Голубой вагон в погоне за облаком

«Озоновые дыры» и снижение содержания озона в глобальной атмосфере Земли уже давно вызывают законную тревогу. Основной озоновый слой в стратосфере находится на высоте 20–25 км и защищает живые организмы на Земле от вредной ультрафиолетовой радиации Солнца.

Иная роль озона в приземном воздухе. Как сильнейший окислитель, даже более сильный, чем пары соляной кислоты, озон определяет химический состав воздуха , которым мы дышим. Свежий воздух со средним уровнем озона человеку полезен, потому что в организме хорошо идут обменные процессы. Если озона мало, то обмен веществ и окислительные процессы слабеют. Воздух с высокой концентрацией озона воздействует на слизистые оболочки, обжигая органы дыхания. Если долго дышать таким воздухом, то начинаются необратимые изменения в органах дыхания.

Ситуации, когда эта опасность превращается из гипотетической в реальною, отнюдь не редки. В Биробиджане и в городах Дальнего Востока летом, в солнечную жаркую погоду, когда загрязненный воздух идет из Китая и Японии , концентрация приземного озона намного превышает опасный уровень. То же наблюдалось в Москве летом 2002 года, когда к антропогенным загрязнениям добавились продукты горения леса и торфа. Высокие концентрации озона нередко образовываются в помещениях, где работает оргтехника, особенно старые копировальные приборы, или источники ультрафиолетового излучения. Такие же явления могут быть в соляриях.

В последние годы уровень озона в приземном слое активно рос во всех странах, и контроль за его содержанием вблизи поверхности земли считается одной из основных экологических задач. Чем страна более экономически развита и чем южнее она расположена, тем сильнее выросла там концентрация приземного озона: по оценкам американских специалистов, за прошлое столетие в Северном полушарии она увеличилась примерно в 2–2,5 раза. Ежегодные потери в экономике США — прежде всего, в сельском хозяйстве и рыболовной отрасли, — из-за повышенной концентрации озона и связанной с ней деградации растительности оцениваются ими в $ 3–4 млрд.

Наша страна находится севернее, здесь нет такой активной генерации озона. Более того, замечено даже некоторое снижение. Однако в последние годы растет концентрация озона в городах и промышленных районах, где высоки выбросы в атмосферу окислов азота и летучих органических соединений.

Дело не только в количественном росте этих выбросов, но и в существенном изменении их состава. Раньше наше производство ориентировалось на довольно инертные вещества и компоненты (определенные марки бензина, топлива, масла, краски, различные растворители), которые разрушались в атмосфере медленно. Выбросы транспорта или промышленности влияли на загрязнение не столько города, сколько региона, расположенного ниже по шлейфу, и это влияние из-за быстрого перемешивания было весьма умеренным.

Теперь легкие и реактивные примеси и вещества, на которые переходят строительная промышленность и транспорт, разрушаются в атмосфере значительно быстрее и трансформируются в другие соединения. У лаков и красок часто нет запаха, они быстро высыхают. Однако в городах усиливаются химические процессы и вообще окислительные свойства атмосферы. Чаще и в большем объеме образуются и токсичные соединения. Поэтому по уровню токсичности наши города сравниваются с западноевропейскими и американскими, хотя средняя концентрация приземного озона у нас ещё существенно ниже, чем в Северной Италии , на юге Франции , в США.
Изменения климата, загрязнение окружающей среды, ухудшение качества воздуха требуют постоянного наблюдения за состоянием атмосферы. Такую информацию собирает сеть Глобальной службы атмосферы (Global Atmospheric Watch). Она состоит из трехсот пятидесяти региональных станций и двадцати пяти обсерваторий, которые расположены по всему миру. Российские станции в сеть не входят, из-за того что, как правило, не калиброваны, очень ограничены по набору измеряемых параметров и дают слишком разнородные данные. Только недавно Высокогорную научную станцию Института физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН (ИФА) в Карачаево-Черкесии включили в сеть как региональную.

В 1995 году ученые ИФА РАН при поддержке нобелевского лауреата, директора Института химии им. Отто Гана Общества научных исследований им. Макса Планка (Max-Planck-Institut für Chemie–Otto-Hahn-Institut) Пауля Крутцена (Paul J. Crutzen), решили создать передвижной вагон-лабораторию, включить его в состав обычного пассажирского поезда и проводить комплексные наблюдения. Всего за девять месяцев была подготовлена первая экспедиция, которая отправилась через всю страну во Владивосток . Несколько экспедиций финансировала Германия , дальнейшая работа продолжается за счет грантов, и это не очень эффективно: вагон мог бы ездить и собирать информацию регулярно, а не раз в год.

Название вагона-лаборатории TROICA (TRanscontinental Observations Into the Chemistry of the Atmosphere) в переводе означает «трансконтинентальные данные наблюдений химии атмосферы». Научный руководитель экспериментов TROICA — заведующий отделом исследований состава атмосферы ИФА РАН профессор Николай Филиппович Еланский. Лаборатория комплексного мониторинга состояния окружающей среды состоит из двух вагонов. Один вагон — это обсерватория на колесах: здесь используются все приборы и методики, применяемые в сети станций обсерваторского типа. Приборы газового комплекса измеряют почти все ключевые газовые примеси, приборы аэрозольного комплекса измеряют основные аэрозольные характеристики, спектрометры измеряют содержание примесей в стратосфере и контролируют состояние озонового слоя. Второй вагон — химическая лаборатория, где можно во время движения анализировать пробы воздуха, воды, почвы, растительности, аэрозолей. Она оснащена автомобилем, который может собирать пробы и проводить первичные наблюдения на большой территории. Вагон ставится сразу за электровозом, все датчики и воздухозаборники вынесены над ним: таким образом берутся пробы чистого воздуха.

Основные маршруты лаборатории TROICA: Калининград — Москва — Владивосток (Транссиб), Калининград — Москва — Комсомольск-на-Амуре — Ванино (БАМ) , Мурманск — Москва — Кисловодск , Воркута — Нижний Новгород — Волгоград — Махачкала, Новый Уренгой — Екатеринбург — Астрахань . В конце октября 2009 года завершилась тринадцатая экспедиция, которая проходила по Рязанской и Тульской областям, а затем по Транссибирской магистрали от Москвы до Владивостока и обратно.

Важное новшество лаборатории в том, чтобы следить не просто за высокими концентрациями определенных веществ в определенном месте, а зафиксировать малые колебания концентрации на фоновом уровне. Химический, элементный и изотопный анализы позволяют не только проследить распределение примесей и вклад различных источников (антропогенных и природных) в загрязнение атмосферы, но и определить, откуда пришли эти загрязнения, а также оценить эмиссии таких парниковых газов как метан, CO2, CO, закись азота. Наблюдения ведутся по обе стороны от железнодорожного полотна и в местах, где достаточно хорошая видимость. Приборы дистанционного контроля дают возможность оценивать выбросы от промышленных источников, расположенных в приземном слое на расстоянии 5–8 км от железной дороги. Через каждые 10 или 60 секунд измеряются 40–50 параметров. Все данные поступают в единую базу. Поэтому их очень важно сразу сортировать — полученные в городах, в шлейфах городов, в чистых условиях, — и по отдельности анализировать характерные особенности для разных условий.

Наблюдения вдоль железной дороги — это не просто ниточка из данных. Трехмерные фотохимические и транспортные модели позволяют растянуть материалы наблюдений на всю территорию, которую пересекает железная дорога, оценить состояние и состав атмосферы, выявить источники загрязненных воздушных масс и их химическую трансформацию во время движения. Чтобы по наблюдениям можно было построить реальную картину, необходимо задать все базовые источники выбросов.

Европейские страны уже провели такую инвентаризацию. В России инвентаризация источников не проведена (даже в Москве) из-за того, что не принята национальная программа по мониторингу состояния окружающей среды. Есть модели для каких-то регионов, но достаточно взять территорию побольше, и источники загрязнений приходится вводить очень приблизительно.

Имея несколько автоматизированных станций, можно было бы заменить традиционную сеть типа Глобальной службы атмосферы на подвижную — существенно более дешевую и эффективную. В этом направлении ученые сейчас и работают. Тринадцатая экспедиция TROICA опиралась уже на автоматизированную систему. Приборы передают все данные на единый сервер, часть данных через спутниковую систему поступает в Москву. Если прибор зарегистрирует возникновение экстремальной условия, то режим работы станции автоматически переключится, информация о загрязнении сразу пойдет в местную администрацию или МЧС. Такое случалось во время экспедиций в Биробиджане: там пришедшие из-за рубежа загрязненные воздушные массы встречаются с оксидантами, которые выбрасываются в атмосферу в наших городах, и очень быстро формируются высокие концентрации приземного озона, а также токсичные соединения.

Часто, особенно в 90-х годах, ученые видели мощные утечки метана из газопроводов. В пятой экспедиции TROICA в 1996 году был отмечен очень высокий уровень концентрации метана на газопроводе между Омском и Новосибирском. Через полгода в этом месте произошел взрыв. В последние годы таких утечек стало намного меньше, хотя полностью избежать их нельзя. «Шапку» метана над Западной Сибирью раньше практически безоговорочно связывали с устаревшей технологии добычи и переработки газа, а потом оказалось, что на 98% она формируется за счет болотного газа.

Естественные источники метана в России очень велики, поэтому одна из важнейших задач мониторинга — исследовать соотношение между естественными и антропогенными источниками парниковых или токсичных газов. Наблюдения в поезде хороши тем, что, прорезая шлейф от какого-то источника (от локального предприятия, от города или даже от выноса загрязненного воздуха, который распространяется на несколько сотен километров), можно оценить количество выброшенного вещества. TROICA — пока единственная лаборатория, которая позволяет это делать. Если регулярно ходить вдоль западной и южной границ России, то можно довольно точно оценивать вынос всех загрязнений на нашу территорию, то есть подсчитывать ущерб, который несут наша природная среда и наше хозяйство. В основном загрязненные воздушные массы сбрасываются на нашей территории, а от нас уходит более или менее чистый воздух. Получается, что в общем мировом балансе Россия атмосферу чистит. «В странах западной Европы из-за высокой концентрации приземного озона в больших городах перестали вырастать хорошие оперные певцы, — пояснил Еланский. — У нас она пока ниже. Может быть, поэтому наши певцы пока что ярче выглядят, и их больше».

Традиционно загрязнение в городах определялось по четырем основным параметрам: озон, окислы азота, двуокись серы и аэрозоль. Методики контроля загрязнения были рассчитаны на измерение их концентраций. За последние годы выяснилось, что для определения качества воздуха этого недостаточно, потому что имеется много веществ, воздействие которых на человека и на природную среду даже при небольших концентрациях весьма разрушительно. К ним относятся многие органические соединения. У нас они практически нигде не контролируются. Эти анализы дороги и выполняются очень редко и в отдельных местах — в районе свалки или мусоросжигающего завода . В TROICA установлены приборы, которые наблюдают все основные химически активные органические составляющие, определяющие химическую активность атмосферы.

Чтобы судить о качестве воздуха в городе и предсказать его изменение, надо иметь хорошую модель. Она должна учитывать городскую застройку, зеленую зону, расположение предприятий, орографические эффекты и все остальное. Базовая модель должна быть одна и та же для разных городов, а конкретная — своя для каждого. Если загрязнение превышает определенный критический уровень, население города надо оповестить и дать конкретные рекомендации. Для этого нужно рассчитать изменение состава приземного воздуха на территории города и спрогнозировать его изменения — в каком направлении будет развиваться чрезвычайная ситуация. Таково современное решение проблемы. Однако для его реализации необходимо создать постоянно действующие лаборатории не только в Москве — одним-единственным вагоном для всей остальной страны тут не обойтись.

Предельные допустимые концентрации (ПДК, Threshold Limit Values, TLV) установила Всемирная организация здравоохранения, и власти не могут изменять их по своему произволу, хотя в каждой стране есть национальные поправки. Сейчас они уже требуют пересмотра, как и все устаревшее законодательство в области окружающей среды. Работа лаборатории TROICA основана на новых приборах, в ней используются новые методики, новые технологии для расчета и для диагностики состояния приземного воздуха, но данные наблюдений невозможно передать никому — ни МЧС, ни властям, поскольку полученные результаты зачастую невозможно привести в соответствие с устаревшими нормативами. В настоящее время речь идет о создании нового законодательства, которое учитывало бы новые возможности вовремя обнаружить и количественно определить неизвестную раньше опасность.