авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Пространственно-временные вариации приземного озона в атмосфере байкальского региона.

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

БУТУХАНОВ Василий Петрович

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ВАРИАЦИИ ПРИЗЕМНОГО ОЗОНА В АТМОСФЕРЕ БАЙКАЛЬСКОГО РЕГИОНА.

05.11.13 – Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Красноярск – 2009

Работа выполнена в Отделе физических проблем при Президиуме Бурятского научного центра СО РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Ломухин Юрий Лупонович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Кашкин Валентин Борисович

кандидат технических наук,

доцент Сакаш Ирина Юрьевна

Ведущая организация: Восточно-Сибирский технологический университет (г. Улан-Удэ)

Защита диссертации состоится «15» мая 2009 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.099.05 в Сибирском федеральном университете по адресу: 660074, г. Красноярск, ул. Киренского, 26, корпус Ж ауд. УЛК 1-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке по техническим наукам Сибирского федерального университета. Автореферат выставлен на сайт СФУ.

Отзыв на автореферат в 2-ух экземплярах, с подписью составителя и заверенный печатью организации просим направлять в адрес диссертационного совета. Факс 8 (3912) 90-74-76, 43-26-56.

Автореферат разослан «10» апреля 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук, профессор Е.А. Вейсов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена изучению режима приземного озона для оценки и прогноза его концентраций в различных метеорологических условиях. Рассматриваются механизмы изменчивости концентрации озона в атмосфере Байкальского региона. Работа написана на основе экспериментального материала, полученного в результате шестилетнего наблюдения газовых и метеорологических характеристик приземного слоя атмосферы.

Актуальность работы. В приземном слое атмосферы и в тропосфере озон является химически и радиационно-активным газом. Как сильный окислитель он воздействует разрушающе на многие материалы и живые ткани. Кроме этого, он определяет газовый состав и термический режим тропосферы. Основным источником приземного озона является фотохимическое образование в тропосфере и перенос в ее нижние слои динамическими процессами различного масштаба.





Поэтому для оценки и прогноза приземной концентрации озона (ПКО) возникает необходимость изучения ее пространственно-временных вариаций в приземном и приводном слое атмосферы.

В результате антропогенной нагрузки на окружающую среду в 70 - 90 годах 20 века наблюдалось уменьшение озона в стратосфере, и его увеличение в тропосфере Северного полушария. В Азиатском регионе Северного полушария наблюдалось медленное, но стабильное увеличение концентрации озона в течение 1980-1995г.г. с положительным трендом 0,44 ± 0,43% в год, а с 1996 г. по настоящее время ее рост приостановился [S.J.Oltmans, A.S.Lefohn, H.E.Schell, D.S..Shadwick et. al., 1998г.].

Так как Байкальский регион до настоящего времени не охвачен сетью наблюдений приземного озона, проведение наблюдений ПКО будет способствовать оценке уровней озона в загрязненных и фоновых условиях. И на основе этих оценок можно выявить механизм изменчивости озона, характерного для данного региона. Всесторонний анализ выявленных причин изменчивости озона в пространстве и во времени, в условиях формирования высоких значений ПКО позволит принять меры по предотвращению нарушения экологического равновесия в окружающей природной среде Байкальского региона и озера Байкал как участка Мирового наследия. В связи с этим работа, посвященная наблюдению приземной концентрации озона и ее изменчивости в пространстве и во времени, является актуальной.

Целью диссертации является выявление особенностей пространственно-временных вариаций ПКО в Байкальском регионе. В работе решались следующие задачи:

  1. Разработка и создание измерительно-вычислительного комплекса для регистрации и расчета статистических характеристик пространственно-временного распределения приземного озона, оксидов азота, углерода в Байкальском регионе.
  2. Анализ временных вариаций ПКО, концентраций оксидов азота и метеопараметров по данным измерений за период с 1999 – 2004 г.г. в г. Улан-Удэ; выявление процессов, определяющих формирование суточного и сезонного хода ПКО.
  3. Оценка вклада ОСО и УФ-Б в сезонную изменчивость ПКО.
  4. Анализ процессов, формирующих особый режим образования озона в условиях летнего застоя воздуха в приземном слое атмосферы г. Улан-Удэ.
  5. Организация и проведение измерений концентрации озона, оксидов азота и метеопараметров в приземном и приводном слое атмосферы оз. Байкал.

Научная новизна

  1. Получены характеристики суточной и сезонной изменчивости концентрации приземного озона в г. Улан-Удэ за период 1999-2004 г.г. Выявлен суточный ход ПКО с характерными максимумами в 13:00 и 0:00 ч и двумя минимумами в 8:00 и 21 ч местного времени; сезонный ход с максимумом в конце весны - начале лета, минимумом поздней осенью и в начале зимы.
  2. Впервые в условиях Байкальского региона установлено запаздывание ПКО от ОСО в среднем на 3 месяца, выявлены квазидвухлетние вариации ОСО и ПКО в весенний период.
  3. В условиях летнего застоя установлены: квазипериодическая структура изменчивости среднедневных концентраций озона, оксидов азота и температуры воздуха с периодом от 3 до 5 дней; смещение максимумов спектральной плотности ПКО от максимумов УФ-Б на периоды до одного дня и 20 дней. Предложена модель краткосрочного прогноза ПКО.
  4. По наблюдениям в летний период на побережье Байкала выявлены 2 режима суточного хода ПКО с максимумом в 13:00 ч. и минимумом в ночные часы, с более поздним максимумом в 18:00 ч и минимумом в утренние часы. Получены оценки фотохимического образования и вертикального распределения озона.
  5. Впервые выявлены пространственные неоднородности распределения озона и оксидов азота в приводном слое атмосферы разных частей оз. Байкал. Оценена скорость сухого осаждения озона на водную поверхность.

Достоверность полученных результатов определяется:

  • оценкой и корректировкой погрешности измерений приборов, входящих в состав измерительного комплекса, регулярными поверками, установленными Государственной системой единства измерений;
  • внутренним оперативным контролем, выполняющим функции предупредительного контроля для принятия оперативных мер в ситуациях, когда погрешности (составляющие погрешностей) контрольных измерений не соответствуют установленным требованиям. В качестве средств контроля используются стандартные образцы, аттестованные смеси, рабочие пробы и генераторы калибровочных смесей.
  • статистической обеспеченностью данных измерений характеристик газовых примесей и метеопараметров, согласованностью экспериментальных и расчетных данных.

Научная и практическая значимость работы

Результаты исследований пространственно-временного распределения концентраций озона и МГС в Байкальском регионе использованы в региональных прогностических моделях изменения газового состава атмосферы под влиянием различных геофизических факторов.

Полученные результаты использованы для оценки экологической обстановки в г. Улан-Удэ, состояния воздушного бассейна оз. Байкал, и могут учитываться в целях определения ресурса туристско-рекрационной зоны “Байкал” на Восточном побережье озера.

Измерительный комплекс газовых характеристик приземного слоя атмосферы может найти применение на станциях мониторинга газовых примесей в различных регионах.

Личный вклад автора

Основные результаты работы получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Автор принимал непосредственное участие в разработке и создании измерительного комплекса, валидации программы автоматизации непрерывных измерений и регистрации содержания газовых примесей в приземном слое атмосферы, методики измерений, анализе и интерпретации полученных экспериментальных данных.

На защиту выносятся результаты мониторинга ПКО с помощью измерительного комплекса на базе хемилюминесцентных газоанализаторов:

  1. Суточная изменчивость ПКО в г. Улан-Удэ за период с 1999 по 2004 год с максимумами в 13:00 и 0:00 ч и минимумами - в 3:00 и 21:00 ч местного времени близка к фоновой. Сезонные вариации максимальных значений ПКО в конце весны, начале лета наблюдаются при весенне-летней активизации динамических и фотохимических процессов в атмосфере г. Улан-Удэ. Минимальные значения ПКО в зимний период отмечаются при максимальной повторяемости приземных инверсий.
  2. В годовом ходе смещение по фазе максимальных и минимальных значений ОСО относительно аналогичных значений ПКО близко к 1/4 периода их основных гармоник (максимумы ОСО и ПКО над г. Улан-Удэ достигаются в марте и в июне, соответственно). Выявленные квазидвухлетние вариации ОСО и ПКО в весенний период значимы и свидетельствуют о существенной модулирующей роли крупномасштабной циркуляции в формировании режима озона.
  3. В условиях летнего застоя воздуха в г. Улан-Удэ изменения среднедневных ПКО, концентрации оксидов азота модулируются колебаниями с характерным периодом от 3 до 5 дней. Максимумы спектральной плотности вариаций средних дневных ПКО смещены относительно максимумов интенсивности УФ-Б в области низких частот на период в 20 дней, в области высоких частот на период меньше одного дня.
  4. Суточный ход концентрации озона в летний период наблюдения на побережье оз. Байкал определяется двумя режимами вариаций ПКО - с максимумом в 13:00 ч, минимумом в ночные часы и с более поздним максимумом в 18:00 ч и минимумом в утренние часы. Среднесуточные значения концентрации озона на побережье оз. Байкал в условиях неустойчивой атмосферы с параметром стратификации -0,7 Ri -0,2 в 1,5 раза меньше, чем в городских условиях, а максимум ПКО отстает от максимума концентрации озона в г. Улан-Удэ на 5 часов.
  5. Пространственно-временная неоднородность концентрации озона и оксидов азота в приводном слое атмосферы оз. Байкал. В Южном Байкале максимум ПКО в послеполуденное время соответствует максимальной высоте слоя перемешивания. В Среднем Байкале основной вклад в формирование вечернего максимума ПКО вносит адвекция воздушных масс с прибрежной зоны. Скорость сухого осаждения озона на водную поверхность Байкала меняется от 0,0019 до 0,096 см/с и соответствует раннее проведенным наблюдениям в приводном слое атмосферы морских акваторий. В период активного развития волнового процесса наблюдается увеличение скорости сухого осаждения озона.

Основные результаты исследования были получены в работах по следующим проектам:

  1. «Изучение особенностей аэрозольных и газовых примесей в пограничном слое оз. Байкал». Грант РФФИ № 97-06-96449.
  2. «Исследование механизмов формирования загрязнения атмосферного воздуха южного побережья оз. Байкал под воздействием удаленных и близкорасположенных промышленных центров». Грант РФФИ № 01-05-97240.
  3. «Климатоэкологический мониторинг Сибири». Региональная научно-техническая программа «Сибирь».

Апробация работы

Материалы, изложенные в диссертации, представлены в 26 печатных работах, из них 10 работ опубликованы в рецензируемых научных журналах, а также докладывались на Всероссийских конференциях “Аэрозоли Сибири” в 1997 – 1999 г.г., 2003 г.г., на третьей Верещагинской Байкальской конференции в 2000 г., на VIII – XI Международном объединенном симпозиуме. Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы, 2001-2004 г.г., на Международном рабочем совещании TOR-2 по исследованию тропосферного озона в 2002 г. и др. региональных конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы. Работа содержит 187 страниц текста, 66 рисунков, 11 таблиц. Список литературы состоит из 118 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, ставится цель работы, указывается научная новизна и практическая значимость работы, приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе содержатся необходимые сведения и современные взгляды на природу приземного озона, дана характеристика его источников и стоков.

Тропосферный озон не превышает 10% от общего содержания озона в атмосфере. Концентрация озона в приземном воздухе изменяется в широких пределах в зависимости от геофизических, климатических характеристик регионов и степени их промышленного развития, влияющего на уровень антропогенного загрязнения атмосферы. Следует отметить, что антропогенные факторы, такие как эмиссии предшественников озона (окислов азота и органических соединений) могут приводить как к дополнительной генерации, так и к разрушению озона в приземном слое. Вторая ситуация наблюдается в условиях сильного загрязнения приземного соля атмосферы окислами азота в холодный период.

В главе рассматриваются результаты многолетних наблюдений пространственного распределения тропосферного озона по всему Земному шару. Показано, что обширные континентальные районы Евроазиатского материка являются глобальными источниками атмосферного загрязнения газовыми примесями, участвующими в образовании и разрушении озона в глобальном масштабе. Результаты измерений свидетельствуют также и о том, что скорость роста содержания озона от экватора к полюсам Земли в нижнем слое тропосферы для северного полушария больше, чем для южного. Соответственно и концентрация озона на одинаковых широтах северного и южного полушария различается (концентрация озона выше в северном полушарии). Одной из возможных причин различия уровня озона в нижней тропосфере в северном и южном полушарии может быть его крупномасштабное продуцирование в результате фотохимических реакций в условиях интенсивной антропогенной эмиссии над Европой. Так, например, европейские источники вносят вклад в годовой бюджет производства озона на высокогорной альпийской станции в Ароза 9-12 ppb [Pochanart et.al., 2001].

Траекторный анализ показал, что именно в нижней тропосфере загрязнение над Европой может транспортироваться и изменять уровень озона в Восточной Азии и Сибири [Akimoto et.al., 1994]. А воздушные массы с повышенным содержанием озона из Северной Америки оказывают большое влияние на состав средней тропосферы Европы.

Озон, образовавшийся в условиях высокой инсоляции, температуры и большом уровне его предшественников в Восточной Азии легко переносится в верхней тропосфере в Северную Америку и Европу западным ветром зональной циркуляции (трансграничный перенос) [Израэль, 1987].

Исследования газового и аэрозольного состава атмосферы, выполненные в ходе экспедиции TROICA-5 в летний период, выявили перенос примесей из индустриальных районов Восточной Азии на территорию Российской Федерации. Наиболее вероятной причиной наблюдавшихся высоких концентраций приземного озона в городах Хабаровского края явилась его фотохимическая генерация в шлейфе антропогенных выбросов городов Китая и Японии при наличии местных источников летучих органических соединений ЛОС и окислов азота [Еланский, Моисеенко, Панкратова, 2005].

Несмотря на большое количество измерений озона (О3) в Европе, его крупномасштабный перенос в тропосфере и пограничном слое по Азиатской части России недостаточно исследован. Поэтому комплексный мониторинг пространственно-временных вариаций ПКО для изучения и анализа воздействия регионального распределения озона на биосферу с одной стороны, а с другой стороны для оценки локального содержания озона в его глобальном распределении является актуальным.

Во второй главе изложена методика выполнения измерений, основные технические характеристики и принцип действия измерительного комплекса.

С целью оперативной обработки результатов измерений с заданной точностью и минимальными затратами ручного труда создан 4 канальный измерительно-вычислительный комплекс (ИВК), объединяющий средства измерения, систему регистрации, хранения и обработки результатов измерений [8].

В таблице 1 приведены основные технические характеристики средств измерений, входящие в состав ИВК.

Измерения концентраций озона (O3), оксидов азота (NO, NO2) производились газоанализаторами, представляющими собой газовые компараторы, в основу работы которых положен хемилюминесцентный метод. Сущность этого метода состоит в том, что химическое взаимодействие молекул озона и диоксида азота с датчиком сопровождается люминесценцией. Принцип действия газоанализаторов – гетерогенная хемилюминесценция (газ – "твердое тело"). Датчиками газов служат хемилюминесцентные твердотельные сенсоры. Интенсивность хемилюминесценции пропорциональна содержанию озон и диоксида азота в анализируемой газовой среде.

На рис. 1 показана функциональная схема ИВК.

 Функциональная схема 4-канального-2

Рис. 1. Функциональная схема 4-канального измерительного комплекса.

Описаны основные рабочие и калибровочные алгоритмы, созданного программного обеспечения, и защищенного свидетельством об авторском праве под №200611005 (Роспатент) [9].

Приводятся условия измерений, рабочие процедуры по подготовке к выполнению измерений, выполнение измерений.

Для оценки погрешности результатов измерений осуществляется внутренний контроль точности результатов измерений. Приведены средства и алгоритм контроля точности измерений.

Данные по оценке точности определения концентрации озона и диоксида азота за весь период наблюдения показали, что:



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.