяснен ослабленным механизмом стока СО из-за: а) известных особенностей в общей циркуляции атмосферы, при котором в полярных широтах значительно ослабляются потоки воздуха из тропосферы в стратосферу, где стоки СО могли бы быть более существенными [70]; б) малого содержания радикалов ОН в тропосфере (и страто сфере) полярных районов [37] ; в) отсутствия процессов жизнедеятельности бактерий, являю щихся вторым по мощности механизмом стока СО.
Модель [7] построена в предположении отсутствия векового тренда СО по усредненным данным измерений в семидесятых годах. В работе [30J на основании измерений последующих лет показана тенденция роста СО от года к году, особенно заметная для зимне-весеннего сезона в северном полушарии. Последнее не противоречит значениям, полученным при синхронных с арктическими измерениях Ц2 в Звенигороде в 1982 г (рис.6).
В пользу правильности сделанного вывода свидетельствуют результаты, полученные Каро лем ИД. и Кудрявцевым А. П. [і 9] с помощью модельных расчетов глобального распределения СО. Расчетные модельные кривые в указанной работе хорошо совпали с данными измерений [7, 28] в низких широтах и нашими результатами, полученными для высоких широт северного полушария.
В связи со сказанным интересно отметить работу [80]в которой приводятся результаты измерений загрязнения в полярных районах . Арктики от Гренландии до Земли Франца-Иосифа» Измерялись, правда, взвешенные частицы и оказалось, что в некоторых случаях наблюдались исключительно высокие уровни загрязнения, вплоть до опасных.
б). Метан. В таблице 2 представлены результаты измерения содержания метана в толще атмосферы над о.Жохова. Из рис.7, где приведены также данные, полученные в ходе рейса НИС "Профессор Зубов" в декабре-апреле 1980 - 1981 гг [l7J , видно, что распределение фонового содержания метана во всей толще атмосферы в пределах погрешностей не показывает существенных зариаций, что согласуется с мнением некоторых исследователей, отмеченным выше в литературном обзоре настоящей работы.
Проведенные к настоящему времени исследования интегральным спектральным методом загрязненности атмосферы касались в основном окиси углерода в городах, расположенных на равнинной местности [і, Юб]. Так как время жизни окиси углерода в атмосфере достаточно велико [28] , время пребывания этой примеси в воздушном бассейне над городом практически полностью определяется условиями рассеяния из пространства над городом. В связи с этим представляет интерес исследование загрязненности городов со сложным рельефом, затрудняющим "вентиляцию".
В настоящей главе представлены результаты исследований общего содержания окиси углерода над двумя городаїж, преимущественно над Ереваном с миллионным населением и развитой промышленностью и автотранспортом, с высокой степенью загрязненности и небольшим городом - курортом Кисловодском, также расположенным в горной местности, однако с малой степенью загрязненности.
На основе данных аналогичных исследований других авторов производится сравнение городов по степени загрязненности воздуха в них окисью углерода. В заключительном параграфе приводятся данные измерений общего содержания метана в толще атмосферы над городами Ереван и Кисловодск.
Характеристика загрязненности Еревана окисью углерода по длительным спектроскопическим измерениям
Метод Б - по измерениям на "ломаной трассе" На наблюдательном пункте Щ помимо измерений общего содержания СО ( а также СН4 ) в толще атмосферы был оборудован горизонтальный участок трассы ( рис. 20 ), позволяющий измерять суммарное количество пршлеси на пути луча Солнца вдоль всей ломаной трассы. Излучение Солнца, прошедшее через атмосферу попадало на зеркало I и далее, отражаясь от 2 - на большое зеркало 3 с регулируемой кривизной поверхности, которое было установлено на конце горизонтального участка трассы. Отраженный от этого зеркала свет с помощью поворотного зеркала 4 направлялся на входную оптику спектрометра 6. диаметр зеркала 3 , равный 800 мм давал возможность устанавливать его на расстоянии не более L = 75 м от следящего зеркала I диаметром ф- 350 мм при условии полного заполнения его поверхности отраженными от зеркала 2 лучами Солнца, имеющими естественную расходимость 0,5.
Радиус кривизны большого зеркала выбирался таким, чтобы при фокусировке отраженных лучей на поворотном зеркале 4 ( 350 мм ) и входной апертуре спектрометра потери света были минимальными. Регулировка кривизны зеркала 3 производилась вручную, с помощью механической оттяжки 5 , приклеенной к поверхности тыльной стороны зеркала. При юстировке системы максимум засветки монохрома-тора контролировался с помощью регистрирующей системы установки по максимуму сигнала на выходной щели монохроматора.
При такой схеме измерений была несколько видоизменена также следящая система, т.к. на таком большом пути лучей от следящего зеркала до спектрометра ( 2L = 150 м ) незначительное угловое перемещение Солнца приводило к резкому, почти параллельному смещению пучка лучей поперек оптической оси на входной апертуре прибора. На блоке датчиков обычной системы слежения, описанной в главе 2, естественно, почти не происходило смещения изображения Солнца, а оно попросту пропадало.
В связи с этим была изготовлена дополнительная следящая система, которая с помощью маленького зеркала ( ф 30 мм ), закрепленного на оправе следящего зеркала I и с помощью выносного блока датчиков, установленного соответствующим образом недалеко от поворотного зеркала 2 , обеспечивала постоянную засветку зеркала 2 . При хорошей юстировке такая система позволяла в течение 20 минут и более записывать спектры без дополнительной регулировки, которая сводилась к небольшим перемещениям блока датчиков в горизонтальном и вертикальном направлениях.
В связи с этим следует заметить, что при такой схеме измерений на "ломаной трассе"целесообразнее пользоваться автономной системой слежения за Солнцем, например с помощью целостата.
Эксперимент проводился в два этапа. Сначала обычным способом измерялось содержание окиси углерода ( или метана ) в толще атмосферы ( рис. 20, сплошная линия ): Z затем с помощью перебрасываемого зеркала 4 записывались спектры поглощения по схеме "ломаной трассы" ( пунктирная линия на рис.20 ) и, следовательно, получали полное содержание примеси вдоль ломаной трассы :) х» K2-L=wfc(z)d2 + 2LCfH ) (5.8) где C(2V) = Сф( ) + Сг(2 ) - суммарная ( городская плюс фоновая ) концентрация примеси на уровне Z ; си - длина приземного горизонтального участка трассы; J77. - воздушная масса. длительность записи спектров в каждом из этапов измерении составляла около 10 минут. Благодаря увеличению быстродействия прибора, за этот промежуток времени удавалось записать до пяти спектров в участке 2160 - 2156 см ( СО ) и до шести в участке 3,331 - 3,335 мкм ( СН ). Переключение этапов осуществлялось в течение полуминуты.
Возникает вопрос о приемлемости (5.2) как для оценки толщины слоя антропогенной примеси, так и других задач, в частности при определении приземной концентрации по методу измерений Uz с двух уровней ( метод А, (5.6)) и мощности источника примеси в городе ( см. ниже, 5.4 ) и других прикладных задач.
Для обоснования приемлемости экспоненциальной модели профиля антропогенного СО в рамках наших экспериментальных результатов по Еревану был проведен аналогичный описанному в 1 расчет параметров Нг вертикального распределения и приземной концентрации примеси двумя методами ( А и Б ) в предположении гауссова профиля концентрации антропогенного СО
В соответствующих колонках этих таблиц представлены также те же параметры в предположении гауссова профиля вертикального распределения антропогенной СО (5.12), полученные по (5.15) и (5.17) в пунктах JS4 и Ш. соответственно.
Вычисления во всех случаях производились по усредненным данным Uz. и ,+Ь, в пункте Ш, а в пункте М по Uz и U.Z L по каждому двадцатиминутному интервалу времени.
В соответствующих колонках таблицы 6 приведены значения приземной концентрации Сг (2=0 ), полученные по (5.6) в предположении экспоненциальной (5.2) и по (5.16) в предположении гауссовой (5.12) моделей профилей антропогенной СО в пункте М. В табл.7 приведены значения приземной концентрации, полученные по (5.9) достаточно непосредственно ( вне зависимости от выбранной модели профиля концентрации примеси ) по измерениям на"ломаной трассе" в пункте
