Исследование Земли из Космоса, 2023, № 2, стр. 3-15

Аэрозольная оптическая толща атмосферы в районе п. Торы

Аэрозоли (от греч. – воздух; нем. – коллоидный раствор) – твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в газообразной среде. Аэрозольная оптическая толщина (АОТ) вычисляется как логарифм пропускания столба атмосферы за вычетом рэлеевского рассеяния воздуха и вкладов от ослабления света парниковыми газами. Эта величина характеризует уменьшение прозрачности атмосферы за счет рассеяния и поглощения света на частицах аэрозоля. Чем выше концентрация частиц в воздухе, тем выше АОТ. АОТ на длине волны 500 нм позволяет оценить вклад аэрозольной составляющей в радиационный баланс атмосферы. К сожалению, использование солнечного фотометра не позволяет его применять ночью, а также в дождливую и пасмурную погоду.

Данные AERONET находятся в свободном доступе на сайте (https://aeronet.gsfc.nasa.gov/). В работе использовались данные АОТ AERONET уровня 1.5 версии 3.0 на длине волны 500 нм. На рис. 3 показан график вариаций АОТ (рис. 3, а), гистограмма единичных измерений N фотометра по месяцам за 2010–2021 гг. (рис. 3, б), график многолетних среднемесячных значений АОТ с отклонениями от средних значений (рис. 3, в) по наземным измерениям фотометра на станции сети AERONET “Иркутск” в п. Торы. Наибольшие вариации значений АОТ в пределах года отмечены для 2021, 2017, 2016, 2014 и 2012 гг. Для сезонных вариаций локальные максимумы принадлежат августу 2021 г. и июлю 2016 г. Многолетние сезонные вариации значений АОТ (рис. 3, в) характеризуются ростом значений в летние месяцы с максимумом в августе, уменьшением значений АОТ осенью и весной. Для весны есть локальный минимум в мае и локальный максимум в апреле.

Рис. 3.

а – Вариации значений АОТ (500 нм), б – количество многолетних измерений фотометра по месяцам, в – многолетние среднемесячные значения АОТ и многолетние среднемесячные значения α (г) по наземным измерениям в п. Торы в 2010–2021 гг.

Идентификация некоторых параметров аэрозоля по данным AERONET в районе п. Торы

Параметр Ангстрема. Определение типа аэрозоля в атмосфере важно для получения информации о качестве воздуха, источниках загрязнения. В стандартную интерпретацию данных AERONET, помимо АОТ, входят следующие два параметра: спектральная зависимость АОТ от длины волны α = –lg(АОТ_λ/АОТ_λ0)/lg(λ/λ₀) – параметр Ангстрема, и альбедо однократного рассеяния (АОР, SSA- single scattering albedo) (Eck et al., 1999). По наземным измерениям солнечными фотометрами сети станций AERONET можно выделить основные типы аэрозоля по спектральной зависимости АОТ от длины волны в интервале длин волн 440–870 нм (Giles et al., 2012).

Параметр Ангстрема α характеризует степень дисперсности частиц в атмосфере. Чем меньше параметр Ангстрема, тем больше размер частиц. Так, значения α меньше 1.0 указывает на преобладание крупных по размеру частиц с радиусом от 0.5 мкм. При значениях α выше 2.0 аэрозоль мелкодисперсный (Schuster et al., 2006).

По значениям АОР определяют поглощающие свойства аэрозоля. Чем ближе значение АОР к 1, тем преобладают рассеивающие частицы в аэрозолях. При значениях АОР вблизи 0 указывает на преобладание поглощающих частиц. Примером работы, где рассматривались аэрозольные оптические характеристики по данным измерений солнечным фотометром CIMEL, является работа авторов (Волкова и др., 2018) для района вблизи Санкт-Петербурга.

На рис. 3, г приведен график многолетних среднемесячных значений параметра Ангстрема α по измерениям фотометра на станции сети AERONET “Иркутск” в п. Торы за 2010–2021 гг. Значения α больше 1, т.е. в атмосфере преобладают мелкодисперсные частицы. Максимальное многолетнее среднемесячное значение α отмечаем в июне α = 1.65 ± 0.3 со снижением значений α весной и осенью.

Функция распределения частиц аэрозоля по размеру. Свойства аэрозоля восстанавливаются с помощью алгоритма инверсии, разработанного Dubovic and King (2000). Дальнейшие алгоритмы Dubovic et al. (2006) были разработаны для учета несферической формы аэрозольных частиц, таких как минеральная пыль.

Функция распределения частиц аэрозоля по размеру d V(r)/d ln(r) (мкм или мкм³/мкм²), восстановленная по инверсии из данных AERONET, имеет бимодальный характер с первым максимумом при значениях r от 0.05 до 0.5 мкм и вторым максимумом при значениях r от 0.5 до 10 мкм. Профили функции сильно различаются для ясных дней и дней с загрязненной атмосферой. Во втором случае растет АОТ, уменьшается α, что свидетельствует о наличии крупнодисперсных частиц.

На рис. 4, а, 4, б, 4, в приведены графики объемного распределения частиц аэрозоля по размеру для трех дат, которые выбирались по максимальным значениям АОТ для 2010–2021 гг. (см. рис. 3, а). Графики даны для 9 июня 2016 г. (рис. 4, а) со значением АОТ = 1.674 и значением α = 0.326, и для 23 июля 2016 г. (рис. 4, б) со значением АОТ = = 2.558 и α = 1.35. Для 9 июня субмикронная фракция аэрозоля практически исчезла и доминирует крупнодисперсная фракция аэрозоля, что согласуется с малым значением показателя Ангстрема. На рис. 4, в приведен график функции распределения частиц аэрозоля по размеру для 8 августа 2021 г., для которого есть абсолютный максимум значений АОТ = 3.25 за период 2010–2021 гг. (рис. 3, а). Здесь при очень сильном загрязнении атмосферы доминируют мелкодисперсные частицы, судя по значению параметра Ангстрема α = 1.45. Для всех трех дат АОР близко к 1, т.е. преобладает рассеяние.

Рис. 4.

Графики функции распределения частиц аэрозоля по размеру и значений n и k для 9/06/16, 23/07/16 и 08/08/21 по наземным измерениям в п. Торы.

Однако, как отмечено в работе (Абдуллаев и др., https://inis.iaea.org/collection/NCLCollectionStore/_ Public/50/030/50030162.pdf), не следует строго связывать уровень запыленности с формой спектра размеров частиц, поскольку необходимо учитывать влияние влажности и других параметров.

Еще одним свойством аэрозоля, восстанавливаемым с помощью алгоритма инверсии, является комплексный показатель преломления частиц m = n – ik, который определяет соотношение между поглощаемой и рассеиваемой частицами радиацией, где n – показатель преломления и k – показатель поглощения. Оба параметра зависят от химического состава аэрозолей. На рис. 4, г показана зависимость данных параметров от длины волны (от 440 до 1020 нм) для трех дат 9 июня, 23 июля 2016 г. и 8 августа 2021 г. для времени суток 9:49:20, 9:42:18, 9:23:40, соответственно. Действительная часть представлена сплошными линиями, мнимая часть k – пунктирными. Для рассматриваемых дат n убывает с ростом λ, а k растет.

В табл. 2 приведены аэрозольные оптические характеристики атмосферы для трех дат по наземным измерениям на станции сети AERONET в п. Торы.

Для рассматриваемых дат параметры аэрозолей можно разделить на две группы: 1 группа – для 9.6.16 и 2 группа – для 23.7.16 и 8.8.21. Для 9 июня субмикронная фракция аэрозоля практически исчезла (рис. 4, а) и доминирует крупнодисперсная фракция аэрозоля, что согласуется с малым значением показателя Ангстрема α. Для второй группы характерно высокое значение параметра Ангстрема, т.е. преобладание мелкодисперсного аэрозоля рассеивающего типа.

Спутниковая оценка значений АОТ

Как отмечено во введении, Иркутская область и Бурятия принадлежат к территориям с высоким уровнем ЗА, и за последние годы по этому показателю находятся в России на 5 и 6 месте, соответственно. Рассмотрим изменение значений АОТ и СО за период 2010–2021 гг. для нескольких городов, входящих в список городов с высоким уровнем ЗА – это Иркутск, Зима, Вихоревка, Селенгинск, Улан-Удэ. Кроме этих городов, включим в исследование два города, находящихся в направлении на северо-восток от Братска, а именно, Железногорск-Илимский и Усть-Кут, отсутствующих в указанном списке. Вариации АОТ и СО для данных территорий определялись на основе системы анализа и визуализации данных Giovanni (https://giovanni.gsfc.nasa.gov/giovanni/). На рис. 6 показаны сезонные (рис. 6, а) и многолетние среднемесячные (рис. 6, б) значения АОТ за период 2010–2021 гг. для Иркутска, Селенгинска, Вихоревки и Железногорска-Илимского по данным прибора MODIS спутника Terra. Использовался продукт MOD08_M3 v6.1, ПР 1° × 1°, длина волны 550 нм. Для Зимы графики значений АОТ схожи с соответствующими графиками для Иркутска, графики АОТ для Улан-Удэ схожи с графиками для Селенгинска, графики для Усть-Куты схожи с графиками для Железногорска-Илимского.

Рис. 6.

Сезонные и многолетние среднемесячные значения АОТ.

Рассматриваемые территории по вариациям значений АОТ можно разделить на две группы: 1 – Иркутск, Зима, Селенгинск, Улан-Удэ, 2 ‒ Вихоревка, Железногорск-Илимский, Усть-Кут. Общим для этих двух групп является типичное сезонное поведение АОТ, а именно, рост значений для летнего сезона и достижение максимальных значений АОТ в июле–августе (Тащилин и др., 2021). В табл. 4 приведены для каждого пункта два наибольших среднемесячных значений АОТ за период 2010–2021 гг. Отличие состоит в максимальных сезонных значениях АОТ, которые для первой группы не превышают 1, для второй группы больше 1. Отметим, что для Якутска в период лесных пожаров 2021 г., максимальное среднемесячное значение АОТ было порядка 1.2 в июле и порядка 1 в августе (Родионова, 2022).

Многолетние среднемесячные значения АОТ для этих групп также различаются (рис. 7, а), а именно, для первой группы (сплошные линии) максимальные значения не превышают 0.3, для второй группы (пунктирные линии) достигают 0.5.

Рис. 7.

Многолетние среднемесячные значения и межгодовые вариации АОТ для нескольких городов Иркутской области и Бурятии.

Для межгодовых вариаций АОТ (среднее с мая по октябрь) (рис. 7, б) характерно зигзагообразное поведение с локальными максимумами АОТ для всех рассматриваемых пунктов в 2016, 2019 и 2021 гг. и локальными минимумами в 2010, 2017 и 2020 гг. Отметим уменьшение межгодового значения АОТ для Иркутска с 0.278 в 2012 г. до 0.14 в 2020 г. (почти в 2 раза), что среди прочего могло послужить основанием перевода Иркутска из категории городов с очень высоким уровнем ЗА в категорию городов с высоким уровнем загрязнения. Однако в 2021 г. межгодовое значение АОТ для Иркутска выросло и составляло 0.22.

Спутниковая оценка значений содержания в атмосфере угарного газа

В табл. 1 для городов с высоким уровнем ЗА (Иркутск, Зима, Вихоревка) среди веществ, определяющих это загрязнение, присутствует угарный газ, поступающий в атмосферу в результате процессов горения. В данной работе приведены вариации общего содержания СО в атмосфере за 2010–2020 гг. для этих пунктов и некоторых других, рассмотренных выше. Значения общего содержания СО в атмосфере получены по измерениям прибора MOPITT спутника Terra (NASA/LARC/SD/ASDC, 2000). Прибор MOPITT (Measurements of Pollution in the Troposphere) осуществляет надирные измерения в ИК диапазоне 4.7 и 2.2–2.4 мкм с ПР в горизонтальной плоскости 22 км. Измерения MOPITT представлены на сайте системы анализа и визуализации данных Giovanni (https://giovanni.gsfc.nasa.gov/giovanni/), где эти данные приведены по март 2021 года. Использовался объединенный продукт MOPITT TIR+NIR (тепловой и ближний ИК) Multispectral CO Total Column MOPO3JM v008 со среднемесячными данными, осредненными по площадке с исследуемым пунктом в центре. Выбор объединенного продукта связан с тем, что на основе результатов работы (Трифонова-Яковлева и др., 2021) мультиспектральный продукт дает лучшее согласие с наземными измерениями.

На рис. 8, а приведены графики сезонных вариаций общего содержания СО в столбе атмосферы (ОССОСА) для Иркутска, Вихоревки и Селенгинска за период 2010–2021 гг. и на рис. 8, б – графики многолетних среднемесячных значений с отклонением от среднего значения. Сезонный ход по многолетним среднемесячным значениям ОССОСА имеет максимум весной: в апреле для Иркутска и Вихоревки и в мае для Селенгинска. Далее происходит уменьшение значений с локальным минимумом в июне, июле и локальным максимумом в августе для городов вблизи Байкала. Осенью происходит уменьшение значений с минимумом в октябре и последующим ростом значений для зимы. Данный сезонный ход имеет отдельные сходства с приведенным графиком (для месяцев с марта по сентябрь) в работе (Трифонова-Яковлева и др., 2021) для района Екатеринбурга с максимумом весной (апрель) и минимумом в июне. Отличием является рост значений общего содержания СО в столбе атмосферы в сентябре (Екатеринбург), тогда как для Иркутской области происходит уменьшение значений. Следует отметить абсолютный максимум сезонных значений ОССОСА для Селенгинска, равный 3.75 × 10¹⁸ мол/см² для августа 2015 г. и многолетний сезонный максимум ОССОСА для мая (2.57 ± 0.37) ×10¹⁸ мол/см². В первом случае максимум связан с аномальными лесными пожарами весной–летом 2015 г. в Байкальском регионе (Родионова, 2016). По многолетним сезонным значениям ОССОСА вторым по максимуму является Иркутск со значением в апреле (2.36 ± ± 0.24) ×10¹⁸ мол/см². Для Вихоревки соответствующее значение ОССОСА составляет (2.27 ± ± 0.07) ×10¹⁸ мол/см² для апреля.

Рис. 8.

Сезонные и многолетние сезонные вариации ОССОСА за 2010–2020 гг.

Межгодовые вариации ОССОСА для рассмотренных территорий показаны на рис. 9. Для Иркутска есть заметный отрицательный тренд в 0.2 × 10¹⁸ мол/см² с 2010 по 2020 гг. с малыми вариациями межгодовых значений за последние три года. Это один из показателей, позволивший вывести Иркутск из категории городов с очень высоким уровнем ЗА. Для Вихоревки есть слабый отрицательный тренд для межгодовых вариаций ОССОСА, однако отмечен заметный рост на 0.1 × 10¹⁸ мол/см² c 2019 по 2020 гг. Для Селенгинска межгодовые тренды не отмечены при наличии абсолютного максимума значений ОССОСА в 2015 г. Для Железногорска-Илимского также не отмечены межгодовые тренды значений ОССОСА, но, как и для Вихоревки, есть заметный рост с 2019 по 2020 гг. ОССОСА на 0.14 ×10¹⁸ мол/см².

Рис. 9.

Межгодовые вариации ОССОСА для периода 2010–2020 гг.