Методы измерения содержания озона в Атмосфере - Студенческий научный форум

XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Методы измерения содержания озона в Атмосфере

Швец П.А. 1
1Российский государственный гидрометеорологический университет
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

В настоящее время проблему уменьшения/деградации озонового слоя Земли ставят в число наиболее значимых глобальных проблем, связанных с сохранением природной среды. В воздушной оболочке Земли озон располагается в виде сферического слоя толщиной примерно 90 км, охватывая тропосферу, стратосферу и мезосферу [1].

Озон, образующий стратосферный экран, является продуктом естественных реакций, проходящих под воздействием солнечного ультрафиолета. В стратосфере содержится до 80-85 % всего озона. Стратосферный озон является важным климатическим и экологическим фактором. Он задерживает ультрафиолетовое солнечное излучение. Иными словами, стратосферный озон является защитным экраном от солнечного УФ излучения, оказывающего воздействие на различные биологические и химические процессы.

Слой атмосферы, расположенный в непосредственной близости к поверхности Земли (на высоте от 0 до 10 км) называют тропосферой. Озон, находящийся в нем, получил название приземного или тропосферного. Источник озона в тропосфере – химические реакции, в которые вступают окислы азота и летучие органические соединения (ЛОС). Основные источники их – это выбросы промышленных предприятий и тепловых электростанций, выхлопные газы автомобильного транспорта, бензиновые пары и химические растворители. Приземный озон – вредоносный загрязнитель, опасный для здоровья человека. Данного озона содержится около 8-10 % от общего количества на высотах до 8-10 км над полюсами, 10-12 км в умеренных широтах и 16-18 км над экватором.

Считается, что озоновый слой сформировался в атмосфере около 400-450 млн. лет назад в результате постепенного накопления в ней свободного кислорода [2]. К настоящему времени общая масса озона в атмосфере равна примерно 3,204·109 т., что составляет всего 0,64·10–6 массы всей атмосферы [3]. Если собрать весь озон в слой при нормальных условиях (давлении 1013,25 гПа и температуре 273,15 К), то толщина этого слоя, т.е. общее содержание озона (ОСО), составит около 3 мм, или 300 единиц Добсона (е.Д.), что соответствует среднегодовому глобальному ОСО [4].

Суммарное распределение озона в атмосфере характеризуют такие параметры, как общее содержание озона Х(О3), концентрация озона N(O3) и относительное содержание r(O3):

ОСО = Х(О3) – толщина слоя озона в вертикальном столбе атмосферы. Размерность [Х(О3)] = см. Концентрация озона N(O3) – число молекул озона в столбе атмосферы с площадью основания 1 см2 при тех же условиях, [N(O3)] = см-3. Относительное содержание r(O3) определяется как отношение парциальной плотности озона ρ3, характеризующей массу газообразного объема в единице объема воздуха, к плотности воздуха ρ при нормальных условиях [3].

Н аблюдения за озоновым слоем является частью мониторинга окружающей среды и осуществляется в целях своевременного выявления вредного воздействия природных и антропогенных факторов. Уникальная роль озона в атмосфере Земли и его влияние на многие атмосферные процессы сподвигли на создание обширной и разнообразной системы мониторинга его содержания. Эта система использует различные аппаратуру и методы измерений. В настоящее время ежедневные наблюдения за состоянием озонового слоя проводятся регулярно на пяти континентах на 300 наземных станциях в дискретных точках на материках и островах, в том числе в Арктике и Антарктиде [5]. На большинстве станций измеряют только общее содержание озона, но на примерно 50 станциях определяют вертикальное распределение озона с помощью озонозондов электрохимического типа, поднимаемых до высоты примерно 30 км [4] – рисунок 1.

 

Рисунок 1 Сеть наблюдений за общим содержанием озона (синие кружки) и пункты наблюдения за парниковыми газами (красные звездочки) Росгидромета.

На сегодняшний день разработано большое количество методов измерения атмосферного озона. Условно их можно разделить на виды: по способу измерения (контактный и дистанционный) и по месту расположения измерительного устройства – рисунок 2. В свою очередь второе распределение делится еще на несколько подпнктов: наземные (оптические и лидарные), аэростатные (шарозондовые), ракетные, самолетные и спутниковые. В случае контактного метода (in situ) аппаратура анализирует окружающий вокруг нее воздух и проводит необходимые измерения [6].

 

Рисунок 2. Классификационная схема методов измерения атмосферного озона

Рассмотрим первое деление по способу измерения:

1. К контактным методам можно отнести: использование датчиков, основанных на хемилюминесцентных и электрохимических методах. В частности, используется реакция О3 с реагентом, сопровождающаяся излучением света, который воспринимается фотоприемником. При электрохимическом методе через камеру с раствором йодистого калия прокачивается проба воздуха. В камеру помещены электроды, к которым приложена разность потенциалов. Чем выше содержание озона в пробе, тем больше появляется свободного йода в растворе, тем больше сила тока в цепи.

Это прямые и точные методы измерений, но дорогой комплект аппаратуры используется для контактных измерений только один раз, как и носители – баллоны и ракеты. Поскольку носители запускаются достаточно редко, то задача непрерывного слежения за состоянием озоносферы этими методами проблематична.

К локальным методам измерений можно отнести также и метод проб, сущность которого заключается в отборе исследуемой атмосферной среды в специальные емкости (или носители) и их дальнейшим исследованием в лаборатории. В целом задача постоянного получения реальной информации о состоянии озонового слоя в глобальном масштабе только на контактных методах измерений практически невыполнима. Поэтому чаще всего применяются дистанционные методы.

2. Дистанционные методы измерения озона проводятся «на расстоянии», которое может составлять сотни километров от измерительного прибора (remote sensing). Носителем информации об удаленном объеме атмосферы является электромагнитное излучение.

Методы дистанционного зондирования делятся на пассивные и активные [7].

В первом случае регистрируется электромагнитное излучение озона, возникшее под влиянием естественных причин, а во втором – используется искусственный источник зондирующего сигнала и регистрируется воздействие его на озон.

Методы резонансного рассеяния используют частоты, совпадающие с частотой перехода в молекуле озона. При этом падающее лазерное излучение рассеивается с большим сечением и наблюдается на исходной частоте. Одними из наиболее отработанных методов дистанционного газоанализа являются использование дифференциального поглощения и рассеяние электромагнитного сигнала. Используются две длины волны в зондирующем излучении, одна из которых близка к частоте поглощения озона, а вторая находится вне полосы поглощения. Вторая длина волны дает возможность при обработке исключить влияние упругого рассеяния излучения молекулами воздуха [10].

Второе деление заключается в выборе места расположения измерительного прибора:

1. Для наземных измерений используется диапазон 290-370 нм [11]. Выбор данной спектральной области обусловлен тем, что излучение на этих длинах волн не полностью поглощается в атмосфере и достигает земной поверхности. В качестве источников излучения используются внеземные источники (Солнце, в редких случаях Луна или некоторые яркие звезды). Для приближенного измерения ОСО применяется рассеянное излучение от участка неба в зените. Большой массив наземных данных получен с помощью измерений озона высокоточными калиброванными приборами: спектрофотометрами Добсона и Брюера [12], а также фильтровым озонометром М-124. Единая шкала измерений ОСО поддерживается регулярными сравнениями национального эталона и эталона ВМО. Погрешность наземных измерений с помощью приборов Добсона и Брюера оценивается в 1-1,5 %, погрешность озонометра М-124 составляет не более 3-5 % [13]. Данные приборы значительно различаются в способах выделения спектральных длин волн. Однако во всех них используется метод регистрации солнечного излучения, рассеянного молекулами озона. Определение ОСО производится путем сравнения показаний прибора в двух участках спектра по специальным таблицам и номограммам. В настоящее время прибором Добсона периодически измеряют общее содержание озона на 80 станциях мировой сети мониторинга атмосферного озона ГСА ВМО [4].

2. Спутниковые методы измерения общего содержания озона основаны на данных, получаемых с помощью оптической аппаратуры, установленной на космических аппаратах (КА) дистанционного зондирования. К настоящему времени космические аппараты дают возможность ежедневно получать информацию об озоне в глобальном масштабе в виде поля ОСО. Космические аппараты дистанционного зондирования в основном выводятся на солнечно-синхронные приполярные круговые орбиты. Угол наклонения для солнечно-синхронных КА выбирается таким образом, чтобы его орбита была синхронна с обращением Земли вокруг Солнца.

Зимой высокие широты не освещаются Солнцем, поэтому здесь спутниковые данные об ОСО отсутствуют.

Приземный озон

Тропосферный озон относится к группе веществ наивысшей категории опасности, требующих автоматического контроля их содержания в воздухе. Документом, определяющим предельно допустимые концентрации (ПДК) озона для населенных мест, в настоящее время являются «Гигиенические нормативы ГН 2.1.6.3492-17 предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе городских и сельских поселений» (с изменениями на 31 мая 2018 года).

В настоящее время в России длительные и регулярные измерения приземной концентрации озона (ПКО) проводят на сети экологического мониторинга [14].

В Санкт-Петербурге находится 25 станций, содержание приземного озона измеряют на 14-ти из них. На станциях используются газоанализаторы, с помощью которых можно определить количественный и качественный состав смеси.

Принцип работы газоанализаторов основан на поглощении веществ, составляющих смесь, специальными реагентами – рисунок 3.

 

Рисунок 3. Схема аналитического блока оптического газоанализатора [15]

 

Система отражателей для точного контроля длины волны

Система отражателей для точного контроля длины волны

Пример данных с автоматической станции № 18, расположенной по адресу: ул. Ольги Форш, д. 6, которые предоставляет комитет Санкт-Петербурга по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности, представлен на рисунке 4.

Данные мониторинга концентрации озона на станции 18 доступны с 2017 гг., среднесуточная норма ПДК составляет 0,10 мг/м3.

Данные в период с 13 января по 10 февраля 2024 года, показывают, что ПКО не превышает уровня ПДК, то есть установленной среднесуточной нормы. Значение, приближающееся к ½ нормы ПДК наблюдалось 2 февраля 2024 года.

 

Рисунок 4. Динамика загрязнения атмосферного воздуха за 30 дней

По годовой оценке, максимум ПКО был в 2019 году, но и это значение ниже нормы ПДК – рисунок 5. На станции, расположенной не в центре города Санкт-Петербурга значение ПКО составляет 0,35 нормы ПДК.

Рисунок 5 Среднегодовые уровни загрязняющих веществ за период 2017-2022

Наблюдения за всеми слоями озона является неотъемлемой составляющей системы мониторинга окружающей среды. Особенно приземного озона в целях своевременного выявления вредного воздействия природных и антропогенных факторов.

Списоклитературы

  1. В.Б. Кашкин, Т.В. Рублева, Р.Г. Хлебопрос. Стратосферный озон: вид с космической орбиты: монография – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2015. – 184 с.

  2. Моханакумар К. Взаимодействие стратосферы и тропосферы. – М.: Физматлит, 2011. 452 с.

  3. Хргиан А.Х. Физика атмосферного озона. – Л.: Гидрометеоиздат, 1973. 291с.

  4. Перов С.П., Хргиан А.Х. Современные проблемы атмосферного озона. – Л.: Гидрометеоиздат, 1980. 288 с

  5. Стехелин И. Глобальный мониторинг атмосферного озона // Бюллетень WMO. 2008. Т. 57. № 1. С. 45–54

  6. Тимофеев Ю.М. Глобальная система мониторинга параметров атмосферы и поверхности. – СПб: Изд-во Санкт-Петербург. ун-та, 2009. 129 с.

  7. Зуев В. В., Зуев В. Е. Климатология стратосферного аэрозоля и озона по данным многолетних наблюдений на Сибирской лидарной станции // Оптика атмосферы и океана. 2003. Т. 16. № 8. С. 719–724

  8. Кашкин В.Б., Сухинин А.И. Дистанционное зондирование Земли из космоса: Цифровая обработка изображений. – M.:Логос, 2001. 263 с.

  9. Косцов В.С., Поберовский А.В., Осипов С.И., Тимофеев Ю.М. Комплексная методика интерпретации наземных микроволновых спектральных измерений в задаче определения вертикального профиля содержания озона // Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25. № 4. С. 354–360.

  10. Зуев В.Е., Макушкин Ю.С, Пономарев Ю.Н. Спектроскопия атмосферы. Серия: Современные проблемы атмосферной оптики. – Л.: Гидрометеоиздат, 1987. Т. 3. 248 с

  11. Гущин Г.П., Виноградова Н.Н. Суммарный озон в атмосфере. – Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 238 с.

  12. Кароль И.Л., Розанов В.В., Тимофеев Ю.М. Газовые примеси в атмосфере. – Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 192 с.

  13. Ионов Д.В., Тимофеев Ю.М., Шаламянский А.М. и др. Глобальный мониторинг атмосферных содержаний озона и NO2 по данным спутникового эксперимента GOME: анализ точности // Физическая мысль России. 2002. № 2. С. 158–165.

  14. Экологический портал: [Режим доступа]. URL: https://www.infoeco.ru/index.php?id=53

  15. Спектра анализ: [Режим доступа]. URL: https://spectranalit.ru/articles/chto-takoe-gazoanalizatory/

Просмотров работы: 113