1. Мониторинг атмосферных аэрозолей в Сибири

Аналогичные исследования были проведены на севере Западной Сибири (Ямало-Ненецкий округ Тюменской области Пуровского района). В этой серии экспедиционных работ отобраны образцы аэрозольных проб в лесотундровой и тундровой зонах.

В осенний период были также отобраны образцы проб АА в Алтайском крае. В весенний период проведен отбор снежных проб на севере Западной Сибири для выяснения возможностей мониторинга техногенной нагрузки в зимний период.

Таким образом, впервые получены образцы АА для основных почвенно-климатических зон Западной Сибири, что позволяет оценить как изменения климата на особенности образования АА в различных ландшафтах Западной Сибири, так и возможное влияние АА на региональные особенности микроклимата, а также выяснить влияние АА Западно-Сибирского региона в глобальном масштабе.

В Восточной Сибири проводились полевые работы по оценке влияния крупного промышленного центра (г. Иркутска) на озеро Байкал. Здесь проведены синхронные отборы проб АА в осенний период в г. Иркутске и на фоновой территории в районе оз. Байкал (п. Листвянка).

2. Результаты анализа данных мониторинга

Совместно с ИЯФ СО РАН разработан рентгенофлуоресцентный метод определения многоэлементного состава атмосферных аэрозолей (АА) с использованием синхротронного излучения (РФА СИ). Измерение пространственно-временного изменения многоэлементного состава АА в Сибири методом РФА СИ позволяет идентифицировать источники атмосферных аэрозолей локального, регионального и глобального масштаба и оценить их вклад в уровень загрязнения окружающей среды.

На рис. 1 показаны среднемесячные относительные концентрации (X_Fe) многоэлементного состава АА на юге (а, б) и севере (в) Западной Сибири в зимний(а, в) и летний (б) период. В южном регионе (а, б) кружками нанесены значения проб, отобранные в пригородной зоне Новосибирска (п. Ключи), квадратиками - для проб, взятых на юге Новосибирской области (п. Карасук). Расстояние между этими пунктами 450 км. Пункты отбора проб на севере Западной Сибири (в) - п. Самбург (за Полярным кругом) и п. Тарко-Сале - удалены друг от друга на 250 км. Максимальное удаление пунктов наблюдений (п. Карасук и п. Самбург) более 1500 км. Сплошной кривой на всех графиках показано содержание различных элементов в земной коре.

Из рисунка следует два вывода:

•   средний состав АА в Западной Сибири постоянен по крайней мере на региональном уровне ( совпадают положения кружков и квадратов);

•   всю совокупность элементов можно разбить на два типа: естественный (почвенно-эрозионный) - те значения, которые попадают на сплошную кривую, и техногенный - точки, расположенные выше кривой.

Видно, что число элементов от техногенных источников в зимний период превышает число элементов естественного происхождения. Если сравнить абсолютные концентрации от этих двух типов источников в зимний период (см. табл. 1), то видно, что концентрация от почвенно-эрозионных источников на юге в несколько раз выше, чем на севере. Для элементов техногенного типа абсолютные концентрации примерно одинаковы для всего региона Западной Сибири. Это указывает на региональный характер почвенно-эрозионных частиц и глобальный масштаб загрязнения, связанный с техногенными выбросами. Высокие концентрации Br и Pb в Тарко-Сале связаны с местными выбросами автотранспорта.

3. Математическое моделирование

Дальнейшее развитие этих исследований связано с использованием метеоданных и результатами математического моделирования [22-29].

Важной задачей, возникающей при экспертной оценке состояния окружающей среды, является идентификации областей влияния на охраняемые районы. С этой целью в ИВТ СО РАН в 1998 г. была разработана методика построения обратных траекторий аэрозольных частиц на основе фактической климатической информации о полях ветра международного архива "Реанализ", подготовленного в Национальном центре прогноза окружающей среды США (NCEP) и Национальном центре атмосферных исследований США (NCAR).

Проведена оценка областей влияния на картину загрязнения в ряде Северных территорий и для Байкальского региона на основе построения обратных траекторий. По метеорологическим данным из архива "Реанализа" NCEP/NCAR построены траектории для каждого сезона областей воздействия на картину загрязнения в пунктах мониторинга сибирского атмосферного аэрозоля. Описание метода нахождения обратных траекторий и используемых метеорологических данных приведено в [22–26].

На рис.7-12 приведены результаты вычислительных экспериментов по оценке сезонных траекторий для пунктов мониторинга, производимого в рамках проекта "Аэрозоли Сибири": городов Иркутск, Тикси, Самбург и наблюдательной станции Монды (район озера Байкал). На этих рисунках цифрами обозначены номера месяцев.

Как видно из рисунков, построенные обратные траектории позволяют оценить характерные для каждого сезона области воздействия на картину загрязнения в пунктах мониторинга.

Рис.7. Обратные траектории, построенные
по климатическим данным о ветре для г. Иркутска.

Рис.8. Обратные траектории, построенные по климатическим данным
о ветре для наблюдательной станции Монды.

Рис.9. Обратные траектории, построенные по климатическим данным
о ветре для г. Тикси.

Рис.10. Обратные траектории, построенные по климатическим данным
о ветре для г. Самбург (для периода "январь-апрель").

Рис.11. Обратные траектории, построенные по климатическим данным
о ветре для г. Самбург (для периода "май-август").

Рис.12. Обратные траектории, построенные по климатическим данным
о ветре для г. Самбург (для периода "сентябрь-декабрь").

Проведены имитационные расчеты построения областей влияния для различных регионов Сибири на основе решения сопряженного уравнения переноса атмосферного аэрозоля. Сопряженное уравнение решается с использованием однопараметрической модели пограничного слоя атмосферы и монотонной конечно-разностной схемы Ботта. На рис. 14 приведены результаты имитационного моделирования для нахождения области влияния для территории Пуровского района.

В модели переноса использована сетка с шагом 30 км по горизонтальным переменным (251 x 211 узлов сетки) и 19 уровней по вертикали (15 стандартных уровней - 10, 20, 30, 50, 70, 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 700, 850, 1000 гПа и 4 дополнительных уровня для описания пограничного слоя атмосферы - 880, 910, 940, 970 гПа).

В расчетах по фактическим данным о составляющих ветра u,v, заданным с двенадцатичасовым интервалом и шагом сетки 300 км, находились промежуточные значения с 30-минутным интервалом на стандартных уровнях. Затем проводится восстановление этих полей в пограничном слое на четырех дополнительных уровнях. После этого компоненты скорости ветра интерполировались в узлы регулярной сетки с шагом 30 км с помощью билинейной интерполяции. Наконец, вертикальный компонент скорости ветра находился по найденным значениям u,v из уравнения неразрывности.

Для иллюстрации приведем результаты численного эксперимента, проведенного для оценки влияния загрязнения в области, приближенно соответствующей Пуровскому району Ненецкого национального округа. Расчеты проводились при входных параметрах, аналогичных входным параметрам прямой задачи.

На рис. 13 приведена "охраняемая" зона - Пуровский район, а на рис. 14 приведены изолинии функции чувствительности для данного региона для 4 суток. Внешняя изолиния (точки, в которых значение концентрации равно 0,0001% от значения начального выброса) представляет границу области распространения. На рисунках она отмечена цифрой 1.

Отметим, что решение прямой задачи моделирования дает полную информацию о распространении в пространстве и времени загрязняющей примеси для фиксированных места и времени разового выброса аэрозоля. Решение же сопряженной задачи содержит информацию о том, какое количество примеси выпадает в фиксированной точке пространства и времени при произвольном месте и времени выброса.

Разработана система визуализации геофизической информации, работающая в рамках операционной системы Windows 95 и состоящая из графического процессора (пакета программ машинной графики) и диалоговой интерфейсной системы, выполняющей функции менеджера задач и графического редактора. На рис. 15 приведен вид системы визуализации в момент загрузки.

Рис. 13. "Охраняемая зона" для нахождения
области влияния для территории Пуровского района

Рис. 14. Результат имитационного моделирования
для нахождения области влияния для территории Пуровского района

Рис. 15. Вид системы визуализации в момент загрузки.

1. Л.П.Осипова, О.Л.Посух, В.Г.Матвеева, А.В.Пономарева, Ф.В.Сухоруков, Б.Л.Щербов, В.Д.Страховенко, К.П.Куценогий, В.Ф.Рапута, Б.С.Смоляков, Г.С.Ривин, Е.Г.Климова. Комплексная оценка техногенных воздействий на генофонд и биологическое здоровье человека (на примере тундровых ненцев). В сб.: Интеграционные программы фундаментальных исследований. Новосибирск, СО РАН, 1998, с.327-342.
2. Заключительный отчет по теме "Комплексная оценка техногенных воздействий на генофонд и биологическое здоровье коренного и пришлого населения Пуровского района Тюменской области". Новосибирск, 1998, 183 с.
3. Рапута В.Ф., Ходжер Т.В., Горшков А.Г., Куценогий К.П. Некоторые закономерности загрязнения окрестностей Иркутска полиароматическими углеводородами. Оптика атмосферы и океана, 1998, т.11, N6, с.650-658.
4. V.F. Raputa, T.V.Khodzher, A.G.Gorshkov, K.P.Koutzenogii. Aerosol falls on snow cover on the outskirts of Siberian towns. J. Aerosol Sci., 1998, v.29, Suppl.1, p.807-808.
5. K.P.Koutzenogii. SRXRF in ecology. (В печати).
6. K.P. Koutsenogii, P.K. Koutsenogii. Project "Siberian Aerosols". Proceedings of the 1998 International Aerosol Conference J. Aeros. Sci., 1998, v.29, Supp. 1, p. 97-98.
7. R. Van Grieken, R. Jaenicke, K.P. Koutsenogii, T.V. Khodzer, G.N. Kulipanov. INTAS project 93-0182 "Atmospheric aerosols in the Asian part of the former Soviet Union". International Conference "Baikal as a World Natural Heritage Site: Results and Prospects of International Cooperation". Abstracts. Ulan-Ude, Russian Federations, September 9-12, 1998, p.44-45.
8. R. Van Grieken, R. Jaenicke, K.P. Koutsenogii, T.V. Khodzer, G.N. Kulipanov. INTAS project 93-0182 "Atmospheric aerosols in the Asian part of the former Soviet Union". In press.
9. Куценогий П.К., Левыкин А.И., Сабельфельд К.К. Численное моделирование суточного хода спектра размеров атмосферного аэрозоля. Оптика атмосферы и океана, 1998, т.11, N 5, с.540-542.
10. Головко В.В., Куценогий П.К., Киров Е.И., Куценогий К.П., Истомин В.Л., Рыжаков В.А. Пыльцевая компонента атмосферного аэрозоля в окрестностях Новосибирска. . Оптика атмосферы и океана, 1998, т. 11, N 6, с. 645-649.
11. Головко В.В., Киров Е.И., Куценогий К.П. Сезонные и суточные циклы пыльцевого облака юга Западной Сибири. Тезисы докладов совещания V Рабочей группы "Аэрозоли Сибири", Томск, 1998, с. 55-56.
12. Куценогий К.П., Макаров В.И., Самсонов Ю.Н. Возможности аэрозольного генератора регулируемой дисперсности для изучения закономерностей рассеяния примеси в пограничном слое атмосферы. Тезисы докладов совещания V Рабочей группы "Аэрозоли Сибири", Томск, 1998, с. 36-37.
13. Куценогий К.П, Ходжер Т.В., Переседов В.Ф.,. Ковальская Г.А, Смирнова А.И., Золотарев В.К., Оболкин В.А., Потемкин В.Л. Многоэлементный состав атмосферных аэрозолей в районе оз. Байкал. Тезисы докладов. V Рабочая группа "Аэрозоли Сибири", Томск, 1998, с.31-32.
14. Рапута В.Ф., Ходжер Т.В., Горшков А.Г., Куценогий К.П. Некоторые закономерности загрязнения окрестностей Иркутска полиароматическими углеводородами. . Оптика атмосферы и океана, 1998, т.11, N 6, с.650-653.
15. Королева Г.П., Горшков А.Г., Виноградова Т.П., Бутаков Е.В., Маринайте И.И., Ходжер Т.В. Исследования загрязнения снегового покрова как депонирующей среды (Южное Прибайкалье). Химия в интересах устойчивого развития, 1998, т.6, N 4, с.327-338.
16. Горшков А.Г., Маринайте И.И., Оболкин В.А., Барам Г.И., Ходжер Т.В. Полициклические ароматические углеводороды в снежном покрове Южного побережья оз. Байкал. . Оптика атмосферы и океана, 1998, т.11, N 8, с. 913-918.
17. Ковальская Г.А., Куценогий К.П., Золотарев К.В. Особенности методики многоэлементного анализа атмосферных аэрозолей методом РФА СИ. Доклад на XII Национальной конференции по использованию синхротронного излучения СИ - 98. 13 - 18 июля 1998, г. Новосибирск.
18. Ковальская Г.А. Количественная интерпретация результатов измерения интенсивности линий характеристического спектра биологических образцов. Там же.
19. Ефремов С.П., Ефремова Т.Т., Куценогий К.П., Ковальская Г.А., Чанкина О.В. Возможности РФА СИ для изучения миграции элементов в болотах Западной Сибири. Там же.
20. Пшеницына Л.Б., Стебаев И.В., Ковальская Г.А., Куценогий К.П., Колпаков В.Э., Молодцов В.В., Смирнова А.И., Золотарев К.В. Возможности метода РФА СИ для изучения миграции элементов по биогеоценозам. Там же.
21. Stebaev I.V., Pshenitzina L.B., Koutsenogii K.P., Zolotarev K.V., Kovalskaya G.A., Kolpakov V.E., Molodtzov V.V., Smirnova A.I. Multielement analysis of element migration in ecosystems by SRXFA. First Russian SETAC SYMposium on risk assessment for environmental contamination. Abstacts. 14 - 17 June 1998, St. Peterburg, Russia. P. 93.
22. Ривин Г.С., Климова Е.Г., Куликов А.И. Оценка влияния климатических метеоусловий на картину распространения аэрозолей в Сибирском регионе. Оптика атмосферы и океана, 1998, т.11, N 7, с.561-566.
23. Ривин Г.С., Воронина П.В. Перенос аэрозоля в атмосфере: имитационные эксперименты. Оптика атмосферы и океана, 1998, т.11, N 7, с. 744-747.
24. Куценогий К.П., Ривин Г.С. Мониторинг, база данных и математическое моделирование переноса аэрозолей в Сибири. Вычислительные технологии, 1998, т. 3, N 5, с. 51 - 62.
25. Ривин Г.С., Воронина П.В. Математическое моделирование для оценки областей воздействия мощных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Доклады Первой Международной конференция "Цифровая обработка информации и управление в чрезвычайных ситуациях" (22-25 сентября 1998 г., Минск), том 2, Минск, 1998, с. 215-220.
26. Klimova E.G., Rivin G.S. Inverce traces for passive pollutants. Preprints of the 23rd NATO/CCMS International Technical Meeting on Air Pollution Modelling and its Application (Varna, Bulgaria, September 28 –0ctober 2, 1998), p. 163–167.
27. Rivin G.S., Klimova E.G. Assimilation system, atmospherical modelling and ecological problems for the Siberian region using NCEP reanalysis data. Proceeding of the First WCRP International Conference on Reanalysis (Silver Spring, Maryland, USA, 27 – 31 0ctober, 1997), WMO/TD-No 876, 1998, p. 398–401.
28. Rivin G.S., Voronina P.V. Transport of aerosols in Siberian region: imitative experiments. Research activities in atmospheric and oceanic modelling, 1998, WMO/TD-No. 865, p. 5.42-5.43.
29. Аргучинцев В.К., Макухин В.Л. Моделирование вертикального распределения концентраций соединений серы и азота в пограничном слое атмосферы Южного Прибайкалья. Оптика атмосферы и океана, 1998, т.11, N 6, с. 594-597