Мониторинг состояния атмосферы

Если учитывать  численность населения, проживающего в городах с высоким и очень  высоким загрязнением воздуха, то ситуация оказывается еще более неблагополучной. Из 200 городов с населением 65,4 млн. жителей, где проводятся наблюдения и имелась возможность оценить  уровень загрязнения атмосферы  по показателю ИЗА, 94% населения (61,5 млн) живет в условиях высокого и очень высокого загрязнения атмосферы.  
 
 

Численность населения (%) в городах, где ИЗА 14, 7-13, 5-6, 5 по данным 200 городов с общей численностью населения 65,4 млн. человек.  

В целом по России 37% городского населения проживает  на территориях, где не проводятся наблюдения за загрязнением атмосферы, а 60% - в городах  с высоким и очень высоким  уровнем загрязнения атмосферы.  
 
 

Численность населения (%) в городах, где ИЗА 14 (1), 7-13 (2), 5-6 (3), 5 (4) , численность населения РФ в городах, где уровень загрязнения не оценивался из-за отсутствия наблюдений или их недостаточного количества (5) 
 

Мониторинг состава  атмосферы 
 
 

Мониторинг состава  атмосферы и прогнозирование  его изменений являются одним  из важнейших условий устойчивого  развития страны. Мониторинг дает необходимую  информацию как для решения фундаментальных  научных проблем, связанных с  изучением и прогнозированием глобальных изменений среды обитания человека и климата Земли, так и для  выработки эффективной экологической  политики, в частности, в области  принятия и исполнения Международных  соглашений: Монреальского и Киотского протоколов, Конвенций о трансграничном переносе  загрязнений, об устойчивых органических загрязнениях и целом ряде других. Учитывая, что природно-экологические условия России, их разнообразие являются важнейшим ресурсом в сфере регулирования глобального баланса парниковых газов и многих загрязняющих примесей, такая информация может стать основанием для получения страной компенсации за ущерб, наносимый поступающими на ее территорию загрязнениями. 

         Основная цель создаваемой Российской системы мониторинга состава атмосферы (РСМСА) заключается в проведении комплексных наблюдений содержания в атмосферном воздухе газовых и аэрозольных примесей, радиационных и термодинамических параметров для обнаружения изменений состояния атмосферы и прогнозирования возможных последствий. 

РСМСА дополнит систему  глобального мониторинга состава  атмосферы (GAW), действующую под эгидой ВМО и испытывающую крайнюю необходимость  в создании сети станций на севере Евразии. Структура РСМСА повторяет  в основном структуру GAW. На территории России создаются две обсерватории (глобальные станции) – на Северном Кавказе и в центре Сибири, и  около десятка региональных станций. Особенностью РСМСА является включение  в эту систему Передвижной  железнодорожной обсерватории, способной  вести измерения всех ключевых примесей и параметров на большей части территории России и в соседних странах.          

В состав сети входят две стационарных обсерватории, глобальные станции, одна передвижная обсерватория, 10-11 региональных станций и корреспондентские  станции (рис.1). В число последних  включаются все наблюдательные станции  или наблюдательные пункты, которые  ведут измерения в рамках международных, национальных, областных и отраслевых экологических программ хотя бы одного необходимого для контроля состава  атмосферы параметра. 

Такое относительно небольшое количество станций при  оптимальном их размещении способно давать необходимую информацию о  составе атмосферы над всей территорией  страны, антропогенных и природных  эмиссиях ключевых примесей, процессах  регионального и дальнего переноса загрязняющих веществ, включая перенос  через российскую границу, а также  давать независимую оценку состояния  глобальной атмосферы. 

  

Согласно рекомендациям  ВМО и предложениям многочисленных экспертных групп, одна из обсерваторий должна располагаться в центре Сибири в зоне бореальных лесов на значительном удалении от промышленных объектов. При  наличии высотной мачты (250-300 м) такая  обсерватория способна давать информацию, репрезентативную для значительной части всего Сибирского региона. 

  

Вторая обсерватория должна располагаться в высокогорной незагрязненной местности. Таким местом может быть Северный Кавказ. Ее отличительная  особенность –  

способность контролировать состав свободной атмосферы, вынос  загрязнений вверх за пределы  загрязненного пограничного слоя и  давать оценку изменениям состава глобальной атмосферы под воздействием человеческой деятельности. 

  

Сеть региональных станций должна охватывать все эколого-климатические  области России. В пределах каждой из этих областей воздушную среду  можно, в первом приближении, рассматривать  как единую фотохимическую систему. Т.е. достаточно иметь одну станцию  высокого уровня, ведущую комплексные  измерения, и несколько наблюдательных пунктов, чтобы, используя современные  численные модели атмосферы, следить  за состоянием воздушной среды в  масштабе региона и прогнозировать ее изменения. 

  

Передвижная обсерватория на базе двух специализированных железнодорожных  вагонов объединяет все станции  в единую сеть и сводит отдельные  фрагменты химического состояния  атмосферы в единую картину. Также  она обеспечивает калибровку сетевых  приборов, валидацию спутниковых данных и выполняет многие другие функции, в том числе обычной стационарной станции или обсерватории. В дополнение к перечисленным выше задачам мониторинга она может выявлять природные и техногенные экстремальные ситуации и прослеживать их развитие. Передвижная обсерватория действует на сети железных дорог России и стран СНГ. Предполагается, что обсерватория будет направляться и в другие страны, с целью уточнения источников примесей, фотохимических и динамических процессов, действующих на континенте. 

  

Другой составной  частью Российской системы мониторинга  состава атмосферы являются космические  средства наблюдений. Поскольку наиболее приоритетным направлением атмосферного мониторинга является контроль ее химического состава и возможных его изменений над территорией России, а не в глобальном масштабе, то в ближайшие годы работа космической системы должна проходить в основном в рамках двустороннего и многостороннего Международного сотрудничества в области космических исследований с активным использованием зарубежных спутников и систем наблюдения состава атмосферы. Благодаря разработанным в России методам и алгоритмам дистанционного зондирования, наличию уникальных технических разработок участие российских специалистов в уже действующих и планируемых международных космических проектах может быть полноценным и эффективным. Это позволяет в ближайшие годы сосредоточить огромные средства на развертывании наземной сети станций. 

Передвижная обсерватория мониторинга природной среды 

  

В 2003 году по техническому заданию разработанному Институтом физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН и ВНИИ железнодорожного транспорта МПС на Торжокском вагоностроительном заводе изготовлена передвижная обсерватория для наблюдения состава атмосферы и загрязнения природной среды.  

  

Состав из 2-ух специализированных вагонов: 

1 - вагон-лаборатория  для наблюдений состава атмосферы  в непрерывном режиме; 

2 - химическая лаборатория. 

  

Основные задачи:  

Обсерватория решает широкий круг научных задач, связанных  с изучением атмосферы, состояния  экосистем и климата Земли, и  дает необходимую информацию для  прогнозирования их изменений под  воздействием человеческой деятельности.

В рамках Киотского  протокола, Монреальского протокола и других международных соглашений ведет контроль исполнения принятых решений по ограничению выбросов в атмосферу парниковых, озоноразрушающих, токсичных и других веществ.

Ведет калибровку национальных сетей и космических средств  наблюдений атмосферы, связывая их в  единую систему климатического мониторинга  в Евразии.

Проводит оценку региональных и местных загрязнений  атмосферного воздуха и природной  среды в интересах отдельных  регионов, отраслей народного хозяйства  и промышленных предприятий.

Выполняет роль арбитра в экологических спорах, в том числе, международных.

Контролирует возникновение  и развитие экстремальных ситуаций природного и техногенного происхождения.

Служит научно-производственной базой для обучения студентов  российских и зарубежных учебных  заведений в области наук о  Земле и экологии. 

Области применения:  

Контроль исполнения Международных экологических соглашений (Киотский и Монреальский протоколы, конвенции о трансграничном переносе загрязнении, ограничении производства устойчивых органических соединений и др.);

Калибровка наземных наблюдательных сетей, валидация данных космического мониторинга природной среды;

Выявление и прослеживание  экстремальных ситуации и техногенных воздействии на окружающую среду;

Решение фундаментальных  научных проблем, связанных с  глобальными изменениями природной  среды и климата Земли;

Контроль загрязнения  полосы отвода железнодорожного транспорта;

Оценка влияния  работы железнодорожного транспорта на экологическое состояние окружающей территории. 
 

Передвижная обсерватория ТРОИКА состоит из двух специализированных железнодорожных вагонов: непосредственно  вагона-обсерватории и химической лаборатории.  

  

Вагон-обсерватория ведет все те измерения и отбор  проб , которые включены в систему GAW. В химической лаборатории проводится анализ проб воздуха и аэрозолей, а также воды, почвы и растений на химический, элементный и биологический состав. Обсерватория оборудована высокоточной навигационной системой GPS, автоматизированной системой сбора, обработки и передачи данных измерений, видео- и аудиоинформации через спутник. Кроме научного оборудования каждый из вагонов имеет два купе для операторов, кухню, душ, биотуалет, систему отопления и кондиционирования воздуха, комбинированную систему энергообеспечения с высокой полезной нагрузкой (20 кВт – в вагоне-обсерватории). 

            В состав химической лаборатории  входит автомобиль-лаборатория для  проведения специальных измерений  и отбора проб на местности.  Оба вагона могут работать  вместе или раздельно в зависимости  от научной программы. 

Измерительный комплекс:

1. Непрерывные измерения  концентраци и газов (O3, NO, NO2,СО, СO2, SO2, СН4, неметановые углеводороды) - газоанализаторы, газовые хромотографы.

2. Непрерывные измерения  концентрации и микрофизических  свойств аэрозолей

- счетчики, нефелометры,  аэтолометры.

3. Дистанционное  зондирование содержания О3, NO2, СО, СН4 и аэрозолей в атмосфере

-спектрофотометры, радиометр, поляризационный фотометр.

4. Отбор и анализ  воздуха и аэрозолей на элементный, химический и изотопный состав

- пробоотборники  разных типов, рентгеновский спектрометр,  газовые хромотографы.

5. Измерения солнечной  радиации, термодинамических и метеорологических  параметров

-измерители интегральной  и УФ радиации, измерители скоростей  фотодиссоциации О3 и NO2, измеритель профиля температуры в слое 0-1200 м, акустоанемометр, метеоприборы.

6. Регистрация данных  и их передача по телекоммуникационным  каналам

- GРS, телефон, сервер, персональные компьютеры.

7. Вспомогательное  оборудование. 

Характерные особенности  и достоинства:

1. Использование  сетевых приборов и международных  калибровочных средств. Соответственно, высокое качество данных и  привязка их к мировой сети  мониторинга атмосферы.

2.Широкий диапазон  измерений содержания примесей  от низких фоновых значений  до очень высоких концентраций  вблизи источников.

3.Автоматизация  измерений и передача основных  результатов в Центр данных (г. Москва) в реальном времени.

4.Оптимальный набор  измеряемых параметров позволяет  контролировать текущее фотохимическое  состояние атмосферы и прогнозировать  его изменения, что важно в  экстремальных экологических ситуациях. 

Оценка качеств  данных 

Принципиальное значение для правильной интерпретации данных измерений с подвижной платформы  имеет ответ на вопрос - насколько  сильно искажаются значения концентраций примесей в приземном воздухе  под влиянием движения поезда с вагоном-лабораторией и встречных поездов относительно их невозмущенного фонового? 

  

Влияние собственного поезда 
 

   При изменении  скорости движения и торможении  перед остановкой на показания  приборов могут действовать различные  факторы. Поэтому были проанализированы  данные наблюдений на участках  торможения перед остановкой, во  время стоянки и при последующем  разгоне.