Том 35, номер 12, статья № 12

Аннотация:

В настоящее время вклад источников аэрозолей в загрязнение Российского сектора Арктики сильно недооценен. В августе 2019 г. на о-ве Белом (Карское море), находящемся на пути переноса воздушных масс из индустриальных районов Западной Сибири в Арктику, установлена новая полярная аэрозольная станция МГУ. Непрерывные аэталометрические измерения короткоживущего климатического трассера – черного углерода (с августа по декабрь 2019 г. и с января по ноябрь 2020 г.), показали его сезонную изменчивость с высокими значениями в декабре – апреле (60 ¸ 92 нг/м³) и низкими в июне – сентябре (18 ¸ 72 нг/м³). Идентифицированы периоды загрязнений. Рассчитано региональное распределение источников сжигания различного природного топлива и биомасс методом отнесения траекторий переноса воздушных масс к измеряемым концентрациям черного углерода. Выяснено, что влияние факельного сжигания газа нефтегазодобывающих регионов Западной Сибири, Поволжья, Урала и Республики Коми наиболее значительно в холодный период года, а дымовых эмиссий пожаров – в теплый. Индикатор влияния сжигания биомасс, определенный по разнице измерений в широком спектре длин волн, указал на преобладающее влияние сжигания древесины в жилом секторе в холодный период и сельскохозяйственных и лесных пожаров в теплый.

Ключевые слова:

Арктика, черный углерод, эмиссии, сжигание природного топлива, лесные пожары, сезонные тренды

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Quinn P.K., Stohl A., Arneth A., Bernsten T., Burhart J., Christensen J., Flanner M., Kupiainen K., Lihavainen H., Sheppherd M., Shevchenko V.P., Skov H., Vestreng V. The Impact of Black Carbon on Arctic Climate (2011). Oslo: Arctic Monitoring and Assessment Programme (AMAP), 2011. 72 p.
2. Wang Q., Jacob D.J., Fisher J.A., Mao J., Leibensperger E.M., Carouge C.C., Le Sager P., Kondo Y., Jimenez J.L., Cubison M.J., Doherty S.J. Sources of carbonaceous aerosols and deposited black carbon in the Arctic in winter–spring: Implications for radiative forcing // Atmos. Chem. Phys. 2011. V. 11. P. 12453–12473.
3. Ren L., Yan Y., Wang H., Zhang R., Wang P., Liao H. Source attribution of Arctic black carbon and sulfate aerosols and associated Arctic surface warming during 1980–2018 // Atmos. Chem. Phys. 2020. V. 20. P. 9067–9085.
4. Flanner M.G. Arctic climate sensitivity to local black carbon // J. Geophys. Res.: Atmos. 2013. V. 118. P. 1840–1851.
5. Quinn P.K., Bates T.S., Baum E., Doubleday N., Fiore A.M., Flanner M., Fridlind A., Garrett T.J., Koch D., Menon S., Shindell D., Stohl A., Warren S.G. Short-lived pollutants in the Arctic: Their climate impact and possible mitigation strategies // Atmos. Chem. Phys. 2008. V. 8. P. 1723–1735.
6. Sandradewi J., Prévôt A.S., Szidat S., Perron N., Alfarra M.R., Lanz V.A., Weingartner E., Baltensperger U. Using aerosol light absorption measurements for the quantitative determination of wood burning and traffic emission contributions to particulate matter // Environ. Sci. Technol. 2008. V. 42. P. 3316–3323.
7. Grange S.K., Lötscher H., Fischer A., Emmenegger L., Hueglin C. Evaluation of equivalent black carbon source apportionment using observations from Switzerland between 2008 and 2018 // Atmos. Meas. Tech. 2020. V. 13. P. 1867–1885.
8. Yue S., Zhu J., Chen S., Xie Q., Li W., Li L., Ren H., Su S., Li P., Ma H. Brown carbon from biomass burning imposes strong circum-Arctic warming // One Earth. 2022. V. 5. P. 293–304.
9. Zhu C., Kanaya Y., Takigawa M., Ikeda K., Tanimoto H., Taketani F., Miyakawa T., Kobayashi H., Pisso I. FLEXPART V. 10. 1 simulation of source contributions to Arctic black carbon // Atmos. Chem. Phys. 2020. V. 20. P. 1641–1656.
10. Зенкова П.Н., Чернов Д.Г., Шмаргунов В.П., Панченко М.В., Белан Б.Д. Субмикронный аэрозоль и поглощающее вещество в тропосфере российского сектора Арктики по данным измерений самолета-лаборатории Ту-134 «Оптик» в 2020 г. // Оптика атмосф. и океана. 2021. Т. 34, № 11. С. 882–890; Zenkova P., Chernov D., Shmargunov V., Panchenko M., Belan B. Submicron aerosol and absorbing substance in the troposphere of the Russian Sector of the Arctic according to measurements onboard the Tu-134 Optik Aircraft Laboratory in 2020 // Atmos. Ocean. Opt. 2022. V. 35. P. 43–51.
11. Schmale J., Sharma S., Decesari S., Pernov J., Massling A., Hansson H.-C., Von Salzen K., Skov H., Andrews E., Quinn P.K. Pan-Arctic seasonal cycles and long-term trends of aerosol properties from 10 observatories // Atmos. Chem. Phys. 2022. V. 22. P. 3067–3096.
12. Paris J.-D., Stohl A., Nédélec P., Arshinov M.Y., Panchenko M., Shmargunov V., Law K.S., Belan B., Ciais P. Wildfire smoke in the Siberian Arctic in summer: source characterization and plume evolution from airborne measurements // Atmos. Chem. Phys. 2009. V. 9. P. 9315–9327.
13. Manousakas M., Popovicheva O., Evangeliou N., Diapouli E., Sitnikov N., Shonija N., Eleftheriadis K. Aerosol carbonaceous, elemental and ionic composition variability and origin at the Siberian High Arctic, Cape Baranova // Tellus B: Chem. Phys. Meteorol. 2020. V. 72. P. 1–14.
14. Сакерин С.М., Голобокова Л.П., Кабанов Д.М., Калашникова Д.А., Козлов В.С., Круглинский И.А., Макаров В.И., Макштас А.П., Попова С.А., Радионов В.Ф., Симонова Г.В., Турчинович Ю.С., Ходжер Т.В., Хуриганова О.И., Чанкина О.В., Чернов Д.Г. Результаты измерений физико-химических характеристик атмосферного аэрозоля на научно-исследовательском стационаре «Ледовая база “Мыс Баранова”» в 2018 г. // Оптика атмосф. и океана. 2019. Т. 32, № 6. С. 421–429; Sakerin S.M., Golobokova L.P., Kabanov D.M., Kalashnikova D.A., Kozlov V.S., Kruglinsky I.A., Makarov V.I., Makshtas A.P., Popova S.A., Radionov V.F., Simonova G.V., Turchinovich Yu.S., Khodzher T.V., Khuriganowa O.I., Chankina O.V., Chernov D.G. Measurements of physicochemical characteristics of atmospheric aerosol at research Station Ice Base Cape Baranov in 2018 // Atmos. Ocean. Opt. 2019. V. 32, N 5. P. 511–520.
15. Romanenkov V., Rukhovich D., Koroleva P., McCarty J.L. Estimating black carbon emissions from agricultural burning // Novel Measurement and Assessment Tools for Monitoring and Management of Land and Water Resources in Agricultural Landscapes of Central Asia. Switzerland: Springer, 2014. P. 347–364.  DOI: 10.1007/978-3-319-01017-5_20.
16. Cho M.-H., Park R.J., Yoon J., Choi Y., Jeong J.I., Labzovskii L., Fu J.S., Huang K., Jeong S.-J., Kim B.-M. A missing component of Arctic warming: Black carbon from gas flaring // Environ. Res. Lett. 2019. V. 14. P. 094011.
17. Stohl A., Klimont Z., Eckhardt S., Kupiainen K., Shevchenko V.P., Kopeikin V.M., Novigatsky A.N. Black carbon in the Arctic: The underestimated role of gas flaring and residential combustion emissions // Atmos. Chem. Phys. 2013. V. 13. P. 8833–8855.
18. Stohl A., Andrews E., Burkhart J., Forster C., Herber A., Hoch S., Kowal D., Lunder C., Mefford T., Ogren J. Pan-Arctic enhancements of light absorbing aerosol concentrations due to North American boreal forest fires during summer 2004 // J. Geophys. Res.: Atmos. 2006. V. 111. P. D11306.
19. Виноградова А.А. Эмиссии антропогенного черного углерода в атмосферу: распределение по территории России // Оптика атмосф. и океана. 2014. Т. 27, № 12. С. 1059–1065; Vinogradova A. Anthropogenic black carbon emissions to the atmosphere: Surface distribution through russian territory // Atmos. Ocean. Opt. 2015. V. 28, N 2. P. 158–164.
20. Popovicheva O.B., Evangeliou N., Eleftheriadis K., Kalogridis A.C., Sitnikov N., Eckhardt S., Stohl A. Black Carbon sources constrained by observations in the Russian High Arctic // Environ. Sci. Technol. 2017. V. 51. P. 3871–3879.
21. Schacht J., Heinold B., Quaas J., Backman J., Cherian R., Ehrlich A., Herber A., Huang W.T.K., Kondo Y., Massling A., Sinha P.R., Weinzierl B., Zanatta M., Tegen I. The importance of the representation of air pollution emissions for the modeled distribution and radiative effects of black carbon in the Arctic // Atmos. Chem. Phys. 2019. V. 19. P. 11159–11183.
22. Popovicheva O., Diapouli E., Makshtas A., Shonija N., Manousakas M., Saraga D., Uttal T., Eleftheriadis K. East Siberian Arctic background and black carbon polluted aerosols at HMO Tiksi // Sci. Total Environ. 2019. V. 655. P. 924–938.
23. Winiger P., Andersson A., Eckhardt S., Stohl A., Semiletov I.P., Dudarev O.V., Charkin A., Shakhova N., Klimont Z., Heyes C., Gustafsson Ö. Siberian Arctic black carbon sources constrained by model and observation // Proc. Nat. Acad. Sci. 2017. V. 114. P. E1054–E1061.
24. Winiger P., Andersson A., Eckhardt S., Stohl A., Gustafsson Ö. The sources of atmospheric black carbon at a European gateway to the Arctic // Nat. Commun. 2016. V. 7. P. 1–8.
25. Поповичева О.Б., Кобелев В.О., Синицкий А.И., Ситников Н.М., Чичаева М.А., Хансен А. Черный углерод городских эмиссий в Арктическом регионе по данным вблизи г. Салехарда // Оптика атмосф. и океана. 2020. Т. 33, № 9. С. 690–697.
26. Popovicheva O.B., Evangeliou N., Kobelev V.O., Chichaeva M.A., Eleftheriadis K., Gregorič A., Kasimov N.S. Siberian Arctic black carbon: Gas flaring and wildfire impact // Atmos. Chem. Phys. 2022. V. 22. P. 5983–6000.
27. Drinovec L., Močnik G., Zotter P., Prévôt A., Ruckstuhl C., Coz E., Rupakheti M., Sciare J., Müller T., Wiedensohler A. The “dual-spot” aethalometer: An improved measurement of aerosol black carbon with real-time loading compensation // Atmos. Meas. Tech. 2015. V. 5. P. 1965–1979.
28. Zhang Y., Schnelle-Kreis J., Abbaszade G., Zimmermann R., Zotter P., Shen R.R., Schaefer K., Shao L., Prévôt A.S., Szidat S. Source apportionment of elemental carbon in Beijing, China: Insights from radiocarbon and organic marker measurements // Environ. Sci. Technol. 2015. V. 49. P. 8408–8415.
29. Allen G.A., Miller P.J., Rector L.J., Brauer M., Su J.G. Characterization of valley winter woodsmoke concentrations in Northern NY using highly time-resolved measurements // Aerosol Air Qual. Res. 2011. V. 11. P. 519–530.
30. Wang Y., Hopke P.K., Rattigan O.V., Xia X., Chalupa D.C., Utell M.J. Characterization of residential wood combustion particles using the two-wavelength aethalometer // Environ. Sci. Technol. 2011. V. 45. P. 7387–7393.
31. Eleftheriadis K., Nyeki S., Psomiadou C., Colbeck I. Background aerosol properties in the European arctic // Water, Air Soil Pollut.: Focus. 2004. V. 4. P. 23–30.
32. Stein A., Draxler R., Rolph G., Stunder B., Cohen M., Ngan F. NOAA's HYSPLIT atmospheric transport and dispersion modeling system // Bull. Am. Meteorol. Soc. 2015. V. 96. P. 2059–2077.
33. Draxler R.R., Hess G. An overview of the HYSPLIT_4 modelling system for trajectories // Aust. Meteorol. Mag. 1998. V. 47. P. 295–308.
34. Shukurov K.A., Postylyakov O.V., Borovski A.N., Shukurova L.M., Gruzdev A.N., Elokhov A.S., Savinykh V.V., Mokhov I.I., Semenov V.A., Chkhetiani O.G. Study of transport of atmospheric admixtures and temperature anomalies using trajectory methods at the A.M. Obukhov Institute of Atmospheric Physics // Proc. IOP Conf. Series: Earth Environ. Sci. 2019. V. 231. P. 012048. DOI: 10.1088/1755-1315/231/1/012048.
35. Stone R.S., Sharma S., Herber A., Eleftheriadis K., Nelson D.W. A characterization of Arctic aerosols on the basis of aerosol optical depth and black carbon measurements // Elem Sci Anth. 2014. V. 2. P. 000027.
36. Sharma S., Lavoué D., Cachier H., Barrie L., Gong S. Long-term trends of the black carbon concentrations in the Canadian Arctic // J. Geophys. Res: Atmos. 2004. V. 109. P. D15203.
37. Eckhardt S., Quennehen B., Olivié D.J.L., Berntsen T.K., Cherian R., Christensen J.H., Collins W., Crepinsek S., Daskalakis N., Flanner M., Herber A., Heyes C., Hodnebrog Ø., Huang L., Kanakidou M., Klimont Z., Langner J., Law K.S., Lund M.T., Mahmood R., Massling A., Myriokefalitakis S., Nielsen I.E., Nøjgaard J.K., Quaas J., Quinn P.K., Raut J.-C., Rumbold S.T., Schulz M., Sharma S., Skeie R.B., Skov H., Uttal T., von Salzen K., Stohl A. Current model capabilities for simulating black carbon and sulfate concentrations in the Arctic atmosphere: A multi-model evaluation using a comprehensive measurement data set // Atmos. Chem. Phys. 2015. V. 15. P. 9413–9433.
38. Huang K., Fu J.S., Hodson E.L., Dong X., Cresko J., Prikhodko V.Y., Storey J.M., Cheng M.-D. Identification of missing anthropogenic emission sources in Russia: Implication for modeling Arctic haze // Aerosol Air Qual. Res. 2014. V. 14. P. 1799–181.
39. Виноградова А.А., Смирнов Н.С., Коротков В.Н. Аномальные пожары 2010 и 2012 гг. на территории России и поступление черного углерода в Арктику // Оптика атмосф. и океана. 2016. Т. 29, № 6. С. 482–487; Vinogradova A.A., Smirnov N.S., Korotkov V.N. Anomalous wildfires in 2010 and 2012 on the territory of Russia and supply of black carbon to the Arctic // Atmos. Ocean. Opt. 2016. V. 29, N 5. P. 545–550.