Глобальний стандарт чистого повітря в системі екологічного моніторингу атмосфери

Перед людством все актуальнішим стає питання зменшення антропогенного навантаження на атмосферу на державному та міждержавному рівнях. Проте не дивлячись на це, визначення глобального стандарту чистого повітря досі є відкритим питанням. Оскільки за своїм хімічним складом, атмосферне повітря в різних регіонах Землі, має суттєві природні відмінності, які для окремих елементів можуть сягати до 1000-кратної зміни їх концентрації.

Тому створення глобального стандарту чистого повітря вкрай необхідне як для фундаментальної екологічної науки, так і для практичних задач, таких як наукове обґрунтування санітарно-гігієнічної оцінки якості середовища проживання людини, а також для планування і розробки стратегії зниження забрудненості повітря в містах, зокрема, з метою встановити відносні тенденції зміни хімічного і дисперсного складу аерозольних забруднень. Вирішення цієї задачі можливе шляхом аналізу експериментальних даних про хімічний склад атмосферних аерозолів.

При порівнянні експериментально отриманих концентрацій одних і тих же елементів атмосферного аерозолю на континентальних фонових станціях і в Антарктиді, де атмосфера найчистіша у відношенні антропогенних домішок, виявилось, що залежність між ними в логарифмічному масштабі з високою точністю має лінійний характер. Цей результат вперше отримали Пушкін і Михайлов [1].

Однак численні експериментальні дані [2-6] вказують на те, що залежність Пушкіна-Михайлова  насправді є окремим випадком більш загального рівняння прямої лінії регресії:

                                  (1)
де Сi i ρi - концентрація і питома щільність і - ої ізотопної компоненти в аерозольній частинці, виміряній в різних регіонах Землі (індекси 1 і 2).

На основі ефекту Пушкіна-Михайлова можна зробити припущення про те, що log-лінійна залежність є відображенням більш загальної фундаментальної залежності, через яку вона може бути використана для експериментального і теоретичного порівняння та оцінки природних та антропогенних атмосферних аерозолів в будь-яких регіонах Землі – тобто для отримання кількісної характеристики  глобального стандарту чистоти повітря. Цікаво, що фундаментальний характер лінійної регресії (1) вказує на те, що загальний генезис природних атмосферних аерозолів не залежить від географії місця їх утворення і має фрактальну природу.

На нашу думку, це не суперечить сучасним уявленням про мікрофізику утворення та еволюції вторинного аерозолю [7] який формується на зародкових центрах, роль яких грають первинні аерозолі. Такий поділ аерозолів на два класи за фізичними розмірами та властивостями якісно відображає два головні механізми утворення і грає ключову роль в розумінні фрактального механізму формування вторинних аерозолів, які при агрегації на зародкових центрах (первинних аерозолях) виявляють скейлінгову структуру з цілком визначеними характерними масштабами.

На рис.1 наведено результати регресійного аналізу експериментальних середньорічних даних, отриманих на 16 японських станціях протягом 1974-1997 рр, які з високим ступенем достовірності демонструють адекватність експериментальної і теоретичної залежності типу (1).

Знайдені закономірності поведінки спектрів нормованих концентрацій елементів атмосферних аерозолів для різних міст Японії, однозначно вказують на степеневе зростання концентрації окремого елементу атмосферного аерозолю, тим самим підтверджуючи припущення [8] про фрактальну природу генезису атмосферних (вторинних) аерозолів.

Для більш широкого узагальнення результатів обробки даних для 16-и японських станцій, була проведена перевірка залежності типу (1) на основі даних аерозольних досліджень атмосфери, проведених в паралельних експериментах на різних широтах. Зокрема, експерименти, проведені одночасно в районах Любляни (Словенія), Одеси (Україна) та Української антарктичної станції «Академік Вернадський» підтверджують ту саме закономірність (рис.2).

Експериментальне визначення елементного складу атмосферного повітря в цих експериментах проводилося за допомогою традиційного методу фіксації атмосферних аерозолів на ядерних фільтрах. Апаратура для забезпечення аерозольних вимірювань є досить простою і дешевою що робить її ефективною для стаціонарних та польових моніторингових вимірювань. Елементний аналіз аерозолів зібранних на ядерних фільтрах провдиться методом к0- інструментального нейтронно-активаційного аналізу. Для обробки експериментальних даних використовувався регресійний аналіз.

Зокрема за допомогою такої методики можна також визначати сезонні зміни аерозольного складу атмосфери. Тобто розроблений універсальний прецизійний метод може використовуватись для визначення стандарту чистого повітря для будь-якого регіону, суть якого полягає в тому, що хімічні елементи, які порушують кореляцію експериментальних спектрів нормованих концентрацій елементів атмосферного аерозолю даного і реперного регіонів, не є характерними для чистого повітря. І, як наслідок, джерело таких неприродних для даного регіону хімічних елементів, швидше за все, має антропогенну або іншу, але екзогенну природу (вулкани і пожежі, рудні поклади).

Постійний моніторинг основних характеристик аерозолів Південного полюса, як стандарту відносно чистого середовища, і крупних міст, як потужних антропогенних джерел забруднення, дозволить встановити відносні тенденції зміни хімічного і дисперсного складів аерозольних забруднень.

Проведення подальших моніторингових експериментів в різних регіонах світу і накопичення нових масивів даних про елементний і дисперсний склад аерозолю в різних районах Землі дозволить створити карту широтного розподілу аерозолю та його фізичних параметрів й тим самим, дослідити взаємозв'язок між процесами глобальної океан-атмосферної циркуляції і фрактального генезису аерозольних частинок з часом "життя" в тропосфері до 10 діб і здатних до перенесення на далекі відстані.

        

Висновки

    1. Експериментально встановлено, що кореляція спектрів нормованих концентрацій елементів атмосферного аерозолю, виміряних в різних регіонах Землі, стабільна на різних часових шкалах від добової до річної.
    2. Закон степеневого зростання концентрації кожного з елементів атмосферного аерозолю вказує на фрактальну природу генезису атмосферних аерозольних частинок. Логнормальна залежність є глобальною характеристикою генезису атмосферного аерозолю і не залежить від локального місця вимірювання.
    3. В рамках мультифрактальної геометрії розподіл концентрації  ізотопних компонент вторинного аерозолю підлягає лог-нормальному розподілу, з чого слідує, що параметри двовимірного нормального розподілу відносно відповідних ізотопних компонент аерозольних частинок-мультифракталів, виміряних в різних точках, зв'язані рівняннями прямої та оберненої лінійної регресії.
    4. Розроблений метод визначення стандарту чистого повітря для різних регіонів Землі може бути використано для постійного моніторингу основних характеристик аерозолів великих міст, як потужних антропогенних джерел забруднення, для встановлення тенденцій змінення хімічного і дисперсного складу аерозольних забруднень, що дозволить науково обгрунтувати санітарно-гігієнічну оцінку якості середовища проживання людини, і, зокрема, планувати й розробляти стратегію зниження забрудненості повітря в окремих регіонах.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

  1. Пушкин С.Г., Михайлов В.А. Компараторный нейтронно-активационный анализ. Изучение атмосферных  аэрозолей. - Новосибирск: Наука. Сибирское отделение, 1989. - 125 с.
  2. Ilic R. Radon  in Antarctica  / R.  Ilic  , V.D. Rusov, V.N. Pavlovich, V.N.Vaschenko, L. Hanzic, Yu.A. Bondarchuk  // Radiation measurements. - 2005.- Vol. 40, N3. - Р. 415-422.
  3. Русов В.Д. Про фрактальний механізм взаємозв’язку між генезисом, розміром  і складом атмосферних аерозолів у районах м. Одеси та Української антарктичної станції / В.Д.  Русов, В.М. Павлович, Ю.А. Бондарчук [и др.] // Вісник Київського ун-ту. Серія фіз.-мат. наук. – 2003. -  Вип. 4. – С. 415-427.
  4. Rusov V.D. Galactic cosmic rays - clouds effect and bifurcation model of the Earth global climate. Part 1. Theory / V.D. Rusov, A.V. Glushkov, V.N. Vaschenko, Bondarchuk Yu.A. [et al.] // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. – 2010. – Vol. 72. – P. 398-408.
  5. Rusov V.D. Galactic cosmic rays – clouds effect and bifurcation model of the Earth global climate. Part 2. Comparison of the theory with experiment / V.D. Rusov, V.N. Vaschenko, O.T. Mykhalus, Yu.A. Bondarchuk [et al.] // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. – 2010. – Vol. 72. – P. 389-397.
  6. Русов В.Д. О фрактальном механизме взаимосвязи между генезисом, размером и содержанием атмосферних аэрозолей в раличных регионах Земли / В.Д. Русов, В.Н. Павлович, Р. Илич, Р. Ячимович, Ю.А. Бондарчук [и  др.] // Український антарктичний журнал. – 2006. – № 4-5. – С. 137-159.
  7. Raes F. et al. Formation and cycling aerosols in global troposphere // Atmospheric Environment 34 (2000) 4215.
  8. Schroeder M. Fractals, Chaos, Power Laws. Minutes from Infinite Paradise. W.H.Freeman and Company. New York. 2000. - 528 P.

УДК 504.3.054  
Бондарчук Ю.А.  Глобальний стандарт чистого повітря в системі екологічного моніторингу атмосфери [Електронний ресурс]  / [Бондарчук Ю.А., Ващенко В.М., Герасименко Т.В. та ін.] // Збірник наукових статей “ІІІ-го Всеукраїнського з’їзду екологів з міжнародною участю”. – Вінниця, 2011. – Том.1. – С.209212. Режим доступу: http://eco.com.ua/

Скачати в форматі pdf:

Оцінка: 
0
No votes yet