Об астрофизических исследованиях содержания СО2 в

РЕЗУЛЬТАТЫ 30-ЛЕТНЕГО АСТРОФИЗИЧЕСКОГО
МОНИТОРИНГА СОДЕРЖАНИЯ СО2 В ВОЗДУШНОМ
БАССЕЙНЕ МОСКВЫ
Хлыстов А.И., Сомов Б.В.
Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга, Москва,
Россия, khlai@sai.msu.ru
THE 30-YEARS ASTROPHYSICAL MONITORING RESULTS OF СО2
ABUNDANCE IN THE MOSCOW AIR BASIN
Khlystov A.I. , and Somov B.V.
Sternberg Astronomical Institute, Moscow, Russia, khlai@sai.msu.ru
Abstract.
On the basis of the long-term investigations by astrophysical method it is shown that the CO2
content in the Earth’s atmosphere above Moscow during 30 last years grows up by 2.5 times in
great excess of planetary growth. We assume that this trend caused by increased autopark of
Moscow. The seasonal variations of the CO2 content in air basin of Moscow have the welldefined minimum at the late July – early August and maximum from November till February.
Одна из главных проблем второй половины XX века - проблема
стабилизации климата - будет волновать человечество и в XXI веке. Несмотря
на трудности в получении экспериментального материала, связанные как с
ошибками измерений, так и с недостаточной густотой сети метеостанций,
большинство экспертов считают выявленный на интервале с 1860 по 1999 год
глобальный рост поверхностной температуры Земли примерно на 0.8 ºС [1]
установленным фактом. Общее потепление особенно заметно на зимних
температурах - длительные морозы почти прекратились.
Начиная с пионерской работы С. Аррениуса 1896 года [2], принято было
считать, что начавшееся в 1860 году потепление климата вызвано ростом
обилия СО2 техногенного происхождения. Однако в последнее десятилетие
стало ясно, что необходимо учитывать вклад других "парниковых газов" метана, озона и фторхлоруглеродов (фреонов). Не исключено, что
определенную долю в глобальное потепление вносит также солнечная
активность [3].
Если не будут приняты кардинальные меры по ограничению
техногенных эмиссий диоксида углерода в масштабах всего земного шара, то к
2050 - 2070 годам его общепланетарная концентрация удвоится. Как
показывают модельные расчеты, это может привести к глобальному
потеплению еще на 1.5 - 6 ºС [4]. Последствия такого заметного потепления
трудно предсказуемы, однако некоторые прогнозы достаточно определенные.
Повышение температуры приведет к усиленному испарению воды из океанов
и значительному повышению влажности воздуха. Во многих регионах Земли
станут обычными продолжительные ливневые дожди со шквалистыми
ветрами и последующими наводнениями. Усиленное таяние ледников вызовет
значительный подъем уровня моря и затопление больших участков суши [5].
В настоящее время основными источниками эмиссии диоксида
углерода являются крупные города и промышленные центры. Изучая в этих
местах динамику изменения концентрации СО2, можно более точно
прогнозировать ее общепланетарный рост. На основании этих исследований
можно также выработать конкретные рекомендации по сокращению выбросов
углекислоты в атмосферу Земли.
Изучение долговременных вариаций СО2 в атмосфере над Москвой
были начаты нами в 1969 году. Использовались фотоэлектрические
регистрограммы профилей двух линий углекислоты с длинами волн λ20758.51
Å и λ20756.11 Å, полученные в Москве на солнечном телескопе АТБ-1 ГАИШ.
В процессе обработки наблюдения приводились к "единичной атмосферной
массе" и к одной температуре. Было получено, что с 1969 по 1991 год
содержание СО2 в атмосфере над Москвой выросло на 48 % [6-7]. В 1998 1999 гг. были получены новые наблюдения для тех же самых линий и на том
же телескопе. Чтобы исключить влияние на получаемые результаты
приземной инверсии температур [8], для обработки выбирались только
околополуденные наблюдения, а для максимального приближения к условиям
"средней" атмосферы наблюдения проводились в конце лета - начале осени.
Поскольку эквивалентные ширины регистрируемых нами линий
пропорциональны величине приземной концентрации молекул СО2 [9], мы
произвели привязку наших данных к измерениям концентрации диоксида
углерода на климатической обсерватории Мауна Лоа [1], приняв на основании
метода экстраполяции, что в 1969 году содержание молекул СО2 в Москве
превышало уровень концентрации в Мауна Лоа на 7.7%. Пересчитанные таким
способом результаты наших наблюдений с 1969 по 1999 год даны на рис. 1
Рис. 1
(кривая 1). Здесь же показан ход роста концентрации СО2 так
называемого "сельского" типа по усредненным данным Лаборатории по
мониторингу и контролю климата Национального Управления по
исследованию океанов и атмосферы (CMDL NOAA) [1] (кривая 2). Хорошо
видно, что скорость нарастания концентрации СО2 в атмосфере над Москвой
значительно превышает соответствующие показатели для метеопунктов
Бэрроу (Аляска), Мауна-Лоа (Гавайи), о-ва Восточные Самоа и Южного
полюса, по данным которых и была построена усредненная кривая 2. Все эти
метеопункты находятся вдали от больших городов и промышленных центров,
то есть, относятся к "сельскому" типу, в то время как Москва представляет
собой типичный мегаполис с мощными источниками загрязнения атмосферы.
Кривая 3 на рис. 2 показывает динамику роста количества автомобилей в
Москве по данным из [10-13] (правая ордината). Из графика видно, что
начиная с 1992 года начался очень быстрый рост числа автомобилей в Москве.
Именно на 1992 год приходится резкий излом кривой 1, показывающей
нарастания количества СО2 в атмосфере над Москвой. Такое согласие в
поведении двух кривых не является случайным. Действительно, согласно
данным Москомприроды [10], в 1998 году в Москве 85% всех выбросов
двуокиси углерода в атмосферу давал автотранспорт. В 1999 году, по
результатам Центра Теоретического Анализа Экологических Проблем, этот
показатель вырос уже до 92.3% [11]. Наши результаты подтверждают эти
выводы.
Итак, на основании результатов многолетних исследований
астрофизическим методом показано, что содержание СО2 в атмосфере над
Москвой выросло с 1969 по 1999 год в 2.5 раза. За этот же период в пунктах,
находящихся на значительном удалении от больших городов и промышленных
центров, то есть, относящихся к "сельскому" типу, соответствующий прирост
количества углекислоты составил всего лишь около 11%, и, следовательно,
достигнет современного уровня концентрации СО2 в Москве только к концу
XXI века. Если еще учесть, что температуры в черте города обычно на 1 - 2 ºС
выше, чем за городом, можно сделать вывод, что в Москве уже реализуются
условия, которые могут стать нормой на Земле в конце XXI века - при
условии, что не будут приняты кардинальные меры по ограничению
техногенных эмиссий углекислоты по всему земному шару.
Обнаруженное нами значительное превышение содержания СО2 над
Москвой по сравнению с сельской местностью сравнительно недавно было
подтверждено в работе [14], в которой были проведены измерения
концентрации СО2 в в пригороде и через весь город Феникс (штат Аризона,
США) на высотах от 2 м до 1.6 км, и установлено, что над городом
концентрация СО2
возрастает примерно в 1.5 раза по сравнению с
пригородом.
Согласно [15], во многих городах наблюдается хорошо выраженный
сезонный ход концентрации СО2, который обычно имеет минимум в конце
лета и максимум в зимние месяцы. Это связывают с сезонностью
фотосинтетической деятельности растений летом и с ростом антропогенных
выбросов в городах в зимний период в результате увеличения потребления
топлива на обогрев помещений. Однако отмечаются и заметные отклонения от
этого "типичного" хода. Например, минимум концентрации СО2 в Берлине
приходится на декабрь, а в Тегеране - на июнь. Причиной этого могут быть как
особенности локальной сезонной производительности антропогенных
источников, так и географическое положение пункта наблюдения.
Изучение сезонных вариаций СО2 в атмосфере над Москвой мы
проводили по материалам наблюдений, полученных с февраля по ноябрь 1992
- 1995 гг. На рис. 2 представлен сезонный ход оптической толщи τ0 в центре
Рис. 2
наблюдённых линий, пропорциональной числу молекул СО2 во всей толще
атмосферы, соответствующей наблюдениям в зените (точки - эксперимент,
сплошная линия – кривая,
аппроксимирующая наблюдаемые точки
многочленом 3-й степени).
Из рис. 2 видно, что приведенные оптические толщи рассматриваемых
линий достигают минимальных значений в конце июля - начале августа и
возрастают зимой (с максимумом с ноября по февраль). Это хорошо
согласуется с измерениями других авторов. Так, согласно [15], в г.
Долгопрудном (северная окраина Москвы), локальный метод определения
концентрации дал минимум в августе и максимум в феврале. В Звенигороде,
находящемся в 50 км к юго-западу от Долгопрудного, спектроскопический
метод измерений дал минимум ближе ко второй половине августа, а максимум
в конце марта - начале апреля. Примерно такие же результаты были получены
локальным методом на горе Чимоне, Италия (высота 2165 м над уровнем
моря) и в пункте Колд Бэй (Аляска) [16].
Важно отметить, что для всех цитированных выше работ величина
амплитуды сезонных вариаций не превышает 5%, в то время как для Москвы,
по нашим данным, она составляет около 20%. По-видимому, такие сильные
изменения концентрации углекислоты в Москве в течение года объясняются
эффектом повышения фотосинтетической активности растений с повышением
уровня концентрации углекислого газа в атмосфере [17].
Литература
1. Лаборатория по мониторингу и контролю климата Национального
Управления по исследованию океанов и атмосферы (NOAA CMDL):
www.cmdl.ngdc.noaa.gov/
2. S.Arrhenius // On the influence of carbonic acid in the air upon the temperature
of the ground, 1896.
3. Cliver E.W., Boriakoff V, Feynman J. // Geophys. Res. Let., 1998, v. 25, No7, p.
1035 –1038.
4. Nifenecker H. and Huffer E. // Europhysics News, 2001, v. 32, No 2, p. 52 - 55.
5. Agren G.I. and Bosatta E. // 1996. Theoretical Ecosystem . 1998, v. 25, No 7, p.
1035 – 1038.
Ecology. Cambridge University Press.
6. Сомов Б.В., Хлыстов А.И. // Кинематика и физика небесных тел.
1993. Т. 9. N 3. С. 84 - 90.
7. Хлыстов А.И., Сомов Б.В. // Астрон. журн. 1993. Т. 70. вып. 6.С.1313 –1320.
8. Хлыстов А.И., Ситник Г.Ф., Дивлекеев М.И., Якунина Г.В. //
Труды ГАИШ. 1999. Т. 66, С. 197 - 206.
9. Хлыстов A.И. Исследование профилей линий теллурического кислорода:
Диc. канд. физ.- мат. наук. М. 1972.
10. Официальный сервер мэрии Москвы: www.mos.ru.
11. Центр Теоретического Анализа Экологических Проблем: www.iiueps.ru.
12. www.md.mos.ru.
13. www.carclub.ru.
14. Idso, C.D., Idso, S.B. and Balling, R.C.Jr. 1998. The urban CO2 dome of
Phoenix , Arizona. Physical Geography 19: 95–108.
15 Нахутин A.И. Тр. ин-та прикл. геофизики. М.: Гидрометеоиздат.
1991. Вып. 78. С. 11 - 23.
16. Пугачев Н.С., Дианов-Клоков В.И., Доронина Т.Н. Физ. атм. и океана.
1985, Т. 21, N 7, С. 784 - 788.
17. Яншин А.Л. // В сб. "Глобальные изменения природной среды.
Москва, "Научный мир", 2000. С. 111 - 114.