Суточная и сезонная динамика концентрации СО 2 и СН 4 в атмосфере над экосистемами Западной Сибири (Приенисейская часть)

Введение. Углекислый газ (СО2) и метан (CH4) относятся к основным парниковым газам (ПГ) атмосферы. Содержание СО2 в атмосфере увеличилось на 25 % с начала прямых инструментальных измерений, инициированных Ч.Д. Киллингом на станции Мауна Лоа (Mauna Loa) в 1958 году [6]. В научном сообществе не существует однозначного мнения касательно наблюдаемого роста концентрации СО2 в глобальном масштабе: связан ли этот процесс с естественными многолетними колебаниями либо происходит за счет возрастающего объема поступлений из антропогенных источников, составляющего до 9.5 ПгС в 2010 году [10]. По данным авторов [5, 12], концентрация СН4 также экспоненциально возрастала в течение этого времени до периода ее стабилизации (1999–2006 гг.), который обусловлен, по их мнению, сокращением антропогенной эмиссии СН4 (на 10 Тг с 1990 по 1995 г.) на территории бывшего Советского Союза и снижением выделения метана из северных болотных экосистем. Начиная с 2007 года концентрация СН4 вновь начала возрастать [11]. Надежные оценки баланса парниковых газов, основанные на модельных экспериментах, требуют верификации математических расчетов прямыми высокоточными инструментальными измерениями, в частности концентрации атмосферного СО2 и СН4. При этом в Российской Федерации государственная система мониторинга за содержанием ПГ не развита в достаточной мере и включает всего четыре станции Росгидромета [3]. Систематические измерения концентрации ПГ также проводятся в рамках различных научных программ, однако они охватывают небольшие по площади территории [12]. Несмотря на эти усилия, значительная часть территории Евразии остается малоизученной с точки зрения пространственного и временного изменения концентрации атмосферного СО2 и СН4. В целях расширения сети наблюдения в 2006 году в среднетаежной подзоне Сибири была создана научная обсерватория Zotino Tall Tower Observatory («ZOTTO»), где мониторинг ПГ проводится с использованием высотной мачты (301 м) [14].

Цель работы . Анализ суточной и сезонной изменчивости концентрации СО 2 и СН 4 в атмосферном воздухе по профилю высот до 301 м в среднетаежной подзоне Сибири по результатам пятилетних наблюдений (май 2009 – май 2014 гг.) на обсерватории «ZOTTO».

Материалы и методы. Обсерватория «ZOTTO» расположена в среднетаежной подзоне (Приенисей-ская часть) Западной Сибири на левом берегу р. Енисей. Тип климата – континентальный, с суровой снежной зимой и умеренно теплым влажным летом. По данным метеостанции Бор (в 100 км севернее обсерватории «ZOTTO»), среднегодовая температура воздуха равна минус 3,7°С, средняя температура января минус 24,2°С, июля +17,8°С, годовое количество осадков 536 мм.

Растительный покров района исследования образован сильнообводненными болотами и озерами (около 60 % территории), среди которых произрастают сосновые и темнохвойные насаждения. В условиях пониженного рельефа развиты бруснично-лишайниковые и зеленомошные боры [2]. Основной фон в структуре почвенного покрова автоморфных позиций составляют подзолы. Многолетняя мерзлота в почвенных разрезах не обнаружена.

Ближайшие населенные пункты расположены более чем в 25 км от обсерватории «ZOTTO», где общая численность населения не превышает 3000 человек, а также отсутствует какое-либо производство. Крупный город Красноярск, с населением более 1 млн человек, находится на расстоянии 700 км в южном направлении. Поэтому из-за низкой плотности населения и достаточной удаленности района исследования от крупных промышленных центров влияние антропогенного фактора невелико, однако значительная часть территории подвержена периодическому влиянию природных пожаров.

Круглогодичный мониторинг за концентрацией СО 2 и СН 4 в приземном слое воздуха проводится с помощью комплекса измерительного оборудования на базе обсерватории «ZOTTO» с мая 2009 г. Измерительная система включает воздухозаборники, расположенные на шести высотах металлической мачты (4, 52, 92, 156, 227 и 301 м), и газоаналитический комплекс EnviroSense 3000i (Picarro Inc., США), установленный в лаборатории у основания мачты. Подробно экспериментальная установка описана ранее [14].

В настоящей работе приведены данные градиентных измерений содержания диоксида углерода и метана, полученные в период с 1 мая 2009 г. по 1 мая 2014 г. Для оценки сезонной изменчивости концентрации исследуемых газов были использованы только дневные измерения, усредненные с 13:00 ч до 17:00 ч местного времени. Рассматриваемый временной период характеризуется полным перемешиванием воздуха во всей толще ПСА, поэтому вертикальный градиент концентрации СО 2 и СН 4 по высотному профилю близок к 0. Кроме того, использование такого способа расчета позволяет исключить завышение средних значений концентраций исследуемых газов, связанное с их накоплением (ночное дыхание растительного покрова и эмиссия СН 4 из болотных экосистем) в приземном воздухе при температурной инверсии. Наиболее информативной для оценки динамики СО 2 и СН 4 в приземном слое атмосферы является высота 301 м, которая и была нами выбрана. Усредненные дневные значения затем использовались для получения сглаженных кривых временного хода концентрации СО 2 и СН 4 с помощью специально разработанного метода для анализа длительных наблюдений за концентрацией ПГ [13].

Результаты и их обсуждение. Наиболее выраженные изменения концентрации исследуемых газов по профилю высоты в течение суток наблюдаются в теплое время года, а для холодного периода характерны незначительные различия (рис.1). На протяжении годового цикла показано, что период со значительными суточными колебаниями содержания диоксида углерода в атмосфере продолжительнее по сравнению с таковым для метана на 2 месяца. Так, накопление СО 2 в ночные часы и его снижение в дневные часы начинают проявляться уже в апреле, а заканчиваются только в октябре, для метана эти сроки сдвинуты на май и сентябрь соответственно. Этот временной сдвиг, вероятно, связан с тем, что физиологическая деятельность растительности в районе исследования (поглощение СО 2 ) продолжительнее, чем активность анаэробных метаногенных бактерий (выделение СН 4 ). Максимальная величина суточной амплитуды для обоих исследуемых газов наблюдается в июле около поверхности земли (4 м) и составляет в среднем 21 ppm и 60 ppbv для СО 2 и СН 4 соответственно.

а

Февраль

w     0   4   8  12  16 20 24

Время суток, ч.

Июль

Май

Июнь

Ноябрь

Декабрь

Время суток, ч.

^     0   4   8  12  16  20  24

Время суток, ч.

w     0   4   8  12  16  20  24

Время суток, ч.

Январь

^^^^^^^^^M 5       ^^^^^^^^^M 6

0   4   8   12  16  20  24

б

Март

0   4   8   12  16  20  24

Время суток, ч.

Апрель

Время суток, ч.

Время суток, ч.

Октябрь

0   4   8   12  16  20  24

Время суток, ч.

Ноябрь

0   4   8   12  16  20  24

Время суток, ч.

Декабрь

0   4   8  12  16  20  24

Время суток, ч.

Рис. 1. Динамика суточной концентрации СО 2 (а) и СН 4 (б) в атмосфере на разных высотах (обсерватория «ZOTTO») в отдельные месяцы года для пятилетнего периода измерений (май 2009 г. – май 2014 г.): 1 – 6 – высота измерительного уровня в градации 4, 52, 92, 156, 227 и 301 м соответственно

Изменение концентрации СО 2 в течение суток в теплое время года определяется главным образом газообменом диоксида углерода между экосистемами и атмосферой, а именно процессами фотосинтеза (поглощение) и дыхания (выделение) [7]. Интенсивность эмиссий метана из болотных экосистем на протяжении суток примерно одинакова либо может незначительно возрастать в дневное время в летний период [9]. Также существенное влияние на формирование суточного хода концентрации исследуемых газов оказывает динамика высоты ПСА. Так, в ночное время образуется устойчивый пограничный слой, который характеризуется малой высотой, обычно не превышающей 150–200 м, и низкой интенсивностью вертикального переноса [4]. В связи с этим концентрация СО 2 и СН 4 постепенно нарастает внутри слоя. Суточный максимум атмосферной концентрации СО 2 регистрируется в 6:00–7:00 ч местного времени, тогда как пик концентрации СН 4 приходится на период 7:00–10:00 ч. Смещение утренних пиков в содержании исследуемых газов объясняется тем фактом, что фотосинтез (поглощение СО 2 ) запускается до того, как начинается перемешивание ПСА [12]. После восхода солнца происходит разрушение стабильной температурной инверсии и увеличение высоты ПСА, а обогащенный парниковыми газами воздух начинает перемешиваться. В течение дня, преимущественно во второй его половине, высота ПСА достигает 3000 м [8]. Минимум концентраций фиксировался в вечерние часы (16:00–19:00 ч). На верхней высоте измерений (301 м) суточные колебания концентраций CO 2 и СН 4 в течение всего года выражены относительно слабо, что свидетельствует об ослаблении сигнала биогеоценозов подстилающей поверхности с высотой измерений. Вместе с тем, однако, прослеживается незначительное увеличение их уровня в утренние часы в летний период, когда происходит проникновение восходящих потоков приземного воздуха с повышенным содержанием диоксида углерода и метана в верхний слой приземной атмосферы.

Динамика концентрации СО 2 в атмосферном воздухе в районе обсерватории «ZOTTO» за пятилетний период наблюдений имела ярко выраженную сезонную периодичность с максимумами в зимний и минимумами в летний периоды (рис. 2, а). Начало снижения содержания диоксида углерода фиксируется, как правило, в апреле–мае в период запуска фотосинтетической активности в районе обсерватории и продолжается до конца июля–начала августа, когда достигает минимума. При этом для всего периода наблюдений регистрируется устойчивое возрастание концентраций СО 2 в атмосфере. Так, с начала наших измерений минимальные концентрации возросли на 14 ppm: с 367,3±1,5 ppm в 2009 г. до 382,4±2,4 ppm в 2013 г. Начиная с августа, несмотря на продолжающуюся фотоассимиляцию СО 2 растительным покровом, наблюдается нарастание его концентрации в атмосфере, что свидетельствует о превышении поглощения респирацион-ным потоком в этот период. Накопление СО 2 в атмосфере происходит вплоть до марта. Тем не менее пиковых концентраций СО 2 , по данным обсерватории «ZOTTO», достигает в декабре–январе. Подобно летним концентрациям мы наблюдаем ежегодный рост СО 2 и в зимний период: от 397,2±2,7 ppm в 2010 г. до 407,6± 2,7 ppm в 2014 г. Сравнительный анализ прироста концентраций СО 2 в летний (15 ppm/5 лет) и зимний (10 ppm/5 лет) периоды свидетельствует о значительно более выраженном их росте в течение вегетационного сезона. Причины, способствующие большему нарастанию концентраций СО 2 в теплое время года по сравнению с холодным, будут выявлены в дальнейших исследованиях. Результаты наблюдений в районе обсерватории «ZOTTO» позволили оценить годовую амплитуду колебаний концентрации СО 2 для среднетаежной подзоны Сибири на основе непрерывных высокочастотных наблюдений. Ее величина с мая 2009 г. по март 2014 г. варьировала незначительно – от 29,9 ppm в 2009 г. до 25,2 ppm в 2013 г., составляя в среднем 28,2 ppm. Полученные результаты согласуются с ранее приведенными оценками (22–28 ppm) [8, 14]. Близкие величины годовой амплитуды концентрации СО 2 (24–30 ppm) для территории Западной Сибири показаны в работе, обобщающей данные сети мониторинга ПГ «JR-STATION» [1]. В отличие от поведения годового цикла атмосферного СО 2 , концентрации СН 4 в атмосфере в районе обсерватории «ZOTTO» имеют два ярко выраженных максимума – в летний (август) и зимний (январь – февраль) периоды (рис. 2, б).

а

2009         2010         2011          2012         2013          2014

Рис. 2. Динамика дневных концентраций атмосферного СO 2 (а) и СН 4 (б) на обсерватории «ZOTTO» за период измерений (май 2009 – май 2014). Черными крестиками обозначены дневные средние (13:00–17:00 ч) концентрации, серыми крестиками – дневные средние концентрации, лежащие за пределами 2σ, серая кривая – выровненная суточная динамика

Возрастание концентрации СН 4 в летний период фиксируется с середины июня, когда температура почвы увеличивается и способствует нарастанию активности метаногенных микроорганизмов, а достигает своего пика в августе, отражая сезонный максимум эмиссий СН 4 из болотных экосистем. За исследуемый пятилетний период среднее содержание атмосферного метана в августе возросло от 1900±45 ppb в 2009 г. до 1941±52 ppb в 2013 г. В октябре уровень метана в атмосфере вновь начинает увеличиваться до своего зимнего максимума в январе–феврале. В отличие от концентрации СО 2 в зимний период, в содержании атмосферного CH 4 не отмечается устойчивого ежегодного прироста. Так, в 2010–2011 гг. оно сохранялось на уровне 1935–1945 ppb, а с 2012 г. возросло до 1964–1967 ppb. Годовой ход концентрации СН 4 в районе обсерватории «ZOTTO» хорошо согласуется с ранее показанным для различных постов Западной Сибири, где также прослеживаются два максимума – в летний и зимний периоды. Тогда как время наступления летнего минимума в концентрации СН 4 в некоторых районах Западной Сибири может регистрироваться раньше – в мае, как, например, на посту «Демь-янское». При этом сравнительный анализ среднемесячных значений содержания метана в атмосфере среднетаежной подзоны с другими районами Сибири (широтный диапазон от 58 до 63°) [12] выявил общую тенденцию к его снижению в восточном направлении от 65 до 130° в.д. В связи с этим среднегодовое содержание метана в районе обсерватории ниже, чем в других района Западной Сибири, что согласуется с сокращением площадей заболоченных территорий при продвижении на восток к р. Енисей.

Выводы. В результате проведенной нами работы установлено, что в теплое время года концентрация как СО2, так и СН4 имеет выраженную суточную динамику. Ее амплитуда максимальна на высоте 4 м (около поверхности земли) и практически отсутствует на высоте 301 м. Для обоих исследуемых газов пока- зано формирование вертикального градиента в концентрациях ночью и его отсутствие днем как следствие суточной динамики функционировании лесных биогеоценозов и состояния пограничного слоя атмосферы. Показано, что в среднетаежной подзоне Сибири концентрация СН4 имеет два годовых пика – в зимнее (январь–февраль) и летнее (август) время. Максимальные концентрации СО2 фиксировались с декабря по март, а минимальные – в июле. Установлено, что зимнее содержание метана за исследуемый период изменялось незначительно: от 1935–1945 ppb в 2010–2011 гг. до 1964–1967 ppb в 2012 г., в отличие от содержания диоксида углерода, которое увеличилось: от 397.2±2.7 ppm в 2010 г. до 407,6±2,7 ppm в 2014 г. Летние концентрации исследуемых газов возросли с 367,3±1,5 ppm в 2009 г. до 382,4±2,4 ppm в 2013 г. для СО2 и с 1900±45 ppb в 2009 г. до 1941±52 ppb в 2013 г. для СН4.