Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2024 номер 6

Исследован вклад карбонильных соединений в образование атмосферного органического аэрозоля в присутствии типичных загрязнителей городской атмосферы. Альдегиды и кетоны, поступающие в атмосферу из природных и антропогенных источников, идентифицированы методом высокоэффективной жидкостной хроматографии. Натурные измерения проведены на территории Новосибирского научного центра и в прилегающих лесных массивах. Обнаружено, что при переносе типичных газообразных загрязнителей городского воздуха (оксиды азота, озон) в воздух лесных массивов, а биогенных соединений (алкенов, альдегидов) на территорию города резко меняются кинетика и механизм образования органического аэрозоля по сравнению с процессами в типичной городской атмосфере. Так, в присутствии озона выход аэрозольных продуктов фотонуклеации формальдегида, ацетальдегида и пропаналя увеличивается в 4-8 раз, а бензальдегида и акролеина уменьшается в 5 и 30 раз соответственно, тогда как для ароматических замещенных альдегидов и фурфураля выход аэрозоля увеличивается незначительно (до 30%). Полученные результаты позволяют проводить количественные оценки мощности природных и антропогенных источников органического аэрозоля в условиях лесостепной зоны Западной Сибири и прогнозировать биологическое действие образующегося аэрозоля при разных сочетаниях выбросов.

Пылевой аэрозоль из районов песчаных бурь разносится воздушными массами на тысячи километров, влияя на оптические свойства атмосферы, климат и наземные природные объекты. Регион Северного Прикаспия - территории Калмыкии, дельты Волги, закаспийских низменностей и северо-западного Казахстана - представляет собой круглогодичный источник пылевого аэрозоля. Повышение уровня аэрозольного загрязнения приземного воздуха Москвы, связанное с дальним атмосферным переносом пыли из Прикаспия, анализируется по данным непрерывных наблюдений на станциях ГПБУ «Мосэкомониторинг» за 2011-2021 гг. Выявлено восемь месяцев (около 6%) с эпизодами, когда среднесуточная концентрация аэрозолей РМ₁₀ в Москве была выше ПДК. Длительность эпизодов составляет от 3 до 10 сут и в среднем за год не превосходит суммарно 9% дней. Максимальные среднесуточные концентрации приземного аэрозоля РМ₁₀ в городе во время таких эпизодов в 2,7 ± 1,1 раза выше соответствующих среднемесячных значений. Месяцы с эпизодами дальнего атмосферного переноса пыли в Москве характеризуются повышенной температурой воздуха на 1,9 ± 2,0 °С и пониженным количеством осадков на 9 ± 13 мм в среднем относительно нормы. Результаты работы могут быть использованы при оценках климатических и экологических сдвигов в условиях существования экосистем на европейской территории России.

Опустыненные территории являются основным источником пылевого аэрозоля. На эмиссию и перенос пылевого аэрозоля в приповерхностном слое атмосферы сильно влияет электризация ветропесчанного потока. Нами выполнено экспериментальное исследование электрических процессов в ветропесчаном потоке. По данным синхронных измерений на опустыненной территории в Астраханской области плотности электрических токов сальтации и токов, обусловленных переносом заряженных частиц пылевого аэрозоля, на высотах 4 и 12 см рассчитаны статистические характеристики вариаций плотности и модулей плотности указанных токов. Показано, что в ветропесчаном потоке в слое 4-12 см модули плотности электрических токов сальтации и токов, обусловленных переносом пылевого аэрозоля, убывают с высотой значительно медленнее (логарифмические градиенты -0,025 и -0,07 см^-1), чем концентрация сальтирующих частиц (логарифмический градиент -0,32 см^-1). Подтверждено, что модули плотности электрических токов сальтации коррелируют друг с другом и со скоростью ветра в приземном слое атмосферы теснее, чем сами плотности токов. Полученные результаты представляют интерес при разработке моделей эмиссии пылевого аэрозоля на опустыненных территориях.

По результатам трехлетних измерений проведено исследование зависимости концентрации культивируемых микроорганизмов и суммарного белка от метеопараметров: направления и скорости ветра, солнечной радиации, температуры, атмосферного давления, относительной и абсолютной влажности. Отбор проб осуществлялся на площадке ФБУН ГНЦ ВБ «Вектор» Роспотребнадзора (р.п. Кольцово Новосибирской области) с одновременной фиксацией метеоусловий. Концентрацию суммарного белка определяли методом флуоресценции реагента, связывающегося с белком, а концентрацию культивируемых микроорганизмов - стандартными культуральными методами. Метеоданные поступали с метеопоста, расположенного вблизи точки пробоотбора. Анализ данных показывает, что концентрации биологических компонент в аэрозоле растут с увеличением средних температуры, абсолютной влажности и освещенности в течение пробоотбора и снижаются с ростом средних значений относительной влажности, скорости ветра и атмосферного давления.

Активная роль наночастиц аэрозолей в гетерогенных процессах, приводящих к изменению оптических и физико-химических свойств атмосферы, состояния экосистем и климата, вызывает повышенный интерес к изучению механизмов их образования и трансформации. Условия аэрозолеобразования, его географические и сезонные особенности оказывают влияние на микрофизические характеристики высокодисперсного аэрозоля. В настоящей работе анализируются первые результаты полевых наблюдений за микрофизическими характеристиками наночастиц аэрозолей в приземном слое атмосферы сухостепной зоны юга России в летние периоды 2021 и 2022 гг. С учетом синоптико-метеорологических параметров изучены суточные вариации счетной концентрации и распределения по размерам наночастиц трех субфракций (нуклеационной моды, моды Айткена и переходной субфракции). Установлено постоянное наличие ярко выраженной моды Айткена независимо от времени суток и метеорологических условий. Выявлен минимум концентрации частиц нуклеационной моды и моды Айткена в ночные и предутренние часы. Наибольшая скорость генерации нуклеационных частиц характерна для утренних часов, когда интенсифицируются фотохимические процессы, обусловливающие утренний максимум концентрации частиц нуклеационной моды и моды Айткена. В ночные часы наблюдается рост концентрации частиц переходной субфракции. Рассмотрены особенности короткопериодной временной изменчивости характеристик высокодисперсного аэрозоля в сухостепной зоне юга России с учетом общей картины суточной динамики аэрозолеобразования и последующего роста частиц в атмосфере, а также в сравнении с результатами аналогичных наблюдений в других географических районах мира. Настоящая работа направлена на восполнение существующего пробела в экспериментальных данных о наночастицах аэрозолей в европейской части России. Полученные результаты могут быть использованы при исследовании состава атмосферы, а также в химико-транспортных моделях при уточнении вклада аэрозолей в прямой и косвенный радиационный эффект, а также в процессы изменения климата.

Инфекционные заболевания, поражающие дыхательную систему, являются в настоящее время серьезной проблемой для здравоохранения. Одним из путей повышения эффективности терапии таких заболеваний является адресная доставка лекарственных препаратов. Такой подход требует разработки новых методов генерации аэрозоля лекарственных средств, с помощью которых можно получать частицы с размерами, позволяющими проникать в заданные участки дыхательной системы. В настоящей работе предложен и реализован метод генерации сухих аэрозольных частиц, основанный на ультразвуковом распылении раствора лекарственного вещества. На примере раствора лекарственного противогрибкового вещества флуконазола показано, что с помощью данного метода можно генерировать аэрозоль со стабильными концентрацией и средним размером частиц в течение более 2 ч. Полученный аэрозоль имеет оптимальные ингаляционные параметры: размер от 1 до 1,9 мкм, счетная концентрация 70 000 ± 6500 см^-3. Представленный метод позволяет в дальнейшем проводить исследование биологического действия аэрозоля лекарственных средств.

Представлено описание автоматизированного комплекса, созданного для измерений содержания веществ с разной летучестью в шести диапазонах размеров частиц от 0,3 до 5 мкм при искусственном нагреве от 25 до 200 °С (с промежуточной точкой 100 °С). Концентрация частиц регистрировалась фотоэлектрическим счетчиком. Приборный комплекс был апробирован в отдельных сериях круглосуточных наблюдений в разные сезоны 2021-2023 гг. Проведено сравнение измерений фотоэлектрическим счетчиком и интегральным нефелометром в декабре 2022 г. и марте 2023 г. Показано, что вариации долевого содержания растворимых сернистых соединений по данным счетчика хорошо согласуются с изменчивостью параметра конденсационной активности. Применение метода термического воздействия позволит получить дополнительные сведения о сезонном и суточном ходе состава аэрозоля в среднедисперсном диапазоне размеров частиц.

Измерительное оборудование, способное в режиме реального времени определять характеристики частиц в газовой фазе, необходимо при проведении широкого спектра исследований, включая изучение влияния антропогенных загрязнений на климатические изменения и здоровье человека, а также при разработке новых способов доставки лекарственных средств и синтезе нанокомпозитных материалов. Представлен разработанный и созданный в ИХКГ СО РАН измерительный комплекс, включающий диффузионный аэрозольный спектрометр, оптический аэрозольный спектрометр и измеритель массовой концентрации аэрозоля. Проведены лабораторные испытания приборов измерительного комплекса с использованием стандартных тестовых систем. Cопоставление показало хорошее согласие измеренных размеров частиц с данными, полученными независимыми методами (просвечивающая электронная микроскопия, измерение скорости седиментации частиц). Приборы комплекса позволяют измерять концентрацию и размер аэрозольных частиц в широком диапазоне значений с представлением результатов в реальном времени. Измерительный комплекс может быть использован в лабораторных и полевых исследованиях в области химии, физики и медицины, а также на станциях мониторинга состояния воздуха окружающей среды.

Газообразная элементарная ртуть (GEM) является преобладающей формой ртути в атмосфере. В результате осаждения она поступает в наземные и водные экосистемы, где в дальнейшем преобразуется в экотоксикант - метилртуть. Работа посвящена изучению GEM в атмосферном воздухе и общей ртути в атмосферных осадках в Южном Прибайкалье. Отбор проб проводился на станции мониторинга Листвянка (51,9° с.ш., 104,4° в.д.) в 2022-2023 гг. Концентрация ртути в воздухе измерялась газоанализатором РА-915АМ (Санкт-Петербург, Россия). Концентрация общей ртути в атмосферных осадках определялась по методике ПНД Ф 14.1:2:4.271-2012, метод А (перманганатная минерализация). За период исследования концентрация GEM в атмосферном воздухе составила в среднем 1,61 нг/м³; коэффициент парной корреляции между Hg⁰ и SО₂ - 0,47; между Hg⁰ и NО₂ - 0,44; в 12 случаях отмечена сильная положительная корреляция (коэффициент > 0,9) между Hg⁰, SО₂ и NО₂. Средневзвешенное содержание общей ртути в атмосферных осадках составило 44 нг/л, медиана - 29 нг/л, максимальное значение - 282 нг/л. Для каждого эпизода повышения концентрации ртути свыше 2,0 нг/м³ рассчитаны обратные траектории движения воздушных масс с помощью модели HYSPLIT. Траекторный анализ также подтвердил наше предположение об едином типе источника ртути и малых газовых примесей. Дополнены существующие представления о содержании ртути в атмосфере Южного Прибайкалья. Установлено, что несмотря на значительное удаление от крупных городов, содержание ртути в атмосферных осадках на побережье оз. Байкал сопоставимо с результатами, полученными в городских агломерациях Непала, Канады, Кореи, Китая.

Экспериментальные исследования состава атмосферного воздуха являются основой для последующего численного анализа процессов загрязнения и принятия управленческих решений по улучшению качества городской среды. Представлены результаты исследования процессов длительного загрязнения атмосферы г. Иркутска и влияния на них штилевых условий. Выполнен анализ линейных корреляционных связей между результатами измерений среднемесячных концентраций бенз(а)пирена на стационарных постах контроля состава атмосферного воздуха города. Показано, что результаты внутригодовых измерений на постах в целом пропорциональны друг другу. Исследованы связи концентрации бенз(а)пирена со штилевыми условиями. Выявлена корреляция между его высокими концентрациями в зимний период и повторяемостью штилей. Установленные закономерности создают возможности для внешнего контроля результатов наблюдений на стационарных постах мониторинга города. Найденные зависимости позволяют численно восполнять пропуски в данных наблюдений. Полученные результаты могут быть использованы при планировании мероприятий по улучшению качества атмосферного воздуха, построении моделей оценивания полей концентраций бенз(а)пирена.

Существует значительная неопределенность в отношении масштабов эмиссии метана из морей арктического шельфа. Потоки метана в этом регионе могут быть недооценены и играть значимую роль из-за большого объема газа, который содержится в донных отложениях в слое многолетнемерзлых пород и газовых гидратов. Проведен анализ чувствительности модели эмиссии метана к параметризации процессов газообмена на поверхности моря на основе результатов численного моделирования переноса растворенного метана в морях Арктики. Модель переноса растворенного метана включена в базовую модель океана и морского льда SibCIOM, разработанную в ИВМиМГ СО РАН. Оценки эмиссии метана в атмосферу выполнены на основе различных соотношений для параметризации процесса газообмена в системе «вода - атмосфера» и «вода - лед - атмосфера» с использованием данных реанализа NCEP/NCAR. Неопределенность оценки годовой эмиссии метана составила 6-12% с учетом различных зависимостей коэффициента газообмена от ветра. Более выраженное влияние при расчете потока оказывает схема учета ледового покрова - неопределенность увеличилась до 50-130%. Параметризация взаимосвязи между ледовым покровом и газообменом может оказывать большое влияние на расчетные потоки метана и приводить к недооценке его эмиссии из морей арктического шельфа.

Основным источником летнего прогрева верхнего слоя сибирских арктических шельфовых морей является коротковолновая солнечная радиация. Радиационный поток затухает по мере прохождения сквозь водную толщу, при этом скорость затухания определяется оптическими свойствами воды, зависящими главным образом от концентрации взвешенного вещества. В численных моделях океана и морского льда усвоение коротковолновой солнечной радиации описывается различными параметризациями. В настоящей работе исследуется чувствительность региональной трехмерной численной модели океана и морского льда SibCIOM к двум параметризациям проникающей радиации, используемым в численных экспериментах: 1) двухкомпонентная параметризация (PS) с использованием постоянных коэффициентов затухания для инфракрасного и видимого диапазонов спектра, зависящих от одного из десяти классов прозрачности океанических вод; 2) трехкомпонентная (RGB), различающаяся коэффициентами поглощения для красной, зеленой и синей частей видимого спектра и опирающаяся на спутниковые данные о концентрации хлорофилла. Анализ результатов численных экспериментов для акватории сибирских шельфовых морей показал, что учет сезонного распределения концентрации хлорофилла при формировании потока проникающей коротковолновой радиации с параметризацией RGB приводит к формированию областей прогрева вод в поверхностном или придонном слое, отличающихся от базового эксперимента с двухкомпонентной параметризацией PS. Сравнение с данными наблюдений показывает преимущество параметризации RGB, учитывающей сезонную изменчивость содержания хлорофилла, при численном моделировании арктических шельфовых морей.

Мониторинг атмосферы с помощью глобальных спутниковых навигационных систем обычно используют в том числе для оценки интегрального влагосодержания атмосферы. С высоким временным разрешением измеряется зенитная тропосферная задержка спутниковых радиосигналов и ее градиентные параметры, характеризующие атмосферные мезомасштабные неоднородности. В настоящей работе выявлена значимая изменчивость этих характеристик атмосферы, связанная с опасными конвективными явлениями. Используется выборка нескольких сотен штормов, ураганов, ливней, гроз, крупного града, соответствующих имеющимся наблюдениям ближайших станций приема спутниковых сигналов в Республике Татарстан и Московской области, находящихся на широтах 55-56° с.ш. Обнаружено, что в условиях опасных явлений растет неоднородность поля зенитной тропосферной задержки спутниковых сигналов, что проявляется в увеличении ее градиентных параметров и их флуктуаций, а также возрастании интегрального влагосодержания атмосферы и его внутрисуточной изменчивости. Наиболее сильно меняется интенсивность флуктуаций интегрального влагосодержания, если станция расположена не далее 20 км от опасного явления, что объясняется размерами конвективных ячеек. Однако даже при расположении станции на расстояниях до 200 км от опасных явлений наблюдаются рост интегрального влагосодержания атмосферы и усиление атмосферных неоднородностей по сравнению со среднемноголетними данными. Результаты работы могут быть полезны для развития технологии подспутникового мониторинга опасных конвективных явлений.