Исследование пространственно–временной динамики атмосферных аэрозолей в Якутии по многолетним спутниковым данным

Study of the spatio-temporal dynamics of atmospheric aerosols in Yakutia based on long-term satellite data

Введение

Аэрозолем называется дисперсная система, состоящая из газообразной дисперсионной среды и твердой или жидкой дисперсной фазы, иначе говоря, это взвесь твердых или жидких частиц в газе. Примеров как естественных, так и антропогенных аэрозолей много, это облачные системы в атмосфере, как туманы, пыли и дымы различной природы, облака вулканических извержений, смог над городами и дымы пожаров.

Аэрозоли в общем случае динамически неустойчивая, нестабильная дисперсная система, обладающая ярко выраженной пространственно–временной изменчивостью. Анализ процессов эволюции аэродисперсных систем позволяет выделить основные этапы ее существования (рис. 1):

 

Рис. 1 – Этапы и процессы эволюции аэродисперсных систем («жизненный цикл» аэрозолей)

 

Для атмосферного аэрозоля существуют ситуации, когда устойчивое состояние системы существует достаточно протяженное время (месяцы и даже годы), большая часть атмосферного аэрозоля (порядка 90,0% по массе) сосредоточена в тропосфере (первом атмосферном слое, простирающимся до высот примерно в 12 км) [1].

Аэрозольные частицы в атмосфере имеют широкий диапазон размеров – от кластеров порядка 1 нм до крупных частиц в несколько десятков микронов, витающих в воздухе.

Атмосферные аэрозоли, в отличие от газовых компонентов, обладают очень высокой пространственно–временной изменчивостью. Для характеристик пространственной изменчивости атмосферного аэрозоля принято выделять его вертикальную структуру и широтный ход. На фоне огромного разнообразия вертикальных профилей концентрации и распределений частиц по размерам наблюдаются достаточно устойчивые тенденции, которые позволяют рассматривать отдельно тропосферный аэрозоль, стратосферный аэрозоль и аэрозоль верхней атмосферы.

Содержание аэрозоля в тропосфере в среднем убывает с высотой, с максимумом преимущественно в нижнем 2–3 км слое. Именно в этом слое атмосферы сосредоточена основная часть грубодисперсного аэрозоля и субмикронная фракция. Далее выделяется повышенной концентрацией частиц стратосферный аэрозольный слой, называемый также слоем Юнге. Содержание аэрозоля в верхней атмосфере связано с захватом земной атмосферой космических частиц различного размера и изучено слабо. Таким образом, исследования показывают, что в общем случае атмосферный аэрозоль стратифицирован по высоте достаточно сложным образом (рис. 2) [1]:

 

Рис. 2 – Вертикальные профили концентрации частиц тропосферного и стратосферного аэрозоля с Rp≥0,2 мкм (частицы Ми) по данным различных исследований

 

Действительно, атмосферный аэрозоль активно участвует в перераспределении потоков излучения, формирующих радиационный баланс как атмосферы, так и планеты в целом.

Итак, в данной статье приводятся предварительные результаты исследования данных изменений пространственно–временной динамики атмосферных аэрозолей и воздействия лесных пожаров в центральной Якутии на аэрозольную компоненту нижней атмосферы по спутниковым данным за 2016–2018 годы.

Актуальность темы исследования обусловлена тем, что присутствие аэрозольных частиц определяет многие свойства газовых сред, в том числе важнейшие для существования человека свойства атмосферного воздуха как среды обитания. Даже ничтожное количество токсичных веществ в виде аэрозолей резко снижает его пригодность для дыхания. Поэтому так важно изучение негативных свойств атмосферных аэрозолей для окружающей среды.

Разнообразие видов частиц, присутствующих в земной атмосфере, их ярко выраженная пространственно–временная изменчивость, обусловленная сложным комплексом метеорологических и географических факторов, большое число физико–химических процессов образования частиц и их трансформации определяют необходимость исследования данной темы.

Исходя из вышеизложенного, целью исследования данной работы является изучение особенностей пространственно–временной динамики атмосферных аэрозолей и воздействия лесных пожаров на аэрозольную компоненту нижней атмосферы по спутниковым данным на территории Республики Саха (Якутия) по данным за 2016–2018 годы.

Исследуемый регион

Территория Якутии находится в зоне вечной мерзлоты, расположена в неблагоприятной климатической зоне, для которой характерна низкая рассеивающая способность атмосферы, определяющая очень высокий потенциал загрязнения. В условиях частой повторяемости приземных и приподнятых инверсий, застойных явлений и туманов, высокий уровень загрязнения атмосферы формируется даже при относительно небольших выбросах загрязняющих веществ. Бореальные леса занимают около 47,0% её площади и почти на 90,0% состоят из лиственницы даурской. На севере преобладает арктическая и субарктическая тундра, представленная лишайниками и мхом. В южной части тундры встречаются карликовые сибирские сосны и лиственницы. Низовые пожары на территории Якутии являются наиболее распространёнными, низкий уровень осадков и высокие летние температуры воздуха, обусловленные резко–континентальным климатом, способствуют высокому риску возникновения крупномасштабных лесных пожаров.

Исходные данные

Информация получена по данным MODIS/Terra (продукт MOD08_D3 v6.1, MOD08_M3 v6.1) и Aeronet (AOD (AOD_500)) в период за 2016–2018 годы.

Среднемесячные значения АОТ атмосферы на длине волны 550 нм получены по данным радиометра MODIS/Terra.

Полная оптическая толщина аэрозоля доступна через Giovanni на длине волны 550 нм от спектрорадиометра изображения среднего разрешения (MODIS) от датчика обзора с широким полем, от много углового спектрорадиометра формирования изображений (MISR до 500 нм от прибора для измерения озона Aura (OMI)). OMI также обеспечивает оптическую глубину поглощения аэрозоля для близких Длины волн УФ–излучения. MISR AOD описан в MISR: Level 2 Aerosol Retrieval ATBD [5].

Анализ результатов

Многолетние наблюдения показывают, что лесные пожары на территории Якутии наблюдаются с мая по сентябрь, в основном, в течение трех летних месяцев с максимумом во второй половине лета. Атмосферные осадки обусловлены преимущественно, переносом влаги с западного и северо–западного направлений. Влагосодержание проникающих в бассейн реки Лены циклонов значительно понижается при прохождении Среднесибирского плато, поэтому годовая сумма осадков мала и составляет 250–300 мм. Наибольшее количество осадков наблюдается в периоды межсезонья зима–весна, лето–осень. Количество облачности с апреля по июль падает, а с августа по сентябрь возрастает. Такое сезонное поведение облачности, осадков и температурного режима объясняют наблюдаемый сезонный ход пожаров.

Лето 2018 года в Якутии выдалось крайне пожароопасным, был зарегистрирован максимум активности (~ 50,0% от площади Якутии) пожарами была пройдена площадь около 407,0 тыс.га, и с учетом пожаров на неохраняемой территории, обнаруженных по данным спутникового мониторинга, общая площадь лесных пожаров составила более 500,0 тыс.га.

Данные регулярных наблюдений за данной обстановкой на территории Республики Саха (Якутия) по данным спутников показывают, что в течение анализируемого периода наблюдался чрезвычайно высокий уровень пирогенной активности:

 

Рис. 3 – Данные AOD Level 2.0 за 2016 год

 

Рис. 4 – Данные AOD Level 2.0 за 2017 год

 

Рис. 5 – Данные AOD Level 2.0 за 2018 год

 

По данным анализируемых периодов, пожароопасных сезонов с высоким показателем пирогенной активности и низким были построены соответствующие графики среднемесячных вариаций NHOT и АОТ.

Сезонный ход АОТ в годы с низким уровнем пирогенной активности сильно отличается от вариаций АОТ в пожароопасные годы. Значения АОТ с мая по сентябрь плавно снижаются в 2 раза, за исключением небольшого локального максимума в июле.

В период активизации лесных пожаров (июль–август) наблюдается значительный рост АОТ, обстоятельство указывает на сильное возмущающее воздействие пирогенных событий на сезонный ход АОТ нижней атмосферы.

Заключение

Предварительный анализ данных за анализируемый период показывает, что среднее летнее (июнь–август) значение АОТ в пожароопасные годы на ~ 125,0% выше, чем в годы с низкой пирогенной активностью. В отдельные дни с наиболее высоким уровнем пирогенной активности среднесуточная АОТ по исследуемому участку значительно превышала фоновые (невозмущенные) значения, достигая значений 1,5–1,6, и при этом значения АОТ в отдельных элементах среднесуточной карты распределения достигали 4,9.

Список литературы

  1. Зуев В.Е., Креков Г.М. Оптические модели атмосферы: монография / В.Е. Зуев, Г.М. Креков. – М.: 2012. – 127 с.
  2. Соловьев В.С., Будищев А.А. Возмущения аэрозольной оптической толщины атмосферы // Оптика атмосферы и океана, 2010 – Т23 – №7. – С. 627–629.
  3. Томшин О.А., Протопопов А.В., Соловьев В.С. Исследование вариаций атмосферного аэрозоля и угарного газа в области лесных пожаров // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса, 2012. – Т9 – №1. – С. 145–150.
  4. Adrian Room.Placenames of the World: Origins and Meanings of the Names for 6600 Countries, Cities, Territories, Natural Features, and Historic Sites. – McFarland, 2006. 
  5. Электронный ресурс (https://aeronet.gsfc.nasa.gov/cgi–bin/data_display_aod).
  6. Электронный ресурс (https://giovanni.gsfc.nasa.gov/giovanni).

 

  1. Zuev V.E., Krekov G.M. Opticheskie modeli atmosfery: monografija / V.E. Zuev, G.M. Krekov. – M.: 2012. – 127 s.
  2. Solov'ev V.S., Budishhev A.A. Vozmushhenija ajerozol'noj opticheskoj tolshhiny atmosfery // Optika atmosfery i okeana, 2010 – T23 – №7. – S. 627–629.
  3. Tomshin O.A., Protopopov A.V., Solov'ev V.S. Issledovanie variacij atmosfernogo ajerozolja i ugarnogo gaza v oblasti lesnyh pozharov // Sovremennye problemy distancionnogo zondirovanija Zemli iz kosmosa, 2012. – T9 – №1. – S. 145–150.
  4. Adrian Room. Placenames of the World: Origins and Meanings of the Names for 6600 Countries, Cities, Territories, Natural Features, and Historic Sites. – McFarland, 2006.
  5. Jelektronnyj resurs (https://aeronet.gsfc.nasa.gov/cgi–bin/data_display_aod).
  6. Jelektronnyj resurs (https://giovanni.gsfc.nasa.gov/giovanni).