Работы ИХКиГ СО РАН

в области геоинформационных технологий

К.П.Куценогий

Название проектов:

1. Изучение характеристик и создание базы данных по атмосферным аэрозолям Сибири.

В рамках инициативного проекта «Аэрозоли Сибири», начиная с 1991 года, при широкой кооперации многих институтов СО РАН на территории Сибири начались исследования различных характеристик атмосферных аэрозолей и их пространственно-временной изменчивости.

Одна из задач этих исследований - выяснение источников и стоков атмосферных аэрозолей (АА) в Сибирском регионе и оценка влияния АА на уровни загрязнения биосферы, качество окружающей среды, воздействие на растительный и животный мир, здоровье человека и климат на локальном, региональном и глобальном масштабе. Подробно цели, задачи и программы этих исследований изложены в [1].

Для реализации сформулированной цели на базе сети научных станций и стационаров Сибирского отделения РАН был организован мониторинг АА, охватывающий значительную часть Сибири [2].

С момента начала проекта и до настоящего времени ведутся систематические измерения основных характеристик аэрозолей: дисперсного и химического состава аэрозольных частиц и их пространственно-временной эволюции. Материалы этих исследований постоянно публикуются в периодической печати и специальных выпусках журнала «Оптика атмосферы и океана» [3-9].

На рис.1 представлена карта, на которой показаны пункты в Сибири, в которых были отобраны образцы АА, полученные как в результате многолетних отборов на стационарах, так и в период специальных маршрутных обследований, включая речные суда и самолет. Из рисунка видно, что сеть мониторинга АА в Сибири охватывает значительную часть Сибирского региона и позволяет вести комплексные биогеохимические исследования не только локального и регионального масштабов, но и глобального характера. Проиллюстрируем это утверждение некоторыми примерами.

Рис. 1

На рисунке 2 представлены результаты определения ионного состава АА (совместно с ИНХ и ЛИ СО РАН) на территории, указанной на предыдущем рисунке. В кружках на этом рисунке показаны отношения мольной концентрации катионов NH₄⁺ и Na⁺ (верхняя и нижняя цифры, соответственно) к основному аниону SO₄^2-. Первый катион отражает процессы формирования ионного состава АА в результате гетерогенных процессов с газообразными предшественниками и обычно классифицируется как признак континентального происхождения. Второй катион, как правило, используется для идентификации АА морского типа, связанных с ветровой эрозией водной поверхности морей и океанов.

Из рисунка 2 видно, что, как и следовало ожидать, по всей границе, охваченной сетью наземного мониторинга, преобладающим компонентом катионной составляющей является аммоний. Однако в Новосибирской области в зимний период обнаруживается значительное содержание натрия. В зимний сезон трудно объяснить появление данного катиона дальним транспортом с акваторий Северного ледовитого океана, т.к. в этот период он скован льдом. Поэтому мы считаем, что появление данного иона связано с почвенно-эрозионным выносом сульфата натрия с территории либо Кулундинских степей, либо с района Аральского моря. Подтверждением этому, в частности, может служить среднеклиматическое направление ветра, которое показано на рисунке стрелкой.

Рис. 2

Пример выяснения типа источника и его пространственно-временного масштаба приведен на рисунках 3 и 4. Разработанный совместно с ИЯФ СО РАН метод определения многоэлементного состава с использованием синхротронного излучения [10] позволяет определять в аэрозольных частицах одновременно более 30 элементов. На рисунке 3 (сверху) показано, как изменяется среднесуточная концентрация железа в аэрозольных частицах в двух пунктах наблюдения на юге Западной Сибири, расстояние между которыми равно 450 км. Видно, что за период наблюдений содержание железа в частицах может меняться почти в сто раз. В нижней части рисунка 3 показано изменение относительной концентрации некоторых из элементов (Ca, Mn, Ti) в грубодисперсной части АА (d>1 мкм) в тех же точках. Из данных по коэффициенту обогащения (отношение относительного содержания элемента в аэрозольных частицах к кларковому содержанию в земной коре) указанных выше элементов они должны образовываться в результате почвенно-ветровой эрозии. Из приведенных на рисунке 3 данных видно, что действительно относительная концентрация Ca, Mn, Ti практически не меняется в течение всего периода наблюдений и не зависит от места, где проводятся измерения. Это указывает на то, что почвенно-эрозионный источник образования АА на юге Западной Сибири в летний период имеет по крайней мере региональный масштаб.

Рис. 3

Рис. 4

На рисунке 4 представлены результаты исследований относительного многоэлементного состава АА на территории Западной Сибири в зимний и летний период. Из сравнения графиков в верхней и средней части этого рисунка видно, что среднемесячные значения многоэлементного состава отчетливо изменяются от летнего к зимнему сезону. В теплый период значительная часть АА Западной Сибири вызвана почвенно-эрозионными процессами. В зимний период большая часть элементов расположена выше сплошной кривой, которая характеризует относительное содержание элементов в земной коре (кларковое содержание). Это указывает на их антропогенное происхождение. Нижний график иллюстрирует относительное содержание различных элементов в зимний период в двух точках наблюдений на севере Западной Сибири, которые удалены на 200 км друг от друга. Мы видим, что и на севере Западной Сибири АА носят региональный характер. Из сравнения графиков, представленных в средней и нижней части рисунка 4, можно сделать вывод о том, что АА Сибири носят не только региональный, но и глобальный характер.

Анализ многоэлементного состава атмосферных аэрозолей в Новосибирской области методом EPXMA

В таблице приведен пример использования методики определения многоэлементного состава индивидуальных аэрозольных частиц для идентификации типов источников в Сибири. Эти исследования ведутся совместно с учеными из Бельгии и Германии в рамках проекта INTAS «Атмосферные аэрозоли на азиатской территории бывшего СССР» [15,16]. Из приведенных в таблице результатов видно, что многоэлементный состав индивидуальных частиц позволяет идентифицировать до 8 различных типов источников в Сибирском регионе при одновременном определении в частице набора из 11 элементов.

Накопленные к настоящему времени экспериментальные данные позволили начать формирование базы данных по АА Сибири и разработке региональных математических моделей для описания закономерностей их распространения и оценке зон влияния источников АА, а также оптимизации системы мониторинга [11-14]. Эти исследования ведутся совместно с ИВТ и ИМиГМ СО РАН.

2. Мониторинг и исследование физико-химических превращений пестицидных аэрозолей при локальном и региональном транспорте загрязнений в атмосфере

Данные исследования связаны с важной экологической проблемой применения пестицидов в защите растений. В многолетних исследованиях, ведущихся в ИХКиГ СО РАН показано, что современные технологии применения пестицидов не являются оптимальными не только с технико-экономической точки зрения, но и с экологических позиций [17].

Наряду с развитием теоретических основ и широкой экспериментальной проверкой оптимальной аэрозольной технологии в защите растений [18,19,22] в последние годы ведутся и фундаментальные исследования по изучению закономерностей миграции пестицидов в окружающей среде, а также по выяснению физико-химических превращений пестицидных аэрозолей [20-24,28].

В ходе многолетних исследований разработана методика изучения распространения аэрозолей в природных условиях и их взаимодействие с элементами растительности и подстилающей поверхности, а также математические модели для описания динамики рассеяния аэрозольного облака и описания поля осадка на растительности [20,25,26].

Полевые эксперименты по использованию генератора регулируемой дисперсности и разработке математических моделей распространения аэрозолей в приземном и пограничном слое атмосферы с учетом взаимодействия с растительностью и подстилающей поверхностью ведутся с ИМиГМ СО РАН [20,22]. На рисунке 5 приведены фотографии генератора аэрозолей регулируемой дисперсности (ГРД). Верхняя фотография показывает режим работы ГРД, когда создается облако субмикронных частиц. На нижней фотографии показано аэрозольное облако, создаваемое ГРД, когда средний размер частиц около20 мкм. Использование такой методики позволяет проводить натурные эксперименты в широком диапазоне ландшафтно-климатических условий для исследования распространения аэрозолей на расстояние до нескольких километров от источника. Развитие и совершенствование методики определения специфических трассеров позволит использовать данную технологию и для изучения процессов регионального масштаба.

В частности, совместно с НИОХ СО РАН разрабатывается хромато-масспектрометрическая методика для определения концентрации пестицидов в АА на региональном и глобальном уровне [29].

Литература

1. Куценогий К.П. Проект «Аэрозоли Сибири». Первые результаты. Оптика атмосферы и океана. 1994, т.7.№8, с.1015-1021.
2. Куценогий К.П. Мониторинг атмосферных аэрозолей Сибири. Оптика атмосферы и океана. 1996, т.9. №6, с.704-711.
3. Куценогий П.К., Малдерен Х.Ван, Хоорнаерт С., Грикен Р.Ван и др. Сибирская дымка. Комплексные исследования аэрозолей в Сибири. Оптика атмосферы и океана. 1996, №6, с.712-719.
4. Koutsenogii P. Aerosol measurements in Siberia. Atmospheric Research, 1997, v.44, No.1-2, p.167-173.
5. Куценогий К.П., Куценогий П.К. Мониторинг химического и дисперсного состава атмосферных аэрозолей в Сибири. Химия в интересах устойчивого развития. 1997, т.10, №5.
6. Смоляков Б.С., Павлюк Л.А., Куценогий К.П., Куценогий П.К., Макаров В.И., Конченко И.Ю. Особенности формирования ионного состава атмосферных аэрозолей и осадков на юге Западной Сибири. Химия в интересах устойчивого развития. 1997, т.10, с.193-199.
7. Аэрозоли Сибири. Тематический выпуск. Оптика атмосферы и океана. 1994, т.7, №8.
8. Аэрозоли Сибири. Тематический выпуск. Оптика атмосферы и океана. 1996, т.9, №6.
9. Аэрозоли Сибири. Тематический выпуск. Оптика атмосферы и океана. 1997, т.10, №6.
10. Куценогий К.П., Ковальская Г.А., Смирнова А.И., Буфетов Н.С., Барышев В.Б. Рентгенофлуоресцентный метод с использованием синхротронного излучения для многоэлементного состава аэрозолей. Оптика атмосферы и океана. 1997, т.10, №7, с.820-827.
11. Ривин Г.С. Численное моделирование фоновых атмосферных процессов и проблема переноса аэрозолей в Сибирском регионе. Оптика атмосферы и океана. 1996, т.9, №6, с.780-785.
12. Ривин Г.С., Куценогий К.П., Климова Е.Г., Воронина П.В., Смирнова А.И. Модели для описания метеополей и полей концентраций газообразных и аэрозольных примесей в Сибирском регионе. Оптика атмосферы и океана. 1997, т.10, №6, с.610-615.
13. Куценогий К.П., Рапута В.Ф., Крылова А.И. Планирование и анализ наблюдений в задачах оценивания зон влияния и параметров источников загрязнения атмосферы. Оптика атмосферы и океана. 1996, т.9, №6, с.786-791.
14. Рапута В.Ф., Крылова А.И. Задача оценивания суммарной мощности источников загрязнения атмосферы. Оптика атмосферы и океана. 1996, т.9, №6, с.792-799.
15. Atmospheric aerosol in the Asian part of the former Soviet Union. Final report to INTAS. Project 93-0182. 1.4.1995-31.3.1996. University of Antwerp, Belgium, 1996, 74 p.
16. Atmospheric aerosol in the Asian part of the former Soviet Union. Periodic report to INTAS. Project 93-0182-ext. 1.6.1996-31.5.1997. University of Antwerp, Belgium, 1997, 47 p.
17. Куценогий К.П., Киров Е.И., Кнор И.Б. и др. Пестициды в экосистемах: проблемы и перспективы . СО РАН. ГПНТБ, ИХКиГ, ИСЭЖ, ВЦ. Новосибирск, 1994, 142 с. Сер.»Экология», вып.33.
18. Куценогий К.П. Экспериментальные и теоретические исследования распространения и осаждения аэрозолей в турбулентном потоке. Докторская диссертация, Новосибирск, 1983, 480 с.
19. Сб.: Оптимальная аэрозольная технология применения пестицидов. ИХКиГ СО РАН, Новосибирск, 1989, 116 с.
20. Куценогий К.П. Экспериментальные и теоретические исследования распространения и осаждения аэрозолей на растительность и почву. В кн.: Поведение пестицидов и химикатов в окружающей среде. 1991, ГИМИЗ, Л., с.53-71.
21. Samsonov Y.N., Makarov V.I., Koutzenogii K.P. Evaporation kinetics of pesticide constituents from the mixture of polydisperse multicomponent aerosols. J.Aeros. Sci., 1995, v.26, Suppl.1, p.523-524.
22. Самсонов Ю.Н., Макаров В.И., Куценогий К.Р., Рапута В.Ф., Винкенштерн О.Ф. Математическое моделирование и полевые экспериментальные измерения первичных и вторичных воздушных сносов при различных методах их применения. Химия в интересах устойчивого развития, 1996, т.4, №2, с.139-148.
23. Samsonov Y.N., Makarov V.I. Kinetics and Photophysical Mechanism of Sunlight Photolysis of Unstable Resmetrin and Phenothrin in Aerosils and Thin Films. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 1996, v.56, N.6, p.903-910.
24. Makarov V.I., Samsonov Y.N., Korolev V.V., Koutsenogii K.P. Measurements of the contents of organic and inorganic carbons, 3,4-benzo(a)pyrene, and dibutil phtalate in atmospheric aerosols in West Siberia. In: Nucleation and Atmospheric Aerosols. 1996, eds. By M.Kulmala and P.E.Wagner, Pergamon, 1996, p.714-717.
25. Макаров В.И., Самсонов Ю.Н., Королев В.В., Рапута В.Ф. Измерение 3,4-бенз(а)пирена в аэрозолях атмосферы и в ветровом створе от дымовых труб тепловой станции и использование метода математического моделирования для прогноза локального и регионального переноса примеси. Оптика атмосферы и океана, 1996, т.9, №6, с.837-842.
26. Makarov V.I., Ankilov A.N., Koutzenogii K.P., Borodulin A.I., Samsonov Y.N. Effeciency of the inertial wind capture of pesticide aerosols by vegetation species. J.Aeros.Sci., 1996, v.27, Suppl.1.
27. Киров Е.И., Самсонов Ю.Н., Макаров В.И., Малков В.И., Чернобай Т.Н. Применение регуляторов роста растений и микроэлементов в оптимальной аэрозольной технологии. Агрохимия, 1996, №10, с.84-94.
28. Samsonov Y.N., Makarov V.I. Photodecomposition of pesticide constituents in aerosols and thin films. J.Aeros.Sci., 1997, v.28, Suppl.1, p.619-620.
29. Куценогий К.П., Ковальская Г.А., Смирнова А.И., Макаров В.И., Осипова Л.П., Посух О.Л., Морозов С.В., Вялков А.И. Химический состав атмосферных аэрозолей на севере Западной Сибири. Оптика атмосферы и океана, 1998, т.11, №6.