Экология

Международные эксперименты "Тройка"

С 1995 г. в нашей стране проходили международные эксперименты "Тройка" (Transcontinental Observations into the Chemistry of the Atmosphere) по отработке методики наблюдения за атмосферой с подвижной платформы. Инициаторами этого проекта стали директор Института физики атмосферы (ИФА) им. А. М. Обухова РАН академик Г. С. Голицын и директор Института химии Макса Планка (ИХМП), лауреат Нобелевской премии П. Крутцен (Германия). В подготовке участвовали также представители Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта во главе с его директором доктором технических наук Л. А. Лисицыным.

Основной экологический фактор, влияющий на здоровье человека, природную среду, экономику, - качество приземного воздуха. Главные источники его загрязнения сосредоточены в городах и промышленных зонах, где наиболее высока и плотность населения. Поэтому результаты наблюдений курсировавшей по таким регионам единственной в мире лаборатории на колесах находились в центре внимания международного научного коллектива. Первый же рейс, совершенный специалистами ИФА РАН, подтвердил высокую эффективность использования подвижной платформы на обширных континентальных пространствах. В этой поездке от Москвы до Хабаровска регистрировали метеорологические параметры, содержание озона, оксидов азота в воздушной среде, влияние на нее солнечной радиации. С 1996 г. в экспедиции включились ученые ИХМП, с 1997-го - Физико-химического научно-исследовательского института им. Л. Я. Карпова (НИФХИ), а с 2001 г. - Лаборатории мониторинга и диагностики климата (США). Группу немецких коллег возглавил профессор Дж. Лелиевельд (ныне директор ИХМП), американских - доктор Дж Элкинс, НИФХИ - кандидат физико-математических наук А В. Андронова. Общее руководство экспериментами "Тройка" поручили доктору физико-математических наук Н. Ф. Еланскому (ИФА РАН).

Осуществлено шесть поездок по Транссибирской магистрали - от Москвы до Хабаровска, Владивостока и обратно. Кроме того, в 2000 г. выполнена сложная программа с целью разделить антропогенные и природные источники метана, оксида и диоксида углерода, органических соединений. Данные исследования проводили на Кольском полуострове, в Центральном районе, окрестностях Кисловодска и горах Северного Кавказа в весенний период, когда фотохимическая система атмосферы переходит от зимнего режима к летнему.

Для контроля за состоянием атмосферы и прогноза возникновения опасных ситуаций важно знать концентрацию газовых и аэрозольных примесей, термодинамические, радиационные, метеорологические параметры и обрабатывать полученные данные с привлечением методов численного моделирования. И это было по силам передвижной лаборатории, оснащенной современным оборудованием, способной в непрерывном режиме измерять весь комплекс необходимых характеристик, в отличие от разрозненных стационарных пунктов, возможности которых ограничены. Кроме того, пересекая несколько раз обследуемую территорию при разных направлениях ветра, поезд преодолевал шлейфы загрязнения от многих источников, что позволило их локализовать и систематизировать. Наконец, двигаясь по железным дорогам, сравнивали экологическую ситуацию в регионах, а благодаря многократным замерам оценивали тенденции ее изменения.

Все виды транспорта, теплоэлектроцентрали и промышленные предприятия выделяют в немалом объеме (в нашей стране 4 млн. т в год) оксиды азота - ключевые элементы окислительных процессов в атмосфере. Они быстро разрушаются, следовательно, распространяются недалеко от места выхода, но при значительных концентрациях негативно сказываются на здоровье людей. Лаборатория на колесах - уникальное по эффективности средство наблюдения за содержанием в воздухе этих газов. Скажем, в ходе работ было выявлено, что вблизи источника эмиссий (выбросов) уровень оксида азота выше, чем диоксида. Там же, где, наоборот, преобладает последний, в атмосфере протекают активные окислительные реакции.

Опасны для всего живого и большие количества летучих органических соединений (метанол, ацетонитрил, ацетальдегид, изопрен, растительные спирты, бензолы, толуол и т.д.), многие из которых обладают токсичными, мутагенными и канцерогенными свойствами. Распадаясь, они образуют активные радикалы, определяющие химические процессы в атмосфере и ее состав. В России регулярный мониторинг таких примесей не ведут, практически нет сведений об их естественных и техногенных источниках, в том числе и в сопредельных государствах. Пробел помогли восполнить исследователи передвижной лаборатории.

Благодаря собранной ими информации можно даже прогнозировать чрезвычайные ситуации, например связанные с накоплением в природной среде газообразных токсичных веществ. Одно их них, трихлоруксусная кислота - продукт взаимодействия относительно безопасных соединений - наносит большой вред растениям: у них повышается влагоотдача и снижается усвояемость углекислого газа. Значительное содержание в воздухе данного пестицида вызывает гибель лесов, что имеет место сейчас в Центральной Европе. Грозит ли подобная катастрофа тем или иным нашим регионам, могут дать ответ расчеты на основе данных экспериментов "Тройки".

Начиная с 1996 г. участники экспедиции изучали концентрацию в атмосфере аэрозолей, их микрофизические и химические свойства. Эти дисперсные системы определяют "оптическую погоду" нашей планеты и климат, баланс многих газов, переносят химически активные и токсичные вещества на своих частицах. Не случайно данное направление работ стало одним из главных для сотрудников лаборатории на колесах. В ней установили автоматизированный приборный комплекс, позволяющий вести наблюдения в режиме реального времени и имеющий выход в Интернет (разработчик - НИФХИ). В него входят устройство для измерения массовой концентрации (г/м ³ ) частиц размером 0,05 - 15 мкм (период регистрации - 10 с и более); лазерный, фотоэлектрический и электростатический анализаторы спектра частиц диаметром 0,15 - 1, 0,5 - 15 и 0,005 - 1 мкм соответственно, пробоотборники.

Благодаря применению этой аппаратуры подвижная лаборатория впервые собрала информацию о характеристиках аэрозолей над континентальным пространством протяженностью более 8000 км. Выделены крупные промышленные районы со свойственными только им загрязнениями. Обнаружено: их содержание в воздухе в летний период изменялось от 20 - 30 (дневные часы) до 30 - 40 мкг/м ³ (ночные). В шлейфах эмиссий индустриальных центров и городов оно достигало 100 - 120 мкг/м ³ , хотя в выходные дни снижалось в несколько раз по сравнению с рабочими. Резко возрастал тот же показатель (в отдельных случаях до 800 мкг/м ³ ) из-за лесных пожаров. Чтобы оценить экологическую обстановку в регионах и выявить источники выбросов аэрозолей, на местах брали пробы воздуха и фунта, а затем в стационарных условиях проводили химический анализ с применением нейтронно-активационного, рентгеноструктурного методов, электронной микроскопии, инфракрасной спектроскопии.

Распределение оксидов азота между Москвой и Хабаровском.

Распределение концентраций грибных спор вдоль трассы Москва- Владивосток.

Сильным загрязнителем служат сажевые частицы. Они абсорбируют и переносят вредные вещества техногенного происхождения, нередко имеют токсичные и канцерогенные свойства, являются катализатором химических реакций в атмосфере, к тому же участвуют в формировании климата, поскольку хорошо поглощают солнечную радиацию. Участники экспедиций "Тройка" измеряли концентрацию этого аэрозоля с интервалом 1 ч вдоль Транссибирской магистрали и трассы Мурманск-Кисловодск. Пробы собирали на кварцевые волоконные фильтры, затем определяли поглощение ими света. Оказалось: в европейской части страны уровень загрязнения сажей составил 1 - 2 мкг/м ³ , хотя на участках железных дорог, где используются тепловозы, он увеличивается на порядок.

Наблюдения на обширных пространствах нашей страны выявили крупномасштабные неоднородности распределения данной примеси, связанные с синоптическими и метеорологическими процессами. Так, ее содержание в воздухе возрастало с уменьшением скорости ветра. Другая причина генерации сажевых частиц - травяные пожары.

Важную задачу представляет собой идентификация и измерение накопления биологических аэрозолей: вирусов, спор грибов, бактерий, пыльцы цветов и т.д. Среди них есть возбудители особо опасных заболеваний человека, животных и растений, аллергены, токсинопроизводители, микроорганизмы, вызывающие биологические повреждения. Атмосферный мониторинг спор грибов с 1996 г. ведут сотрудники биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова. В контакте с ними действовал и коллектив "Тройки", располагавший необходимым оборудованием. Входе совместной работы ученые выявили основные закономерности распространения пыльцы и спор вдоль трассы Москва-Владивосток, различия состава их "букетов" для зон интенсивного сельскохозяйственного землепользования (европейская часть России, Тюменская область) и малонаселенных районов (Забайкалье).

Существенно воздействуют на атмосферные (в том числе радиационные) процессы и на химический состав приземного воздуха парниковые газы. Скажем, изменение содержания углекислого газа больше всего отражается на климате. А роль оксида углерода важна тем, что его окисление ведет к образованию озона, высокие концентрации которого вредны для растительного и животного мира, здоровья человека. Значительные же накопления метана в случаях техногенных аварий чреваты угрозой взрыва*. Участники экспедиций дали оценку выбросов всех этих примесей на территории, прилегающей к Транссибирской магистрали. В результате максимальные эмиссии углекислого газа зарегистрированы на Дальнем Востоке, оксида углерода - в центральных районах страны (влияние транспорта и промышленности) и на юге Восточной Сибири (следствие лесных пожаров и регулярных заносов из Китая продуктов горения сельскохозяйственных отходов), метана - также в центре страны и в Западной Сибири. Причем главным образом он выделяется из болот и увлажненных почв, а также очистных сооружений и мусорных свалок, случаются его утечки при добыче и транспортировке природного газа.

Чтобы идентифицировать антропогенные и естественные источники и оценить долю метана, оксида углерода в балансе парниковых газов, специалисты передвижной лаборатории брали пробы воздуха. Проведенный затем в ИХМП их изотопный анализ подтвердил природное происхождение подавляющего количества данных соединений.

Следует иметь в виду, что в России добыча природного газа будет возрастать, намечено освоение новых крупных месторождений, строительство проводящих сетей. Поэтому в интересах населения страны - обеспечение контроля за функционированием соответствующей составляющей энергетической отрасли. Передвижная лаборатория продемонстрировала, что может оказать реальную помощь в решении этой задачи. Многократные пересечения мест расположения трубопроводов позволили обнаружить участки нарушения их герметичности и тем самым предотвратить возникновение взрывов и пожаров. Наблюдения вели с использованием специально созданного автоматизированного комплекса методом газовой хроматографии. Итогом стала экспертная оценка техногенных утечек метана, показавшая, что их объем значительно ниже, чем прогнозировали зарубежные специалисты.

В число парниковых газов входит и озон, как сильнейший окислитель, определяющий химический состав воздуха, кроме того, обладающий токсичными свойствами. За XX столетие его концентрация выросла вдвое, достигнув в отдельных промышленных районах опасных величин, более неоднородным стало и пространственное распределение. Чтобы оценить этот показатель, сведений, поступающих от нескольких стационарных станций, недостаточно. С такой задачей успешно справилась лаборатория на колесах, впервые собравшая информацию о континентальных особенностях распространения, переносе предшественников этой модификации кислорода, фотохимических процессах ее генерации, разрушения и т.д. Ведь по колебаниям содержания в воздухе озона можно судить о динамических преобразованиях в области температурной инверсии**, поскольку под ее слоем ночью он распадается. А в итоге это позволяет точнее прогнозировать изменения состава атмосферы и климата.

Особое внимание участники экспериментов уделяли изучению концентраций озона, превышающих предельно допустимые. Они часто имеют место при возгораниях промышленных объектов, лесных пожарах, вблизи высоковольтных линий электропередач, а также в крупных городах и индустриальных центрах при определенных метеорологических условиях в дневное время. Для наблюдения за этими явлениями лаборатория располагала фиксирующими даже слабые эффекты откалиброванными высокоточными приборами, методическим и программным обеспечением, позволяющим в оперативном режиме обнаруживать потенциально опасные очаги загрязнения воздуха, прогнозировать развитие неблагоприятных экологических ситуаций и их возможные последствия.

Если в приземном воздухе озон может оказаться нашим врагом, то на высоте 10 - 50 км его слой защищает все живое от вредной коротковолновой ультрафиолетовой солнечной радиации. Вот почему одной из важнейших экологических задач является контроль за выбросами озоноразрушающих веществ, в частности хлорфторуглеродов (фреонов), галонов и других галогенсодержащих соединений. Свою лепту в ее решение внесли и участники эксперимента "Тройка", в частности группа американских специалистов. В 2001 г. они провели беспрецедентные наблюдения на всем протяжении трассы Москва-Хабаровск (свыше 8000 км) и с помощью четырехканального газохроматографического комплекса ACATS-IV, установленного в режиме непрерывных измерений, определили концентрацию 11 важнейших озоноразрушающих веществ и парниковых газов. Расчеты на основе полученных данных показали: вклад России в глобальное загрязнение атмосферы метилхлороформом, тетрахлорметаном, фреоном-11 весьма небольшой, галоном-1211 и фреоном-113 - несколько выше, а фреоном-12 - значителен. Последнее может быть вызвано утечками из старых холодильников и продолжающимся их производством.

3 июля 1999 г. в городах Хабаровского края уже в утренние часы наблюдались повышенные концентрации озона, связанные с выбросами из ближайших источников.

Следует отметить: для наблюдения за распространением вредных летучих примесей весьма полезны радиоактивные метки - в первую очередь благородные газы радон и торон. Они поднимаются с поверхности земли, перемещаются под действием метеорологических факторов и не вступают ни в какие химические реакции. Вот почему по их движению несложно проследить пути воздушных масс.

Комплекс аппаратуры вагона-лаборатории располагает возможностями дистанционного зондирования атмосферы и исследования содержания химически и климатически активных газов во всей ее толще. Благодаря этому ученые измерили вертикальные распределения озона и диоксида азота, изучили физико-химические свойства аэрозолей до высоты 45 - 50 км в районах, не охваченных стационарной сетью глобального мониторинга воздушной среды. Кроме того, специалисты обрабатывали полученные со спутников данные о концентрации в атмосфере этих веществ и калибровали (поверка и приведение к единым мерам) приборы, необходимые для подобных целей. Главный вывод проделанной работы состоял в том, что методики, используемые на наземных станциях, оказались вполне пригодны и для подвижной платформы.

Именно с помощью лаборатории на колесах удалось определить степень загрязнения природной среды на территории функционирования железнодорожного транспорта. Для этого отбирали пробы фунта, воздуха и поднимающегося при движении поезда аэрозоля. Исследования с помощью радиометра-спектрометра гамма-излучения показали: в этот состав входит множество элементов с различными значениями коэффициента обогащения (степень концентрации): ниже 10 данный показатель у частиц почвы (кремний, железо, калий, кальций, титан), порядка 10 - у элементов разнородного происхождения (никель, магний, марганец, барий, стронций, фосфор, цинк, свинец), а выше 10 - в основном у техногенных частиц (цезий, сера, хлор, бром, медь, ванадий). Причем элементы последней группы входят в наимельчайшие фракции, переносящиеся на огромные расстояния, значит, их источник может находиться вдали от места обнаружения.

Выяснилось, что химический состав фунта на путях Транссибирской магистрали отличается высокой загрязненностью тяжелыми металлами. На большинстве станций концентрация меди, никеля, цинка, ванадия и свинца превышает предельно допустимую в 5 и более раз, марганца - в 2 - 3 раза.

Сильно ухудшает экологическую обстановку и использование подвижного состава на дизельной тяге. В частности, на отрезке пути близ Петрозаводска, где курсирует такой транспорт, измерения выявили не менее чем 40-кратное увеличение содержания в воздухе оксида углерода и сажи по сравнению с электрифицированными дорогами.

Перед участниками экспедиций возникал и такой вопрос: не искажаются ли данные измерений под влиянием движения как встречных поездов, так и самой лаборатории? Поэтому были проанализированы и сопоставлены их показания на участках торможения, во время стоянок и при разгоне. Оказалось: в целом различия очень малы, обращает на себя внимание лишь некоторое повышение концентрации оксидов азота вблизи населенных пунктов и увеличение вертикального перепада температуры - отрицательного днем и положительного ночью. Влияние же проходящих составов незначительно. Следовательно, наблюдения с движущейся платформы в основном отражают фоновое состояние атмосферы.

В 2002 г., когда эксперименты "Тройка" были закончены, ученые продолжили работу в Москве на станции мониторинга состава воздушной среды МГУ им. М. В. Ломоносова, поскольку она служила базой для технического оснащения передвижной лаборатории. В промежутках между рейсами часть приборов последней была задействована в программе комплексных наблюдений за экологической обстановкой в Москве, а также проходила необходимое техническое обслуживание, процедуры поверок и калибровок. А несколько позже в столице начали непрерывные измерения концентраций озона, оксидов азота, оксидов углерода, метана, аэрозоля, метеорологических и радиационных параметров, позволившие проследить внутригодовую и суточную изменчивость атмосферных примесей, в том числе динамику загрязнения воздуха над городом.

Важные данные получены летом и осенью 2002 г.: тогда в Московской области бушевали торфяные и лесные пожары, дым от которых в отдельные дни накрывал весь мегаполис. Концентрация газовых примесей часто превышала предельно допустимую, видимость снижалась до 200 м. Выделение угарного газа, летучих органических соединений и метана способствовало генерации других опасных веществ, в том числе озона.

Ныне вагон-лаборатория существенно модернизирована, насыщена более совершенными приборами, приняла новых членов. Теперь она по праву называется передвижной обсерваторией и должна стать центральным звеном системы мониторинга воздушной среды, в которую также войдут еще две станции: высокогорная Кисловодская и Сибирская, создаваемая сейчас в 500 км от Красноярска.

* См.: Г. С. Голицын. Метан... и парниковый эффект. - Наука в России, 2002, N 6

** Инверсия температуры - повышение ее с высотой в некотором слое атмосферы вместо обычного понижения

О. В. БАЗАНОВА, журналист