Дальний атмосферный перенос пыли из Прикаспия в арктическую зону Европейской части России в декабре 2023 года

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Пылевая компонента атмосферного аэрозоля играет ключевую роль в системе Земли. Частицы пыли прямо влияют на радиационный баланс [1, 2], взаимодействуя с излучением и, косвенно, воздействуя на динамику атмосферы и стимулируя облако- и осадкообразование [1, 3]. Процессы с участием пылевого аэрозоля изменяют параметры состояния (температура поверхности, ветер, облачность, осадки), химический состав и свойства атмосферы [2, 3]. Минеральная пыль способствует повышению биопродуктивности экосистем, доставляя в них микроэлементы и удобрения и оказывая влияние на глобальный углеродный цикл [4, 5]. В то же время пыль в приземном слое атмосферы ухудшает качество окружающей среды и негативно сказывается на здоровье и жизнедеятельности человека [3–5].

Общее содержание пыли в атмосфере оценивается в ~26 млн тонн [1]. Вместе с морской солью она составляет более 80% от общей массы аэрозоля [1, 6]. Большая часть атмосферной пыли – природного происхождения, она обеспечивает фоновый уровень твердых частиц в атмосфере. По оценкам [2, 7], на антропогенные источники пыли может приходиться около 25%.

Обилие пылевых частиц, их взаимодействие с другими компонентами атмосферы и перенос на большие расстояния способствуют проявлению различных механизмов воздействия пылевого аэрозоля на климатическую систему Земли, обуславливающих охлаждающий или нагревающий эффект [1, 3]. Однако результирующее радиационное воздействие пыли остается неопределённым. По последним оценкам [1] суммарный эффективный радиационный эффект пыли равен –0.2±0.5 Вт/м² (90%-й доверительный интервал).

Основными природными источниками минеральной пыли являются пустыни и засушливые регионы Земного шара. Результаты современных модельных оценок [1] показали, что по сравнению с доиндустриальным периодом глобальная пылевая нагрузка возросла на 55±30%, что в значительной степени обусловлено увеличением количества пыли в Азии и Северной Африке. Несмотря на то, что большая часть минеральной пыли оседает вблизи источников, значительное ее количество переносится на большие расстояния. В последние десятилетия получены многочисленные результаты исследований трансатлантического переноса африканской пыли и транстихоокеанского переноса азиатской пыли в Северную и Южную Америку, обзор публикаций на эту тему представлен в работе [8]. Однако механизмы трансграничного переноса грубодисперсных (d = 10–100 мкм) и гигантских (d > 100 мкм) частиц пыли всё ещё недостаточно изучены [9].

Несмотря на удаленность Европейской части России (ЕЧР) от крупных пустынь земного шара, пыльные бури и перенос пыли в воздухе наблюдались в европейской России еще в прошлые века: в нижнем Поволжье, на Северном Кавказе. В. И. Даль очень кратко писал об этом в своем словаре, вышедшем в середине XIX века, в заметке о слове “помоха” – сухая мгла, ведущая к неурожаю. Это природное явление наблюдается при юго-восточном ветре, несущем пыль и песок из пустынных, жарких и сухих районов северного Прикаспия [10]. Однако публикаций о регистрации и анализе условий переноса пыли из засушливых и полузасушливых регионов в умеренные широты Восточной Европы и европейской части России очень мало.

В конце XX и начале XXI вв. на юге ЕЧР и на территориях сопредельных государств, расположенных в Прикаспии и Приаралье, стали возникать и развиваться интенсивные источники пыли, способной перемещаться на сотни километров и достигать регионов ЕЧР, расположенных в умеренных и высоких широтах. В этой связи следует упомянуть об образовании в результате высыхания Аральского моря новой пустыни Аралкум, которая является дополнительным мощным источником пыли, не только воздействующей на радиационный режим атмосферы в Центральной Азии, но и негативно влияющей на здоровье человека и окружающую среду [11], в том числе способствуя повышению вероятности распространения минеральной пыли из Приаралья на ЕЧР [12].

В последние годы было зарегистрировано несколько случаев дальнего переноса пылевой компоненты аэрозоля в Московский и соседние с ним регионы из опустыненных и засушливых районов Прикаспия [8, 11, 13].

Однако необходимо более глубокое изучение условий и механизмов дальнего переноса минеральной пыли в северные области РФ, а также связанных с этим изменений параметров состояния атмосферы и характеристик аэрозольных частиц. Настоящая работа посвящена одному из последних и самых мощных эпизодов дальнего переноса пылевой компоненты аэрозоля из Северного Прикаспия через Московский регион в высокоширотные области РФ, в том числе в регионы Российской Арктики.

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЙ

Рассмотрены данные о массовой концентрации и дисперсном составе аэрозольных частиц в приземном слое атмосферы Московского региона в декабре 2023 года, полученные в рамках проводимого в ИФА РАН комплексного аэрозольного эксперимента по синхронному исследованию физико-химических характеристик приземного аэрозоля в Москве и ее пригороде [14].

Микрофизические характеристики аэрозольных частиц (дисперсный состав, счетная концентрация) измеряли в непрерывном режиме с временным разрешением 5 мин с помощью лазерных аэрозольных спектрометров ЛАС-П и оптико-электронных аэрозольных счетчиков ОЭАС-05 (разработчик – НИФХИ им. Л. Я. Карпова) в диапазоне диаметров частиц 0.15–10 мкм.

Массовую концентрацию аэрозольных частиц различных размерных фракций рассчитывали по известной формуле [14, 15]:

$M_i\left(D_p\right)=\frac{\pi }{6}\times D_p^3\times N_i\left(D_p\right)$, (1)

где ρ = 1.8 г/см³ – плотность частиц городского аэрозоля, D_p– средний диаметр частиц в каждой размерной фракции (в предположении, что все частицы – сферические), N_i(D_p) – счетная концентрация частиц каждой размерной фракции:

$N_i\left(D_p\right)=\underset{D_{p_1}}{\overset{D_{p_2}}{\int }}{n}_N^{0}d{\log }_{10}\left(D_p\right)$, (2)

где $n_N^0=dN/d{\log }_{10}\left(D_p\right)$ – измеренное приборами ЛАС-П и ОЭАС-05 распределение числа аэрозольных частиц по размерам. Массовую концентрацию приземного аэрозоля РМ_2.5, РМ₁₀ и РМ_10–2.5 (диаметром меньше 2.5 мкм, меньше 10 мкм и от 2.5 до 10 мкм, соответственно) определяли суммированием значений концентрации соответствующих размерных фракций частиц, входящих в их состав.

В зимний период 2023–2024 гг. учеными Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН (ИО РАН) в рамках экспедиционных исследований геохимических характеристик снежного покрова западного сектора Российской Арктики выполнен отбор проб снега на территории Кольского полуострова, Архангельской обл. и Ненецкого Автономного округа. В настоящей работе рассмотрены результаты предварительного анализа талой воды пробы снежного покрова, отобранной в Государственном природном заповеднике “Пинежский: (далее – Пинежский заповедник), Архангельская обл. С помощью биологического стереоскопического микроскопа МБС-10 проба исследована на присутствие биоорганических веществ.

Анализ дальнего переноса воздушных масс к Московскому региону проводился с использованием 3-суточных обратных траекторий переноса воздушных масс к точке наблюдения (модель HYSPLIT 4 [16] на сайте ARL NOAA [https://www.ready.noaa.gov/HYSPLIT.php]) ежесуточно, каждые 3 часа, на высотах 100, 250 и 500 м над подстилающей поверхностью.

По данным реанализа MERRA-2 [17] анализировали пространственное распределение над ЕЧР массовой концентрации пыли в приземном слое атмосферы и оптической толщины пыли (АОТ на длине волны λ = 550 нм), размер пикселя 0.5×0.625 градусов. Численные оценки MERRA-2 также применялись для сопоставления значений массовой концентрации пыли в приземном слое атмосферы Московского региона и в районе Пинежского заповедника (Архангельская обл.).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Непрерывные наблюдения за микрофизическими характеристиками и массовой концентрацией аэрозолей в приземном слое атмосферы московского мегаполиса и загородной зоны способствуют выявлению нетипичных случаев аномального изменения аэрозольных параметров [14]. 13–16 декабря 2023 года в пунктах наблюдений ИФА РАН в Москве (далее ИФА) и пригороде, примерно в 50 км к западу от города, на Звенигородской научной станции ИФА РАН (далее – ЗНС), а также на московской городской сети автоматических станций контроля загрязнения атмосферы (АСКЗА) ГПБУ “Мосэкомониторинг” (МЭМ) [http://mosecom.mos.ru/] наблюдался рост концентрации аэрозольных частиц различных размерных фракций, нехарактерный для этого региона в зимний сезон (рис. 1). В этот период величина массовой концентрации частиц РМ₁₀ в некоторые сутки превышала среднесуточную предельно-допустимую концентрацию (ПДК = 60 мкг/м³) как в городе, так и в пригороде. Рост массовой концентрации более мелкой фракции частиц РМ_2.5 по амплитуде был менее значительным и ее уровень не превышал соответствующее значение ПДК для РМ_2.5 (35 мкг/м³). Представленные на рис. 1 зависимости показывают синхронное (по суткам) развитие эпизода на трех станциях наблюдения в Московском регионе – в переулках центра Москвы в зоне плотной офисной застройки (ИФА) и на двух станциях МЭМ – в жилом (“Спиридоновка” – Спир-МЭМ) и транспортном (“Сухаревская площадь” – Сухар-МЭМ) районах, а также в пригороде (ЗНС). Во время эпизода превышение средней декабрьской концентрации вне эпизода для концентрации аэрозолей размерности РМ₁₀, РМ_2.5 и РМ_10–2.5 было в 8, 2 и 19 раз, соответственно (в среднем по этим четырём станциям).

 

Рис. 1. Временной ход среднесуточной концентрации аэрозольных частиц разных размерных фракций в декабре 2023 года: (а) – РМ₁₀; (б) – РМ_2.5; (в) – РМ_10–2.5 (по данным наблюдений в пунктах ИФА, ЗНС и на двух АСКЗА МЭМ).

 

Анализ синоптической обстановки и траекторий движения воздушных масс над ЕЧР позволил установить связь высокого аэрозольного загрязнения приземного воздуха московского региона с дальним переносом загрязняющих примесей из аридных и семиаридных районов Прикаспия и Приаралья. На рис. 2 и 3 приведены карты среднего за каждые сутки пространственного распределения над ЕЧР приземной массовой концентрации и АОТ (λ = 550 нм) пыли во время рассматриваемого эпизода. Сложившиеся в этот период метеорологические условия в районах Нижнего Поволжья и Западного Казахстана – сильные морозы, крепкий и очень крепкий (по шкале Бофорта) ветер восточного и юго-восточного направлений со скоростью 15–20 м/с, отсутствие снежного покрова и вымороженный верхний слой почвы – способствовали возникновению там очагов мощных пыльных бурь. Адвекция пыли в центр и на северо-запад ЕЧР в течение нескольких суток была обусловлена влиянием мощного сибирского антициклона, на периферии которого в зонах сгущения изобар оказались территории Прикаспия и Приаралья.

 

Рис. 2. Среднее за сутки пространственное распределение над ЕЧР приземной массовой концентрации пыли – по данным реанализа MERRA-2. Красной звездочкой на картах обозначено расположение г. Москвы, желтой звездочкой – расположение пос. Пинега Архангельской обл.

 

Рис. 3. Среднее за сутки пространственное распределение над ЕЧР АОТ (550 нм) пыли по данным реанализа MERRA-2. Красной звездочкой на картах обозначено расположение г. Москвы, желтой звездочкой – расположение пос. Пинега Архангельской обл.

 

Наблюдаемое явление (рис. 2) аномально для центральных и северных районов ЕЧР как по длительности, так и по площади распространения пылевого аэрозоля в нижнем слое атмосферы. По-видимому, этому еще способствовала высокая стабильность приземного слоя атмосферы (слабое конвективное перемешивание, характерное для зимы по сравнению с более теплыми сезонами [18]). По данным [12, 13, 19], частота такого переноса воздушных масс к Москве в январе составляет около 3–5%, а в более северные регионы ЕЧР еще меньше. Вблизи Москвы шлейф пыли широк (рис. 2), что приводит к синхронному загрязнению большой территории, охватывающей как сам город, так и его пригороды и другие ближайшие области и регионы.

Необходимо подчеркнуть, что сведений о подобных явлениях дальнего переноса пыли из семиаридных и аридных регионов Прикаспия и Приаралья в арктические районы России очень мало, и авторам известна только одна работа, посвященная выпадению снега желтого и оранжевого цвета на территории Архангельской области, республики Коми и Ненецкого автономного округа в марте 2008 г. в результате дальнего переноса атмосферной пыли из засушливых пустынных, полупустынных и степных районов Северо-Западного Казахстана, Волгоградской и Астраханской областей, Калмыкии [20].

Фактическое подтверждение события дальнего переноса загрязняющих аэрозольных примесей из семиаридных и аридных регионов Прикаспия в середине декабря 2023 г. было получено также при предварительном исследовании пробы снега (вертикальный шурф за весь зимний период), отобранной на территории Пинежского заповедника в Архангельской области. В толще снежного покрова на высоте 18–20 см (при общей высоте снежной толщи в пробе 65 см) был обнаружен слой снега, имеющий желтоватую окраску (рис. 4) и выпавший, по сведениям наблюдателей, в декабре 2023 года. Предварительный анализ талой воды этого снега под микроскопом позволил установить присутствие в снеге большого количества органической взвеси биологического происхождения, включая растительные волокна, ткани растений разной стадии разложения и фрагменты высших растений (рис. 5). Наличие аэрозольных частиц с биоорганическими остатками в высокоширотных областях ЕЧР в зимний период было обусловлено транспортом из южных регионов России, что является косвенным свидетельством дальнего переноса загрязняющих примесей из засушливых зон Прикаспия.

 

Рис. 4. Общий вид фильтров с пробами снега, отобранного на территории Пинежского заповедника: (а) – после фильтрации прослойки желтого снега (250 мл); (б) – после фильтрации усредненной пробы снежной толщи (1250 мл). Диаметр фильтра – 47 мм.

 

Рис. 5. Растительные остатки в пробе снега, отобранной на территории Пинежского заповедника: (а) – мелкий детрит, растительные волокна; (б) – остатки высшего растения.

 

На рис. 6 представлена диаграмма временной изменчивости среднесуточных значений концентрации пыли, определенной по результатам численных оценок реанализа MERRA-2 в сравнении с данными измерений концентрации аэрозольных частиц РМ₁₀ в Москве и пригороде до, во время и после эпизода аномально высокого роста аэрозольного загрязнения в декабре 2023 г. Как видно из рисунка 6, численные оценки концентрации пыли в приземном воздухе в районе Пинежского заповедника (вблизи пос. Пинега) качественно хорошо соответствуют наблюдаемым изменениям концентрации частиц РМ₁₀ в Московском регионе с временным запаздыванием примерно на сутки за счет более дальнего переноса. Следует отметить, что в Москве приземная массовая концентрация пылевых частиц (всех размеров), по оценкам в рамках реанализа MERRA-2, во время эпизода значительно превосходит измеренные величины концентрации аэрозоля РМ₁₀. После эпизода она становится практически не отличима от средних зимних значений концентрации всех аэрозольных частиц в приземном воздухе Москвы зимой [15]. Из этого следует, что во время таких эпизодов дальнего атмосферного переноса пыли наиболее крупные частицы приносятся в город извне.

 

Рис. 6. Временная изменчивость в период 12–18 декабря 2023 г. среднесуточной концентрации пыли (по оценкам MERRA-2) – в районе пос. Пинега (Архангельская обл.) и в Московском регионе (МСК); аэрозолей РМ₁₀ – по измерениям в Москве (ИФА) и в пригороде (ЗНС).

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе непрерывных наблюдений за характеристиками приземного аэрозоля в московском мегаполисе и пригороде, проводимых в ИФА РАН, выявлен и подтвержден экспериментальными данными очень редкий случай дальнего переноса пылевого аэрозоля из семиаридных и аридных районов Прикаспия и Приаралья через всю территорию Европейской части России в регионы умеренных и высоких широт, включая зону Российской Арктики. Одновременно зарегистрированы эпизоды аномального роста массовой концентрации аэрозолей разных размерных фракций в Московском регионе и изменения цвета (а, следовательно, и состава) снега в Архангельской области (территория Пинежского заповедника). Предварительные результаты исследования талой воды этого снега показали наличие в нем большого количества органических остатков биологического происхождения, принесенных в зимний период на Российский Север из южных регионов ЕЧР.

Более глубокий анализ таких событий позволит повысить достоверность статистики их появления в Московском регионе. Анализ химического состава снега за этот период покажет отличия и сходства вещества, выпавшего на поверхность при похожих эпизодах 2008 [20] и 2023 годов.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы благодарят академика РАН Г. С. Голицына за интерес к работе и полезные советы.

Большое спасибо М. И. Зметной за предоставленные результаты микроскопического анализа проб талого снега, без которых работа была бы неполной.

Авторы выражают глубокую признательность руководству ГПБУ “Мосэкомониторинг” за предоставленную возможность доступа к данным измерений на московской сети АСКЗА.

ИСТОЧНИКИ ФИНАНСИРОВАНИЯ

Работа выполнена в рамках Государственного задания Института физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН “Моделирование изменений газового и аэрозольного состава атмосферы на основе наземных и спутниковых методов его мониторинга” (FMWR-2022-0010) – в части экспериментальных исследований характеристик и источников приземного аэрозоля в Московском регионе, а также при поддержке РНФ (проект № 22-77-10074) – в части отбора проб и изучения состава снега в арктических районах Российской Арктики.

Об авторах

Д. П. Губанова

Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова Российской Академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: gubanova@ifaran.ru
Россия, Москва

А. А. Виноградова

Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова Российской Академии наук; Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской Академии наук

Email: gubanova@ifaran.ru
Россия, Москва; Москва

Е. И. Котова

Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской Академии наук

Email: gubanova@ifaran.ru
Россия, Москва

Список литературы

Дополнительные файлы