Перегляд повідомлення

Автор статті – завідувач лабораторії атмосферної оптики Головної астрономічної обсерваторії НАН України, провідний науковий співробітник ГАО НАН України кандидат технічних наук М.Г. Сосонкін.

Атмосфери планет є традиційним об’єктом дослідження астрономів. Не залишається поза їхньою увагою й атмосфера Землі. З одного боку, наша атмосфера – це оптичне середовище, через яке ведуться астрономічні спостереження і стан якого істотно впливає на якість зображення астрономічних об’єктів. З іншого боку, від фізичних процесів в атмосфері найістотнішим чином залежать умови життя на Землі і вивчення цих процесів за допомогою підходів і методів, звичайних для астрономів, дає нові результати. Низка досягнень за цими напрямами стали передумовою для досліджень приземного озону в Головній астрономічній обсерваторії (ГАО) НАН України.

Моніторинг концентрації озону в приземному шарі повітря є обов’язковим для кожної розвиненої держави, а зусилля, спрямовані на вивчення приземного озону, показово характеризують рівень підходу в цій країні до оцінювання стану навколишнього повітря як чинника, що визначає якість життя. Озон у навколишньому повітрі негативно впливає на здоров’я людини, на стан сільськогосподарських посівів, саме тому стандартом СРСР 1988 року (ГОСТ 12.1.005-88) озон було віднесено до домішок 1-го класу небезпеки, концентрації яких підлягають обов’язковому автоматичному моніторингу. Незважаючи на це, в Україні не існує ні державної, ні регіональних систем моніторингу забруднення повітря за цим параметром. На сьогодні моніторингові вимірювання концентрації озону в приземному шарі, що відповідають вимогам Всесвітньої Метеорологічної Організації (WMO), здійснюються тільки на двох станціях у Києві. Найбільш якісна і тривала низка спостережень була виконана лабораторією біоіндикації і хемосистематики Національного ботанічного саду імені М.М. Гришка НАН України. Під керівництвом О.Б. Блюма лабораторія займається вивченням фітотоксичності озону і методами захисту сільськогосподарських рослин від його впливу. Пункт моніторингу в ГАО НАН України почав функціонувати пізніше – після його апаратного оснащення в ході виконання гранту №3894 УНТЦ (2006-2007 рр). Накопичений цими пунктами спостережний матеріал був використаний у низці спільних робіт, де порівнювалися рівні й багаторічні тренди приземного озону в мегаполісах колишнього СРСР.

Як одна з основних індикативних забруднювальних домішок, озон не має прямих антропогенних або біогенних джерел, а є продуктом фотохімічних реакцій між багатьма первинними забруднювальними домішками. В першу чергу це – NO_x, CO, SO₂, CH₄, різні неметанові леткі сполуки (VOC) і інші. Здебільшого ці реакції нелінійні, їх швидкості залежать від концентрацій, метеорологічних факторів, виду та форми підстильної поверхні і так далі, тому навіть короткострокове прогнозування поведінки озону в приземному повітрі видається досить складним завданням. Для розв’язання завдань прогнозування створюються та використовуються спеціальні моделі різних рівнів складності, які повинні бути частиною систем моніторингу озону. Зусиллями й ентузіазмом А.В. Шавріної в ГАО НАН України була отримана, адаптована, протестована й підготовлена для регулярного використання модель UAM-V. Так звана «Модель Міського Факела» – UAM, була розроблена і підтримується SAI (System Application International). Її коріння сягає перших спроб фотохімічного моделювання якості повітря на початку 1970-х років. З цього часу модель зазнавала майже безперервного застосування, всебічного удосконалення та поліпшення. Модель Міського Факела зі змінною сіткою UAM-V на той час була найбільш передовою робочою версією моделі UAM. Вона містила множинне розбиття сітки на чарунки, де розраховується перенесення озону і забруднювачів, його попередників у регіональній шкалі та шкалі деяких міських площ. UAM-V дає змогу варіювати число й розташування вертикальних шарів, задавати тривимірний масив метеорологічних змінних. Програмні модулі UAM-V містять облік випадання в осад, виникнення факелів, зміна сонячного потоку і хімічної кінетики. У UAM включена Прогностична Метеорологічна Модель SAIMM із чотиривимірними масивами даних. Для розв’язання рівнянь хімічної кінетики UAM-V використовує розширену версію IV Механізму Вуглецевих Зв’язків CB-IV, який містить понад 100 реакцій і понад 30 хімічних сполук.

Організація та забезпечення безперервного моніторингу одночасно із практичним освоєнням складної моделі – це вагомий результат роботи та багатий досвід. Атаке зустрічається не часто. Можна стверджувати, що саме вміння астрономів працювати зі складними моделями, достатній досвід роботи зі складним науковим обладнанням і, нарешті, постійне прагнення використовувати найпередовіші інформаційні технології дали змогу астрономічній установі, не виходячи за межі кола своїх стандартних завдань, малими ресурсами отримати значущий результат. Цей досвід має використовуватися при імплементації європейських норм контролю якості повітря в Україні.

Рис.1. Сезонні варіації добового ходу концентрації приземного озону в м. Києві

Рис.2. Результати моделювання за допомогою UAM-V ходу концентрації озону протягом епізоду 19-20 серпня 2000 року. 1 – дані вимірювань в Національному ботанічному саді імені М.М. Гришка НАН України. 2, 3, 4 – результати моделювання при різних варіантах шкалювання забруднювальних викидів-прекурсорів озону

Рис.3. Розрахований розподіл приземного озону в Києві під час однієї години епізоду з максимальною концентацією. Зірочкою позначно місце розташування озонометру в Національному ботанічному саді імені М.М. Гришка НАН України