Лидарная сеть стран СНГ

Его идея основана на измерении временной структуры света импульсного лазера, рассеянного разными участками атмосферы, по которой можно получить информацию о газовых, аэрозольных и метеорологических характеристиках воздуха с большим пространственно-временным разрешением по трассе зондирования. Лазерные приборы для решения указанных задач называются лидарами.
Создание лидарной сети CIS-LiNet
Лидарная техника, эксплуатируемая в разных регионах, будет наиболее эффективна, если на основе измерений создать единый банк данных загрязнения атмосферы огромных территорий. Это возможно только тогда, когда разные лидарные станции объединены в одну сеть, где осуществлена интеркалибровка приборов и методик и проводится мониторинг состояния атмосферы по общим для всех правилам. Первой такой сетью стала Европейская лидарная сеть EARLINET, созданная в 2000 г. и включавшая лидары 12 государств. В ее организации принимала участие и Беларусь. Полученный опыт позволил минчанам вместе с томскими коллегами перейти к организации лидарной сети на территории бывшего Советского Союза. В 2004—2007 гг. она была создана и названа CIS-LiNet. Она включает 7 лидарных станций, расположенных в Минске, Томске, Москве, Владивостоке, Сургуте, в районе озер Байкал и Иссык-Куль. На фото слева представлен комплекс белорусских лидаров: 1 — стратосферная аэрозольная поляризационная станция, 2 — панорамная тропосферная аэрозольная многоволновая станция в комплексе с солнечным радиометром Cimel, 3 — ИК-канал панорамной станции, 4 — стационарная озоновая станция, 5 — передвижная многофункциональная станция, 6 — мобильный лидар ИФ.
Разработан ряд методик и моделей, повышающих точность обработки лидарных сигналов, расширяющих возможности решения многих проблем межрегионального и трансграничного переноса загрязнений. К ним можно отнести восстановление параметров микроструктуры аэрозоля по данным комплексного радиометрического и многоволнового лидарного зондирования; разработку модели и программы расчета трехмерных траекторий движения воздушных масс в атмосфере; развитие метода времени пребывания.
Создан комплекс аппаратуры на основе мощного ТЕА СО2-лазера с широкой перестройкой по спектру (9—11,4 и 4,5—5,7 мкм) для контроля газовых компонент атмосферы.
Одним из наиболее перспективных путей расширения возможностей лазерных источников лидарных комплексов является преобразование частоты их излучения в нелинейных кристаллах. В Институте мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения РАН
(ИМКЭС) создана уникальная высокопродуктивная технологическая линия замкнутого цикла по выпуску поликристаллического материала с высоким выходом за один производственный цикл (до 650 г),
выращиванию высококачественных кристаллов ZnGeP2 неординарного размера (до 30х120 мм), соответствующая эксплутационным требованиям лазеров. На рис. 1 показана ростовая печь (вверху) и синтезированный поликристаллический материал (внизу). С использованием выращенных кристаллов осуществлена разработка всех известных типов параметрических преобразователей частоты.
К числу наиболее значимых результатов в рамках кооперации Института физики и ИМКЭС можно отнести получение генерации до 100 тыс. линий излучения на длинах волн второй гармоники и комбинационных частот фундаментальной, секвенционных, горячих и неосновной 4,3-мкм полосы излучения СО2-лазеров низкого давления. Применение такого источника излучения в составе лидаров-газоанализаторов для контроля состава приземной атмосферы равносильно использованию плавно перестраиваемых по частоте узкополосных полупроводниковых лазеров.
Озон и аэрозоль в верхних слоях атмосферы
Озон — одна из самых изменчивых составляющих земной атмосферы, где общее его содержание (ОСО) над каждым конкретным регионом определяется фотохимическими процессами образования и разрушения в верхней стратосфере и процессами переноса воздушными массами в более низких слоях. Согласно измерениям, величина ОСО на территории Беларуси меняется в диапазоне 220—450 ед. Добсона. На рис. 2 прослеживается высотно-временная трансформация озонового слоя начиная с 1999 г., когда стали проводиться регулярные лидарные наблюдения в Минске. Характерным является формирование повышенных значений максимумов концентрации в весенний период и их уменьшение во втором полугодии.
Мониторинг аэрозоля в верхней тропосфере и стратосфере осуществлялся одновременно с измерениями профилей концентрации озона. Основной источник этого вещества в стратосфере — тропо¬сферно-стратосферный обмен и мощные вулканические извержения, выбросы которых могут «пробить» тропопаузу и доставить аэрозоль в стратосферный слой. По результатам лидарного зондирования были восстановлены высотные профили показателя обратного аэрозольного рассеяния ??(h), отношения обратного рассеяния R(h) = (??(h) + ?m(h)) / ?m(h) и интегрального показателя обратного аэрозольного рассеяния стратосферного слоя
B = h2 ?h1??(h?)dh?
для длины волны 532 нм. Здесь ?m(h) — профиль показателя обратного молекулярного рассеяния на высоте h. Значения h1 и h2 определяют положение стратосферного слоя.
Данные показывают, что стратосфера за рассматриваемый период была очень чистой. Аэрозольное рассеяние составляло лишь 2—6% от молекулярного. В настоящее время среднее значение параметра — порядка 0,0001 1/ср. Содержание аэрозольного вещества в стратосфере минимально с 70—80-х гг., когда начались регулярные лидарные наблюдения стратосферы. На основе массива профилей 2002—2005 гг. для всех сезонов был сформирован средний фоновый профиль показателей обратного аэрозольного рассеяния на длине волны 532 нм для стратосферы средних широт Томска в условиях длительного вулканически спокойного периода (рис. 3). Сравнение наших эмпирических моделей 1989—1990 и 2002—2005 гг. показывает, что в условиях длительного вулканически спокойного периода значения ??(h) стали меньше во всем высотном диапазоне, при этом более интенсивное очищение стратосферы от аэрозолей произошло в слоях выше 20 км.
Аэрозольное загрязнение, обусловленное аномальными явлениями
Влияние извержения вулканов
Примером серьезных изменений в состоянии стратосферы вследствие природных катастроф являются крупные извержения вулканов. Последним, наиболее мощным за время наблюдений вулканическим извержением, был взрыв вулкана Пинатубо в июне 1991 г. на Филиппинах. В результате в атмосферу было выброшено огромное количество газов и аэрозоля. С этого времени начался процесс формирования стратосферных аэрозольных облаков и их последующая диссипация.
Многолетние данные позволили выделить периоды переходного и фонового состояния стратосферного аэрозольного слоя и определить долговременные тренды изменений фоновой, невулканической компоненты стратосферного аэрозоля. На рис. 4 результаты этих наблюдений приведены в виде интегрального показателя обратного аэрозольного рассеяния над Томском и Минском. Стрелками показаны вулканические извержения тропического пояса и средних широт Северного полушария, прямыми линиями — линейные регрессии для соответствующих периодов. Результаты указывают на однообразный характер распределения стратосферного аэрозоля в средних широтах Северного полушария.
Влияние пылевых бурь
Измерения в рамках сетей EARLINET и CIS-LiNet впервые показали, что пылевые бури пустынь Африки, Гоби и Средней Азии загрязняют атмосферу Европы и, в частности, Беларуси, Восточной Сибири, Приморского края и альпийской зоны Тянь-Шаня. Небосвод в этих случаях становится не голубым, а серым: в воздухе появляются крупные частицы, концентрация которых очень велика. Нарушается световой и тепловой режим, поскольку уменьшается солнечное излучение, проходящее через атмосферу. В достаточно чистых регионах оседающая на поверхность пыль существенно влияет на биологические и климатические процессы. Было показано, что, когда пыль из пустыни Гоби поступает в Японское море, концентрация хлорофилла «А» возрастает. Это связано с усиленным развитием водорослей вследствие попадания в верхний океан¬ский слой минеральной фракции. Пылевые выбросы среднеазиатских пустынь часто оседают на снежные и ледяные покровы гор Тянь-Шаня. Это приводит к усилению процесса таяния, уменьшению размеров ледников. Поскольку ледники — основной источник питьевой воды во многих среднеазиатских странах, это необходимо учитывать природоохранным органам на самом высоком государственном уровне. В Беларуси в течение года число существенных эпизодов выноса пыли составляет 8—10. Перенос пыли происходит на высотах 3—7 км.
Влияние пожаров
Пожары в сильной степени задымляют тропосферу. Рассмотрим это на примере работы сети CIS-LiNet в Сибири и Беларуси. Для анализа пожаров использован комплексный подход: результаты измерений наземных лидаров, космического лидара «Caliopso», радиометрической сети «Aeronet», радиометрических изображений спутника «Terra-modis», данных об обратных траекториях движения воздушных масс.
В Сибирском регионе, содержащем обширные лесные массивы и торфяные болота, в теплый период года одним из основных источников аэрозоля в атмосфере становятся процессы горения биомассы — лесов, торфяников, растительности. На рис. 4 (вверху) показана пространственно-временная динамика высотных профилей аэрозольного показателя обратного рассеяния, полученная с помощью лидара в июле 2006 г. Ночные измерения 4 июля в данной серии являются фоновыми (меньше молекулярного рассеяния) и определяются состоянием тропосферы после прохождения обильных дождевых осадков. Профиль от 14 июля типичен для летнего периода Томского региона и подтверждается данными многолетних самолетных нефелометрических наблюдений. Рост замутненности атмосферы начался 17-го и уже более контрастно заметен 19 июля и обозначен резко выраженными двумя высотными диапазонами 0—1,8 и 2,2—4 км, где наблюдается повышенная концентрация аэрозольных частиц. В дальнейшем 21-го числа картина вертикального распределения заглаживается и характеризуется повышенным заполнением аэрозоля нижнего 2-километрового участка атмосферы.
В нижней части рис. 4 приведены временные реализации измерений оптических параметров используемых средств. Рассматриваемые характеристики хорошо коррелируют друг с другом. Таким образом, представленный материал показывает возможность исследования тонкой структуры аэрозольных полей во время комплексного эксперимента с привлечением различных атмосферных технологий.
В летний сезон в регионе Беларуси одним из основных источников загрязнения атмосферы являются лесные и торфяные пожары в западных районах России, в Украине и в самой республике. Рассмотрим событие, обусловленное переносом дыма в апреле — мае 2006 г. Схема развития процесса прослежена разными способами: космическим, модельным, лидарным, радиометрическим (рис. 5, 6). Видно, что данные коррелируют между собой. При анализе показателей радиометрического эксперимента обнаружены определенные закономерности в изменении параметров частиц в процессе переноса. Средний радиус частиц мелкодисперсной фракции уменьшился в процессе распространения от Минска в полярную зону Шпицбергена. Самая крупная мода исчезла. Увеличилась поглощательная способность аэрозоля. Это может произойти, если снизится содержание сажи в частицах. Представленные данные могут быть объяснены процессом седиментации крупнодисперсной фракции, содержащей сажу, при распространении взвешенных частиц.
Трансграничный перенос взвешенных частиц
В рамках сети CIS-LiNet в течение 2007 г. проводился систематический контроль за состоянием экологической обстановки в Беларуси. Основой процедуры оперативных наблюдений переноса взвешенных частиц в атмосфере являлись методики комплексной обработки данных локальных, дистанционных и космических измерений. Процедура наблюдений предусматривала систематический анализ прогностических моделей переноса частиц, а также космических данных MODIS и сервера FIRMS с целью оценки вероятности возникновения эпизода выноса аэрозольного загрязнения в регион республики. Рассматривались не только антропогенное воздействие, но и дым пожаров и пыль Сахары.
На рис. 7 представлены объединенные за 2007 г. данные измерений концентрации РМ-10 на станциях в Минске, Могилеве, Гомеле, Жлобине, Березинском заповеднике, а также величины общего содержания мелкой (РМ-1), крупной (диаметром 1—30 мкм) фракций частиц по данным радиометрических измерений. Зеленая штриховая линия представляет величину ПДК для концентрации РМ-10, синяя и красная — дают соответственно среднегодовые значения общего количества мелкой и крупной фракций в атмосфере. Данные в интегрированном виде характеризуют степень воздействия процессов крупномасштабного переноса на концентрацию взвешенных частиц в приземном слое. Всем серьезным событиям была дана интерпретация. Наиболее значимым стал перенос взвешенных частиц в конце марта — начале апреля 2007 г., основная причина которого — загрязнение нижнего слоя атмосферы высотой до 3 км продуктами пожаров в России и Украине, а также, в малой степени, в самой Беларуси. Вторым по значимости фактором загрязнения воздуха стал процесс переноса пыли преимущественно из пустыни Сахара. В Беларуси, как правило, перенос осуществляется преимущественно выше пограничного слоя и не оказывает непосредственного влияния на концентрацию РМ-10 в приземном. Однако в ряде эпизодов пыль проникает и в него, что и произошло в конце мая — начале июня 2007 г.
Идентификация регионов — источников загрязнения атмосферы
Для нахождения областей — источников переносимой по воздуху примеси в настоящее время широко используется так называемый метод времени пребывания. Его входными данными являются данные мониторинга содержания примеси за большое время (например, за год или несколько лет) и набор обратных траекторий воздушных масс, приходящих в точку мониторинга в моменты измерения концентрации. С помощью статистической обработки можно установить корреляционные связи между уровнем концентрации в пункте мониторинга и территориями, над которыми воздушные массы проходили до попадания в точку мониторинга и выявить таким образом регионы, вызывающие повышенную концентрацию загрязнителей в пункте мониторинга. На рис. 8 приведены результаты расчетов пространственного распределения источников аэрозолей по данным мониторинга в Березинском заповеднике. Густота траекторий свидетельствует о частоте проявления влияния этих источников. Видно, что в теплые сезоны наиболее мощные из них находятся на восточной границе Украины с Россией, более слабые — на западе Украины и в черноземном поясе России. В холодные сезоны наиболее мощные источники аэрозолей расположены на большей части Украины, юго-востоке Беларуси, в районе Москвы.
Расчеты показывают, что в среднем за время порядка года или нескольких лет наибольший вклад в содержание примеси вносят относительно близкие территории в пределах 200—300 км от пунктов мониторинга. Тем не менее суммарное влияние далеких территорий с низким вкладом может быть значительным. Так, отношение вклада региона Беларуси в степень запыленности атмосферы к вкладу всей территории, покрываемой 5-суточными траекториями, составляет приблизительно 40% для Минска. Это значит, что в около 60% пыли в атмосфере города имеет трансграничное происхождение.
Значение лидарных исследований
Основной результат выполненной работы — создание лидарной сети на пространстве СНГ. Уровень развития ее инфраструктуры, включающей техническое оснащение станций, методические разработки, программное и информационное обеспечение, качество и комплексность измерений, обусловливает эффективную работу по контролю атмосферных компонентов на Евразийском континенте в сотрудничестве с другими региональными лидарными сетями.
Наряду с большим научным значением данных о динамике атмосферных компонентов, собираемых, анализируемых и предоставляемых ученым в рамках деятельности CIS-LiNet, формирование наблюдательной сети на пространстве СНГ создало новый механизм для решения региональных и национальных экологических задач. В нашей стране результаты, полученные с помощью лидарной станции в Минске и других станций CIS-LiNet и EARLINET, стали информационной основой для контроля процессов трансграничного переноса загрязнений. Контроль осуществляется в рамках Национальной системы мониторинга окружающей среды в Республике Беларусь. Разработанный комплекс аппаратуры и методик позволил выявить и оценить ряд отмечавшихся аномальных загрязнений атмосферы, предложить способы оценки зон влияния и источников загрязнения на различные регионы страны, выявить территориальное аэрозольное и газовое загрязнение столицы.
Работа белорусских ученых в рамках CIS-LiNet обеспечила привлечение научного потенциала международного сообщества в вопросах национальной природоохраны. Однако возможности сетей дистанционных систем мониторинга атмосферы еще только начинают использоваться при решении фундаментальных научных и прикладных задач. Очевидно, что главным направлением их развития в ближайшем будущем будет расширение комплексности измерений и создание интегрированной системы мониторинга атмосферы на основе координированных спутниковых и наземных дистанционных и локальных сетевых измерений.
Аркадий Иванов,главный научный сотрудник лаборатории оптики рассеивающих сред Института физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси, член-корреспондент

Комментарии

Пирометр

Прибор для определения темпиратуры - Пирометр