автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Аппаратно-программный комплекс измерения потоков CO2 в системе вода-атмосфера на озере Байкал

На правах рукописи

ПЕСТУНОВ Дмитрий Александрович

АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ИЗМЕРЕНИЯ ПОТОКОВ С02 В СИСТЕМЕ ВОДА-АТМОСФЕРА НА ОЗЕРЕ БАЙКАЛ

Специальность 05.11.13. -Приборы и методы контроля природной

среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск-2010

004604410

Работа выполнена в Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН г. Томск и в Национальном исследовательском Томском политехническом университете

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук Панченко Михаил Васильевич

доктор технических наук, профессор Макуха Владимир Карпович

доктор технических наук, профессор Кербель Борис Моисеевич

Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН

Защита диссертации состоится 22 июня 2010 г. в 15:00 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.09 при Национальном исследовательском Томском политехническом университете по адресу: г. Томск, пр. Ленина, 2, ауд. 213.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского Томского политехнического университета по адресу: 634034, г. Томск, ул. Белинского, 53

Автореферат разослан 20 мая 2010 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.09, доцент, к.т.н. Б.Б. Винокуров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Вопрос изменения климата сегодня стоит как никогда остро. Участившиеся ситуации природных катаклизмов, опустынивание значительных территорий и ряд других мировых проблем, вероятно, вызваны ростом средней температуры на Земле. Изменения эти связывают с усилением парникового эффекта обусловленного устойчивым ростом содержания в атмосфере углекислого газа.

По мнению специалистов, половина количества углекислого газа, образующегося в результате деятельности человека (сведение лесов, ирригация болот, сжигание ископаемого топлива), остается в атмосфере. Этот факт говорит, во-первых, о существенном антропогенном вкладе в климатическую систему, а во-вторых, о том, что существующие стоковые механизмы на планете не справляются с этим воздействием.

Оборот углерода в естественных экосистемах преимущественно связан с процессом фотосинтеза биоценозов суши и океана. На сегодняшний день уже достаточно полно сформированы основные представления о стоках и источниках атмосферного углекислого газа в глобальном масштабе, а на основе полученных данных построен ряд прогностических моделей.

Основной интерес специалистов в настоящее время сосредоточен на процессах регионального масштаба. В гидросфере исследования по инвентаризации С02, как правило, направлены на изучение газообмена между атмосферой и Мировым океаном. Однако, как возможные источники и стоки, из рассмотрения упускаются системы озер, что, несомненно, важно для многих географических районов.

Озеро Байкал занимает значительную территорию внутри континента и вносит ощутимый вклад в климат региона, в то же время вопрос о газообмене С02 с атмосферой на наш взгляд остается слабоизученным. Очевидно, что для этого необходимо детально исследовать внутрисуточную, сезонную и межгодовую динамику переноса углекислого газа через границу раздела вода-атмосфера на Байкале, что невозможно без проведения соответствующих измерений. До начала наших работ в Байкальском регионе измерения углекислого газа в атмосфере практически отсутствовали, а для оценки потока использовалась фоновая (планетарная) концентрация газа, без учета суточного и сезонного хода. Это ограничивает возможность использования такого подхода для количественной оценки процессов газообмена, протекающих в водах озера.

Целью данной работы является разработка методики измерения потока углекислого газа между водой и атмосферой в условиях, характерных для прибрежной зоны и пелагиали водных объектов и создание аппаратуры, реализующей измерения по данной методике, как в ручном, так и в автоматическом режимах. По результатам измерений требуется изучить годовой ход обмена углекислым газом озера Байкал с атмосферой.

(

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Сравнительный анализ существующих методов измерения потоков и выбор наиболее оптимальных:

• с точки зрения применимости их на разделах сред вода-атмосфера в прибрежной и центральной частях водоемов;

• с учетом особенностей монтажа измерительного оборудования на водной поверхности;

• с учетом доступности современных технологий и средств для реализации измерений.

2. Исследование возможности применения выбранного метода в условиях волнового и ветрового режимов, свойственных озеру Байкал и обеспечение высокой чувствительности метода для использования на олиготрофных объектах;

4. Подбор газоанализатора С02 предназначенного для измерений фоновых концентраций;

5. Разработка и изготовление узлов аппаратной части и программного обеспечения комплекса, реализующего измерения по наиболее предпочтительной в литоральной зоне методике;

6. Апробация аппаратно-программного комплекса (АПК) в натурных условиях, доработка узлов с учетом выявленных в ходе испытаний недостатков и дополнительных потребностей;

7. Проведение измерений потоков С02 доя всех характерных гидрологических сезонов с целью выявления суточного, сезонного и межгодового хода процессов газообмена, а также предварительная оценка среднегодового баланса углекислого газа озера Байкал, сравнение полученных результатов с литературными данными.

8. Создание мобильного комплекса и проведение с его помощью измерений в открытой части озера с последующим сопоставлением результатов измерений в литорали и пелагиали Байкала.

Методы исследования. Содержание концентрации С02 в воздухе измерялось недисперсионным ИК-газоаналгоатором, созданным на базе сенсора Vaisala GMM12. Измерения скорости газообмена проводились камерным методом. С помощью закрытой камеры проведены первичные испытания, т.е. поиск оптимальной чувствительности, обеспечение плавучести и способы надежной фиксации на воде. Для непрерывных измерений потоков применялись два типа проветриваемых камер. Парциальное давление С02 в воде измерялось с помощью эквилибратора. В программном обеспечении системы управления комплекса реализованы алгоритмы первичной обработки данных. Фильтрация данных, расчет потоков, статистическая обработка результатов выполнялись в пакете Origin Pro 7.5 с помощью специально написанных скриптов.

Достоверность полученных результатов обеспечена регулярной калибровкой используемого в работе газоанализатора (ГА) С02 по стандартным смесям (ООО «Мониторинг», СПб.). В ряде измерительных циклов проводилась интеркалибровка аттестованными ГА «0птогаз-500.4» (ЗАО «ОРТЕС», СПб.) и 1лС011-840 (1лСОЯ 1пс, США). Полученные результаты лежат в пределах погрешности измерений.

В процессе отладки метода измерение потоков велось двумя типами камер. Сравнение результатов на основании недостатков одной и достоинств другой позволяло выделять положительный сигнал и исключать ошибки.

Парциальное давление растворенного в воде углекислого газа, измеренное с помощью эквилибратора, хорошо согласуется с результатами расчета по данным химического анализа воды.

Измерения камерным методом во все сезоны сопровождались работой эквилибратора. Полученные данные о потоке соответствуют разнице парциальных давлений С02 в атмосфере и в воде.

Полученные в работе экспериментальные результаты и выводы о суточной, сезонной и межгодовой изменчивости потоков углекислого газа соответствуют современным представлениям о циклах жизнедеятельности биоты озера Байкал.

Научная новизна работы состоит в том, что:

• создана первая на Байкале автоматизированная обсерватория, где помимо потоков С02 ведутся измерения физико-химических параметров водной среды и приводной атмосферы. Это позволяет сопоставить направление и величину потоков с текущими характеристиками сред;

• для реализации камерного метода предложено устройство открытой камеры, которое позволило упростить систему проветривания, обеспечив при этом жесткость и герметичность конструкции, что актуально при работе во время шторма. Благодаря принудительной прокачке время проветривания открытой камеры сокращено, по сравнению с традиционной конструкцией;

• с помощью эквилибратора впервые на Байкале проведены прямые измерения содержания С02, растворенного в воде;

• впервые на озере Байкал проведены измерения суточной, сезонной и межгодовой динамики атмосферного углекислого газа и его потока через границу вода-атмосфера. На основании этого дана предварительная оценка суммарного потока С02 в системе «вода-атмосфера» в литоральной части озера .

Практическая ценность. В результате проведенных исследований:

• создан газоаналитический комплекс, который может быть использован для проведения измерений потоков газа, как на природных объектах с низкой интенсивностью газообмена, так и в зонах промышленных водоемов и сточных водах;

• разработан и внедрен в режим рутинных измерений эквилибратор с высокими временными показателями, что позволяет использовать его в соста-

ве мобильного комплекса для получения пространственного распределения растворенного С02 и при многопрофильных измерениях с высокой разрешающей способностью;

• построена многоканальная система съема, обработки и хранения данных, с возможностью подключения дополнительной измерительной аппаратуры, не внося значительных изменений в программно-аппаратную часть, что положительно скажется на дальнейшем развитии измерительного комплекса;

• внесены коррективы в камерный метод исследования потоков газа, учитывая особенности проведения измерений в системе вода-атмосфера;

• получены длинные ряды наблюдений концентрации С02 в поверхностной воде и атмосфере на озере Байкал, а также суточный и сезонный ход обмена углекислым газом. Все это представляет интерес не только для климатологов, но и для ученых лимнологов, изучающих миграцию органического вещества в озерной экосистеме;

• созданная аппаратура и результаты работы могут быть использованы специалистами, изучающими водные объекты и природоохранными службами.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработан и создан газоанализатор, в котором специальная система про-боподготовки и термостабилизации сенсора, а также применяемая процедура регулярной калибровки, обеспечили погрешность измерения С02 не хуже 1%;

2. Измерение парциального давления С02, растворенного в воде, посредством эквилибратора в рамках комплекса предпочтительнее химическому анализу, поскольку обеспечивает непрерывный и автоматический режим работы;

3. Созданный аппаратно-программный комплекс обеспечивает измерение потока на разделах сред «вода-атмосфера» с чувствительностью 2-3 мг С02 м-2 ч-1, что дает возможность использовать данный комплекс на объектах с низкой интенсивностью газообмена;

4. Газообмен С02 на озере Байкал имеет выраженный суточный и сезонный ход, при этом в зависимости от гидрологического сезона вода озера является как источником, так и стоком атмосферного углекислого газа. Данные многолетних измерений показали, что в период открытой воды в литорали озера суммарный сток атмосферного углекислого газа составляет 3-5 г С02 м-2 в год.

Личный вклад автора. Разработка и изготовление аппаратной и программной частей комплекса, написание скриптов обработки данных проводились автором самостоятельно. Автор принимал непосредственное участие в натурных экспериментах и отладке работы комплекса в течете 28 измерительных циклов с 2003 по 2009 год. Обработка и анализ данных, а также подготовка публикаций выполнялись совместно с соавторами (указаны в списке опубликованных работ).

Апробация работы. Материалы, вошедшие в работу, докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах:

• III международная школа молодых ученых и специалистов «Физика окружающей среды» (Томск, 2002);

• III, IV, VI международные симпозиумы «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск, 2002-2008);

• V, VI сибирские совещания по климатоэкологическому мониторингу (Томск, 2003-2005);

• II всероссийская конференция молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в третьем тысячелетии» (Томск, 2003);

• Всероссийская научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления» (Томск, 2003);

• X-XVI рабочие группы Аэрозоли Сибири (Томск, 2003-2009);

• Advanced research workshop «Advance in C02 geological sequestration in eastern and western European countries» (Tomsk, 2004);

• XI, XII, XIII Joint International Symposiums "Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics" (Tomsk, 2004-2006);

• IV Верещагинская байкальская конференция (Иркутск, 2005);

• Научная конференция «Природные ресурсы Забайкалья и проблемы геосферных исследований» (Чита, 2006);

• Международная научная конференция «Проблемы устойчивого функционирования водных и наземных экосистем» (Ростов-на-Дону, 2006);

• Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Красноярск, 2009);

• Second European Large Lake Symposium ELLS2009 (Norrtelje, Sweden, 2009);

• Международная конференция «Ресурсная экономика, изменение климата и рациональное природопользование-2009» (Красноярск, 2009).

Работа выполнялась в рамках плана научно-исследовательских работ Института оптики атмосферы СО РАН в период с 2002 по 2009 годы, в том числе по программам: «Физика атмосферы и окружающей среды», № 0120.0 406057; «Актуальные вопросы оптики атмосферы», № 01.2.007 04736; а также по программам фундаментальных исследований отделения наук о Земле РАН: №3 «Водные ресурсы, динамика и охрана подземных вод и ледников» (2006-2008 гг.); № 11 «Оценка, прогноз и методы управления водными ресурсами с учетом их качества и экологического состояния» (2009-2011 гг.); поддержана грантом РФФИ №08-05-00258-а.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 57 работ, в том числе 11 рецензируемых статей в центральной печати и 4 патента РФ на ПМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 194 наименования; изложена на 151 странице, включая 66 рисунков и 10 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении раскрывается актуальность диссертационной работы, дается ее общая характеристика и формулируется цель работы. Излагаются основные задачи исследования и результаты, выносимые на защиту.

Первая глава представляет собой краткий обзор современного представления о климате и круговороте атмосферного углерода, а также аппаратных средств и методов исследования газообмена атмосферного С02 с подстилающей поверхностью Земли.

Обсуждается роль парниковых газов в формировании климата Земли, в том числе углекислого газа, содержание которого в атмосфере непрерывно растет (рис. 1). Многочисленные исследования показали, что в результате деятельности человека в атмосферу выбрасывается несколько гигатонн углерода в год, а существующие природные механизмы не успевают связывать его избыток. Самое большое влияние на содержание атмосферного С02 оказывают естественные экосистемы, поскольку большая часть углерода задействована в процессах дыхания и фотосинтеза. В период, когда растения набирают массу, наблюдается снижение углекислого газа в атмосфере. В другие периоды его содержание в атмосфере пополняется в результате окисления растительных тканей. Этим обусловлен сезонный ход атмосферного С02 (рис. 1, серая кривая).

380

360

340

320

С02, млн'1 Т.....—-т----Г"

лАпрп иЬЖр 1 .1 . 1 Год

II

Рис. 1. Рост концентрации С02, зафиксированный на станции мониторинга (г. Мауна-Лоа, Гавайские о-ва). Серая кривая представляет среднемесячное значение, черная кривая — оСредненное за предыдущие и последующие семь месяцев

1960

1970

1980 1990 2000 2010

Среди всего многообразия средств аналитической аппаратуры для проведения рутинных измерений фоновых концентраций С02 наибольшее распространение получили недисперсионные ИК-газоанализаторы, которые обеспечивают достаточную точность измерений при высокой скорости преобразования. Особое внимание уделяется качественной пробоподготовке. Для ИК-сенсоров, чувствительных к парам воды, необходима предварительная осушка пробы. Стабилизация расхода и температуры пробы способствуют качественным измерениям.

Самый распространенный на сегодняшний день метод измерения потоков газа - метод вихревой ковариации и его подвиды (микрометеорологические методы) используется на многочисленных станциях мониторинга в рамках

мировых программ изучения углеродного цикла. Преимущество микрометеорологических (ММ) методов в том, что объект исследований охватывает значительные территории, поэтому он незаменим при оценке углеродного обмена в тропических или бореальных лесах. Однако с помощью него практически невозможно выделить вклад отдельных участников углеродного обмена, что было бы актуально при изучении газообмена с одной из нескольких экосистем, расположенных в непосредственной близости друг от друга. К недостаткам ММ методов можно отнести дороговизну и жесткие требования к чувствительности и быстродействию измерительной аппаратуры.

Отделить объект исследований от иных источников и потребителей атмосферного углерода позволяют камерные методы измерения потока, которые обеспечивают прямые измерения прироста или убыли газа в изолированном объеме. Кроме того, эти методы получили широкое распространение ввиду их простоты и доступности.

Недостатком камерного метода является влияние аппаратной части на объект исследования и среду, в которой он находится. Среди них можно отметить искажение температуры и ветрового поля, изменение освещенности и других факторов, способных влиять па газообмен. Однако эксперименты, в которых сравнивались результаты измерений камерными и микрометеорологическими методами, показали их хорошую согласованность.

Трудность использования ММ методов при исследованиях газообмена с океаном обусловлена искажениями показаний, вызванными перемещением чувствительных элементов из-за волнения. Для компенсации движения вводятся следящие системы и алгоритмы коррекции, что не обходится без ухудшения точностных характеристик и дополнительно увеличивает стоимость измерительного оборудования.

Применение камер на водной поверхности так же сопровождается рядом трудностей, вызванных введением специальных мер для снижения колебания давления в камере во время качки и, одновременно, ее надежной фиксацией. Именно поэтому данная методика хорошо отработана и стандартизирована для измерения потоков с неподвижных объектов, таких как ледник, почва, болото и др.

Скорость и направление потока газа через границу вода-атмосфера можно вычислить по разнице парциальных давлений газа в этих средах. Достоинство такого подхода в том, что реализация измерений наиболее простая из всех рассмотренных, однако существует неопределенность степени влияния скорости ветра, состояния водной поверхности и ряда других параметров на скорость переноса газа через границу раздела сред вода-воздух. Оценка коэффициента переноса у разных авторов отличается до 3-х раз. Имеются ограничения применения метода в прибрежной зоне.

Одновременные измерения различными методиками позволяют сопоставить результаты, тем самым выявить сильные и слабые стороны того или иного метода во время отладки, а также откорректировать полученные данные. В

данной главе рассмотрены способы оценки содержания С02, растворенного в воде. Здесь же приводятся физико-химические свойства углекислого газа, а ввиду специфики работы особое внимание уделено процессам растворения С02 в воде.

В конце обзора приводятся результаты работ по биологической продуктивности озера Байкал и его газообмена с атмосферой. Показано, что развитие различных видов фитопланктона имеет собственный сезонный ход активности и носит квазипериодический характер. Таким образом, продуктивность озера из года в год может отличаться. Специалистами из Лимнологического института (г. Иркутск) проведен теоретический анализ накопленных данных о составе и температуре байкальской воды, ветрах и течениях, характерных для каждого сезона. По рассчитанной разнице парциальных давлений ими был построен сезонный ход газообмена С02 между озером и атмосферой. Прямых измерений давления углекислого газа в приводной атмосфере не проводилось. За основу были взяты фоновые значения удаленных станций мониторинга без учета суточного и сезонного хода. Такой подход привел авторов к выводу о том, что озеро Байкал является источником С02 практически на протяжении всего года, эеазия (выход) газа из озера составляет от 100 мгС02 м~2 сут1 в августе до 400 мгС02 м сут1 в предледоставный период, а за год (без учета периода закрытой воды) выход составляет около 50 гС02 м~2.

Во второй главе обосновывается выбор метода измерения, и рассматриваются основные компоненты комплекса, их устройство, принцип работы, характеристики и компоновка в АПК.

Для исследования процессов газообмена С02 атмосферы с водной поверхностью на озере Байкал предпочтение отдано камерному методу, наиболее простому в реализации, позволяющему локализовать исследуемый объект, как источник обмена. В камерном методе величина и направление потока газа между объектом исследования и атмосферой оценивается по скорости изменения концентрации газа в ограниченном камерой объеме воздуха. При оценке скорости газообмена С02 озера Байкал с атмосферой, камера устанавливается на водной поверхности. Рост концентрации газа в камере означает, что идет выделение газа с водной поверхности, а спад - о поглощении. Зная площадь водной поверхности покрываемой камерой и ее внутренний воздушный объем V, по скорости изменения концентрации газа АС/А! в этом объеме, вычисляется поток в камере РсИат по формуле

ш 8

Отношение площади камеры 5 к ее объему V определяет чувствительность метода. На Байкале, для которого характерны низкие скорости обмена, нами использованы камеры с площадью покрытия от 0,5 до 1,4 м2 и объемом от 180 до 320 л.

Установившееся равновесное давление С02 между водой и воздухом в закрытой камере останавливает процесс газообмена, искажая оценку потока.

Для устранения этого недостатка в процесс измерения была введена процедура проветривания камеры, с периодичностью, зависящей от величины потока. В данной главе приводятся описание двух типов проветриваемых камер, которые используются в работе (рис. 2). Приводятся их размеры, объем, материал, из которого они изготовлены, описание систем проветривания и методы установки на воде.

Измерение растворенного в воде С02 в рутинном режиме проводилось с помощью эквилибратора, который специально был разработан для работы в комплексе (рис. 3). Эксплуатация и отладка конструкции повлекли за собой постепенное улучшение временных характеристик и повышение надежности по сравнению с первоначальной модификацией.

Рис. 2. Два типа проветриваемых камер. Внешний вид

0,2 о Л 0,6 0,8 1,0

СОг измереная в экеилибратаре, мг/л а б

Рис. 3. Устройство эквилибратора и подключение регистрирующей аппаратуры {а). Сравнение данных полученных с помощью эквилибратора с рассчитанными по рН, НСОз и температуре воды (б)

В работе описано устройство эквилибратора. Приводятся временные характеристики выхода на режим и релаксации, после выключения подачи воды, которые используются при компенсации искажений вызванных пробо-отбором.

Данные о текущем парциальном давлении С02 в воде позволяют проверить правильность оценки потока и определить зависимость скорости газообмена от воздействия внешних факторов.

Интерпретация данных о скорости газообмена невозможна без дополнительной информации о физико-химических параметрах системы вода - атмосфера. Поэтому в комплекс были введены вспомогательные устройства и датчики: рН-метр («Эксперт-001», ООО «Эконикс-Эксперт»), метеоблок, включающий в себя измерители температуры в контрольных точках, влажности воздуха, атмосферного давления, скорости ветра, потока солнечной энергии, количества осадков. Приводится детальное описание технических характеристик, исполнения датчиков, интерфейсы подключения к системе управления анализатора.

Для реализации измерений был спроектирован и изготовлен АПК, включающий в себя многоканальный газоанализатор С02, со встроенной системой управления, и все вышеописанные узлы (рис. 4).

эквилибратор

закрытая камера проветриваемая камера Х насос Рис. 4. Состав аппаратно-программного комплекса

Комплекс прошел длительные испытания в Байкальской атмосферно-лимнологической обсерватории (БАЛО, южный Байкал). На базе накопленного опыта был разработан мобильный комплекс, который используется для проведения измерений в открытой части озера. В состав мобильного комплекса входят закрытая камера и эквилибратор, для измерения С02 применяется

ГА LiCC)R-840, который учитывает содержание в пробе паров воды, поэтому система осушки пробы исключена в пользу компактности и надежности.

В конце главы приводятся рекомендации по дальнейшему развитию комплекса, с целью получения дополнительных необходимых параметров, а также оптимизации и совершенствования существующего оборудования.

В третьей главе описывается устройство многоканального газоанализатора С02, включая его систему управления и ПО, созданного для работы в данном измерительном комплексе.

В качестве измерителя С02 используется недисперсионной ИК-сенсор (Vaisala GMM12, Finland), который в своем штатном исполнении не обладает достаточной точностью для реализации измерений камерным методом. В частности данный сенсор, как и все подобного типа, чувствителен к температуре пробы, а предлагаемая математическая коррекция не обеспечивает необходимой точности измерений. После включения в газоанализатор системы термостабилизации сенсора и введения периодических калибровок стандартными смесями (220, 341 и 417 млн"1) погрешность измерения объемной доли С02 достигла ±2 млн-1.

Для нормального функционирования сенсора С02 анализируемая проба должна быть с низким содержанием влаги и взвешенных примесей, подаваться с определенной скоростью и т.д., что обеспечивается рассматриваемым в данной главе блоком предварительной пробоподготовки (БПП). Воздушный тракт построен с расчетом на подключение через селектор каналов нескольких точек отбора проб, таких как измерительные камеры, эквилибратор, атмосфера (рис. 5). .

У 77 к пробоотборникам У стравливаемый излишек

- щ газовая магистраль —электрические сигналы

Рис. 5. Структурная схема газоанализатора

Через систему управления многоканального анализатора реализовано преобразование, оцифровка и передача на ПК всех измеряемых в комплексе параметров, управление и контроль над исполнительными узлами комплекса.

Компоновка электронной схемы проведена с учетом электромагнитной совместимости аналоговых, цифровых и силовых узлов комплекса.

В описании приводится система команд и формат обмена данными между системой управления анализатора и ПК. На ПК установлено специальное ПО - пользовательский интерфейс комплекса, через который оператор управляет измерительным циклом в ручном и автоматизированном режимах. В ПО реализована первичная обработка данных, отображение на экране дисплея текущих значений и их временной развертки в виде графиков. Данные в виде текстовых файлов сохраняются на жестком диске с установленной периодичностью, соответствующей времени осреднения. СУ следит за состоянием комплекса и в случае неисправности какого-либо узла оповещает оператора.

В систему питания комплекса включены стабилизатор напряжения и источник бесперебойного питания, что является необходимой мерой в полевых условиях эксплуатации электронно-измерительной аппаратуры.

Эксплуатация комплекса в режиме мониторинга подразумевает автоматизированный процесс измерений и требует периодического вмешательства оператора, который проводит калибровку сенсора, следит за состоянием воздушных магистралей, осушителей и других компонент комплекса.

В четвертой главе представлен краткий обзор этапов отработки методики измерения потоков посредством полупогружных камер, входящих в состав описываемого комплекса, на примере более 20-ти измерительных циклов в различные сезоны с 2003-2009 гг. в литорали и пелагиали южной части озера Байкал. По результатам проведена оценка внутрисуточной и сезонной динамики содержания С02 в приводной атмосфере, а с помощью закрытой камеры получены суточный и сезонный ход той составляющей углекислого газа, которая участвует в газообмене с водой. Однако оценить поток газа с воды можно только по линейным участкам характеристики С02 в закрытой камере. Процессы пересыщения в закрытой камере ограничивают применение метода, создавая условия для оценки потока в лучшем случае два раза в сутки. Измерение потоков в непрерывном цикле стало возможным благодаря введению периодического проветривания внутреннего объема камеры (рис. 6, а, б).

Рассматриваются измеренные суточная (рис. 6, в), сезонная динамики потока и их межгодовая изменчивость. Отмечено, что в сезоном ходе максимальная скорость стока газа за сутки наблюдается с июля по сентябрь и в среднем по всем проведенным измерительным циклам составила минус 100 мгС02 м-2 сут-1 (знак минус соответствует потоку, направленному в воду).

Максимальный выход С02 наблюдается в предаедоставный период (декабрь) и в среднем составляет 100 мгС02 м-2 сут'1. Сравнение результатов измерений проведенных в одни сезоны разных лет показало, что величина потоков непостоянна, особенно в предаедоставный период. А поскольку ритмы химического состава воды и растворенных в ней газов, а, следовательно, и газообмен с приводной атмосферой на озере Байкал во многом задаются актив-

СО в проветриваемой камере, млн

00:00 01:00 0200 03:00 04:00 05:00 03:00

СО, в проветриваемой камере, млн'1

420

• режим накопления —о—режим проветривания

.... 4С-

| 16 сентября, 2004г.

4

и

12:00

13;00 14:00

15:00 16:00

17:00

2015

10-

-20-30-40-50-

поток СО , мг * м2 * ч1

[2004Г

-ш

О восход О закат

Рис. 6. Временной ход содержания С02 в проветриваемой камере в режимах проветривания и накопления (а, б) и поток С02 измеренный с ее помощью (в). Отрицательные значения соответствуют инвазии газа в воду, и наоборот. Кружками обозначено время захода и заката солнца (в)

ностью биоты, межгодовая изменчивость потока может говорить о квазипериодичности развития планктона, что подтверждается литературными данными.

С сентября 2004 по декабрь 2009 года проведено 5253 разовых циклов измерения потока во все характерные гидрологические сезоны. На основании этих данных была дана предварительная оценка баланса обмена углекислым газом в системе вода-атмосфера в литорали озера Байкал в период открытой воды. Проинтегрировав аппроксимированную по имеющимся данным кривую (рис. 7) получим, что суммарный сток газа в литорали озера составляет 3...5 гСОг м~2 в год.

Далее приводится сравнение динамики содержания С02 в воде и его потоков через поверхность воды в литорали и пелагиали озера для сезона август-сентябрь 2008 года. Значительные отличия в характере и интенсивности газообмена говорят о необходимости проведения дополнительных исследований процессов в открытой части озера. Отмечено влияние атмосферных осадков на характер газообмена и рассматриваются возможные причины. Характер дна, аэрография местности и другие геофизические особенности района, в котором расположен комплекс, оказывают влияние на условия измерений и на газообмен, поэтому тоже рассматриваются в этой главе.

Рис. 7. Аппроксимация годового потока С02 в литоральной зоне озера Байкал. Отрицательные значения соответствуют инвазии газа в воду, и наоборот. Пунктирная линия показывает интерполяцию потоков

В заключении сформулированы основные результаты и выводы по диссертационной работе.

В списке основных обозначений и сокращений приведены часто повторяющиеся в тексте обозначения и сокращения.

По тексту изложения материала в диссертационной работе принята следующая терминология. Содержание газа в атмосфере представлено в виде количества частей данного газа на миллион частей всех составляющих атмосферы и выражается млн-1 (в зарубежной литературе ppm - parts per million). Содержание газа, растворенного в воде, выражено через миллилитры газа на литр воды - мл/л. Для потока С02 используется массовая концентрация углекислого газа прошедшего через водную поверхность площадью 1 м2 за час, за сутки и за год - мгС02 м-2 ч"1, мгС02 м-2 сут~', мгС02 м-2 год-1, соответственно. Поток, направленный из воды имеет положительное значение.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предварительные измерения потоков С02 камерным методом в прибрежной зоне озера Байкал показали состоятельность такого подхода. А введенная система регулярного проветривания камеры, благодаря которой исключается эффект насыщения внутреннего объема камеры углекислым газом, позволяет проводить непрерывные измерения потоков.

2. Измерение парциального давления С02 растворенного в воде осуществляется при помощи эквилибратора, специально изготовленного для работы в комплексе, который обеспечивает непрерывные измерения без участия человека. Измерения парциальных давлений в воде и атмосфере проводятся одним газоанализатором, что положительно сказывается на точности определения разницы ЛрС02. При замене ГА, с помощью эквилибратора можно определять давление любого другого газа, растворенного в воде.

3. Данные, полученные посредством ряда приборов и датчиков интегрированных в комплекс, позволяют оперативно сопоставлять величины измеренных потоков с состоянием водной среды и приводной атмосферы. Выявлены дополнительные параметры, которые также необходимы для интерпретации потоков и предложены способы их измерений.

4. Созданный мобильный комплекс позволяет проводить измерения потока С02 и содержание его в атмосфере и в воде в открытой части акватории. Компактный размер оборудования легко размещается на ограниченном пространстве любого НИС.

5. Разработан и изготовлен многоканальный газоанализатор С02, включая систему управления, с характеристиками, обеспечивающими проведение измерений потоков углекислого газа камерным методом. Благодаря введенной системе термостабилизации сенсора Vaisala GMM12 и его регулярной калибровке, приведенная погрешность газоанализатора снижена до 1%.

6. Блок предварительной пробоподготовки обеспечивает нормальное функционирование сенсора С02, при котором анализируемая проба должна

быть с низким содержанием влаги и взвешенных примесей, подаваться с определенной скоростью и т.д. Воздушный тракт построен с расчетом на подключение через селектор каналов нескольких точек отбора проб.

7. Через систему управления анализатора организовано преобразование, оцифровка и передача на ПК всех измеряемых в комплексе параметров, управление и контроль за исполнительными узлами комплекса. ПО разрабатывалось с учетом управления комплексом как в ручном, так и в автоматическом режимах. Реализована первичная обработка данных, отображение на экране дисплея и сохранение результатов измерения в файл в формате, упрощающем их дальнейшую обработку.

8. Суточный ход концентрации атмосферного и растворенного в воде С02, скорость и направление потока газа в системе «вода-атмосфера» и изменение их амплитуды в разные гидрологические сезоны позволяют заключить, что ведущую роль в газообмене играют биологические процессы, происходящие в озере.

9. Для каждого гидрологического сезона характерны свои направления потоков С02, а их амплитуды превалируют над наблюдаемой межгодовой изменчивостью, т.е. в период гидрологического лета наблюдается уверенный сток газа в воду и выход газа в предледоставный период.

10. Проведенные с помощью данного комплекса многолетние измерения показали, что в период открытой воды в литорали озера суммарный сток атмосферного углекислого газа составляет 3-5 гС02 м-2 в год.

11. Детальное сопоставление полученных данных в ходе комплексных экспериментов о ритмах изменчивости биогенных элементов и водной биоты с оценкой соответствующих потоков С02 является дальнейшей задачей, которая решается с помощью данного измерительного оборудования.

Список осповпых публикаций по теме диссертации:

1. Домышева В.М., Пестунов Д.А., Панченко М.В., Хохрова О.М., Мизандрон-цев И.Б., Шмаргунов В.П., Ходжер Т.В., Белан Б.Д. О связи ритмов изменения химического состава воды и содержания углекислого газа в приводном слое воздуха над оз. Байкал // Доклады Академии Наук. 2004. Т. 399а.

2. Domysheva V.M., Sakirko M.V., Panchenko M.V., Pestunov D.A The Interaction of C02 between the Atmosphere and Surface Waters of Lake Baikal and the Influence of Water Composition // Advances in the geological storage of carbon dioxide. New-York: Kluwer Academic Publishers. 2006. V. 65. P. 35-46.

3. Домышева B.M., Панченко M.B., Пестунов Д.А., Сакирко M.B. Влияние атмосферных осадков на процесс газообмена С02 с водной поверхностью оз. Байкал // Доклады Академии Наук. 2007. Т. 414. № 5.

4. Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Давыдов Д.К., Ивлев Г.А., Козлов A.B., Пестунов Д.А., Покровский Е.В., Толмачев Г.Н., Фофонов A.B. Посты для мониторинга парниковых и окисляющих атмосферу газов // Оптика атмосферы и океана, 2007. Т. 20. № 1. С. 53-61.

5. Панченко М.В., Домышева В.М., Пестунов Д.А., Сакирко М.В., Заворуев В.В., Новицкий A.JI. Экспериментальные исследование процессов газообмена С02 в системе «атмосфера - водная поверхность» оз. Байкал (постановка эксперимента) // Оптика атмосферы и океана, 2007. Т. 20. № 5. С. 448-452.

6. Пестунов Д.А. Шмаргунов В.П. Панченко М.В. Измеритель содержания С02, растворенного в воде // Приборы и техника эксперимента, 2008, №5. С. 143-145.

7. Заворуев В.В., Домышева В.М., Шимараев М.Н., Сакирко М.В., Пестунов Д.А., Панченко М.В. Пространственное распределение флуоресцентных характеристик фитопланктона в период формирования весенней гомотермии в оз. Байкал // Оптика атмосферы и океана. Т. 21. 2008. № 5. С. 377-38.

8. Сакирко М.В., Панченко М.В., Домышева В.М., Пестунов Д.А. Суточные ритмы концентрации диоксида углерода в приводном слое воздуха и в поверхностной воде озера Байкал в разные гидрологические сезоны // Метеорол. и гидрол. 2008. № 2. С. 79-86.

9. Патент (РФ) i ia ПМ №77691. Электронный индикатор атмосферных осадков. Патентообладатель: Институт оптики атмосферы СО РАН, автор: Пестунов Д.А.

10. Фофонов А.В. Пестунов Д.А Ковалевский В.К Козлов АВ. Белан БД. О некоторых аспектах измерения параметров ветра анемометрами электромеханического типа // Материалы V Сибирского совещания по юшматоэкологическому мониторингу. Томск: ИОМ СО РАН. 2003.

11. Пестунов Д.А. Белан Б.Д. и др. Комплекс для измерений потоков тепла, влаги и количества движения в приземном слое воздуха // Материалы II Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в третьем тысячелетии». Томск: ИФПМ СО РАН, 2003. 362 с. С. 248.

12. Пестунов ДА., Шмаргунов В.П. и др. Комплекс для измерения потоков С02 в приводном слое // Материалы II Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в третьем тысячелетии». Томск: ИФПМ СО РАН, 2003.362 с. С. 251.

13. Пестунов Д.А., Фофонов А.В. Автоматический измерительный метеопост на базе микроконтроллера // Электронные средства и системы управления: Материалы Всероссийской научно-практической конференции. Томск: Издательство Института оптики атмосферы СО РАН, 2003. 286 с. С. 117.

14. Pestunov D.A., Shmargunov V.P., Tumakov A.G. Instrumentation-software complex for investigations of gas exchange processes in the atmosphère over water // The fourth Vereshchagin Baikal Conférence: Abstracts (Irkutsk, 26 September - 1 October, 2005). Irkutsk: Institute of Geography SB RAS Publishers, 2005. 249 p. P. 153-154.

15. Пестунов Д.A., Козлов A.B., Шмаргунов В.П., Тумаков А.Г., Сакирко М.В. Апробация метода равновесной камеры для измерения углекислого газа в воде. // Аэрозоли Сибири. XII Рабочая группа: Тезисы докладов. Томск: Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2005. 72 с. С. 14.

16. Пестунов Д.А., Панченко М.В., Шмаргунов В.П. Сакирко М.В., Домышева В.М. Измеритель содержания углекислого газа в воде // 6-й Международный симпозиум «Контроль и реабилитация окружающей среды: КРОС-2008». Томск, 3-5 июля 2008 года. Тезисы докладов, С. 46-47.

Издательство «B-Спектр» ИНН/КПП 7017129340/701701001, ОГРН 1057002637768 Подписано к печати 19.05.2010. Формат 60x841/i6. Печать трафаретная. Бумага офсетная. Гарнитура «Times New Roman». Печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ 38. 634055, г. Томск, пр. Академический, 13-24, тел. 49-09-91. E-mail: bvm@sibmail.com

Список сокращений.

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1. Планетарный углеродный цикл. Антропогенное воздействие.

1.2. Физико-химические свойства С02 в воде и атмосфере.

1.3. Методы измерения С02 в воздухе. Структура газоанализаторов.

1.4. Оптические измерительные преобразователи.

1.5. Измерение СО2, растворенного в воде.

1.6. Методы измерения потоков С02.

1.7. Современное состояние вопроса о газообмене на озере Байкал.

Глава 2. Методика и аппаратура измерения потока С02 в системе водаатмосфера.

2.1. Апробация методов измерения потока на озере Байкал.

2.2. Комплекс измерения потоков СО2 и его состав.

2.3. Измерительные камеры. Устройство, размеры, оснащение.

2.4. Эквилибратор.

2.5. Измерение кислотности воды.

2.6. Блок метео.

2.7. Индикатор осадков.

2.8. Мобильный комплекс.

2.9. Развитие аппаратурного оснащения комплекса.

2.10. Выводы.

Глава 3. Многоканальный газоанализатор, система управления анализатором, ПО

3.1. Многоканальный газоанализатор.

3.2. Сенсор С02 Ушзак ОММ12.

3.3. Термостабилизация сенсора.

3.4. Калибровка сенсора.

3.5. Стабилизация и контроль расхода.

3.6. Селектор каналов и побудитель расхода.

3.7. Осушение пробы.

3.8. Индикатор воды.

3.9. Электропитание. ЭМС.

3.10. С истема управления анализатором.

3.11. Соединение СУА с ПК. Формат обмена.

3.12. ПО для ПК.

3.13. Работа с комплексом.

3.14. Выводы.

Глава 4. Апробация комплекса. Результаты измерений.

4.1. Описание местности проведения измерений.

4.2. Оценка потока по закрытой камере.

4.3. Оценка потока проветриваемой камерой.

4.4. Оценка погрешности измерения потока.

4.5. Суточный ход С02 в системе «вода-атмосфера» в разные сезоны.

4.6. Влияние атмосферных осадков на газообмен.

4.7. Сезонный ход потока.

4.8. Годовой баланс обмена СОг в литорали озера Байкал.

4.9. Сравнение потоков СО2 в литорали и пелагиали озера Байкал.

4.10. Выводы.

Атмосферный воздух необходим нам не только для дыхания, он также создает благоприятные условия (климат) для жизни на планете, в том числе поддерживает комфортную температуру. Однако с начала первых регулярных инструментальных наблюдений за погодой в XIX веке средняя температура поверхности земли повысилась почти на 1°С и сегодня продолжает расти [1]. Хотя такое повышение может казаться не значительным, многие исследователи считают, что оно способно привести к серьезным климатическим изменениям. Например, во время малого ледникового периода (Х1У-Х1Хвв.) в Европе, наблюдались более суровые зимы, чем в настоящее время, материковые ледники, так же как и морской лед покрывали большую площадь, хотя средняя температура полушария изменилась не более чем на 1°С [2, 3].

Реконструкция палеоклимата при помощи косвенных методов, использующих корреляционные связи между температурой воздуха и различными параметрами (индекс годового прироста растений, содержание различных изотопов в кернах льда [4], споропыльцевой состав торфяников и др.), показала, что температура на планете и содержание ССЬ в атмосфере постоянно изменялись и при этом коррелировали между собой. По мнению специалистов сначала повышалась температура вследствие диссонанса земной орбиты, затем следовала эмиссия С02 из подогретого океана [5]. Когда температура спадала, остывающий океан вновь восполнял недостаток газа поглощением его из атмосферы.

Рост температуры, который мы наблюдаем сегодня, некоторыми учеными объясняется как историческое завершение очередного ледникового периода, когда температура Земли растет естественным образом. В [6] говорится, что «нельзя приписывать повышение температуры воздуха за последние столетия только воздействию возросшего содержания в нем ССЬ, ведь точкой отсчета является минимум температуры, а в период 1881-1917гг. она существенно повышалась, особенно в Арктике. Поэтому некоторая доля прошлого потепления вероятно, 25-50%) может быть определена возвратом к наблюдавшемуся ранее уровню приземной температуры воздуха».

Однако большинство ученых все больше склоняются к мнению, что повышение планетарной температуры вызвано неуклонным ростом содержания в атмосфере так называемых парниковых газов, к которым относится и углекислый газ (см. рис. 1.2). Для излучения в видимой области спектра, на которую приходится основная часть солнечной энергии, он прозрачен, благодаря чему солнце нагревает океан и сушу. В то же время молекулы углекислого газа в атмосфере поглощают тепловую энергию Земли и переизлучают ее обратно. В противном случае эта энергия уходила бы с поверхности Земли в космическое пространство беспрепятственно. В этом заключается так называемый парниковый эффект. Если бы в атмосфере совсем не было углекислого газа, то тепло с Земли уходило бы значительно быстрее.

Вследствие этого эффекта, продолжение роста атмосферного С02, наблюдаемое сейчас, может привести к изменению глобального климата. По мнению ученых, устойчивое антропогенное воздействие на состав атмосферы, а также сведение лесов, так или иначе вовлекавшихся в углеродный цикл, повлекло за собой рост средней температуры, а в дальнейшем может привести к парниковой катастрофе [7, 8]. Уже сегодня климатические колебания оказывают существенное влияние на деятельность человека и экономику. Например, экстремальное отклонение количества осадков, приводящее к засухам или наводнениям, вызывает озабоченность, которая в последние годы возрастает в связи с ростом потребностей в запасах продовольствия и питьевой воды. Вероятно, будет иметь место перераспределение осадков, что это приведет к серьезным последствиям во многих районах мира [9, 10]

На'вопрос «Вредит ли глобальное потепление здоровью?» исследователи отвечают утвердительно, ссылаясь на то, что повышение температуры «влияет на частоту и распространенность многих серьезных заболеваний» [11]. Например, ожидается, что в некоторых местах «к 2020 году в два раза повысится смертность, связанная с периодами сильной жары». Не менее очевидную роль глобальное потепление играет в распространении инфекционных болезней. Предполагается, что переносимые комарами болезни будут непрерывно распространяться, поскольку комары быстрее размножаются и чаще кусаются при повышении температуры воздуха. Когда повышение температуры охватывает большие территории, малярийные комары могут перемещаться в прежде непригодные для их жизни места и переносить с собою болезни. Наконец, участившиеся наводнения и засухи приводят к проблеме качества питьевой воды, а, следовательно, и к распространению инфекционных заболеваний.

На сегодняшний день биологических механизмов удаления ССЬ из атмосферы недостаточно и в связи с антропогенной нагрузкой имеет место дисбаланс углеродного цикла, который ежегодно пополняет атмосферу на 2-3 ГтС в виде ССХ Некоторые ученые опасаются, что может оказаться слишком поздно спасать Землю от результатов глобального потепления, считая, что даже если сегодня антропогенное воздействие прекратится, результаты прошлого загрязнения атмосферы будут давать знать о себе еще не менее 100 лет [12]. Существует мнение, что необратимое изменение климата Земли (парниковая катастрофа) может произойти в относительно недалеком будущем, через 200-300 лет, результатом которого станет повышение среднепланетарной температуры до 100-150°С [13, 14]

Очевидно, следует признать, важность проблемы, а поскольку климатическая система нашей планеты удивительно сложная, для исследования необходимо обратиться ко всем ее компонентам, а именно к атмосфере, океану, криосфе-ре, поверхности суши, а также обмену теплом и веществом между этими компонентами [13, 15, 16]. Необходимо учитывать все источники и стоки парниковых газов, в частности ССЬ, как одного из самых активных участников глобального процесса. Никто точно не знает, каково минимальное воздействие способно нарушить планетарный баланс, являющийся основой существования всего живого. На этот вопрос невозможно ответить, находясь в рамках какой-нибудь одной дисциплины, но установление основных физико-химических факторов, определяющих планетарный газообмен, может в какой-то степени способствовать его решению. Поэтому прогноз будущих концентраций углекислого газа является важной задачей.

К настоящему времени основные представления об источниках и стоках СЮ2 в масштабе планеты вполне сформированы и на этой базе создан ряд прогностических моделей. Основное внимание специалистов в настоящее время сосредоточено на изучении процессов регионального масштаба.

В гидросфере исследования по инвентаризации С02, как правило, направлены на изучение газообмена между атмосферой и Мировым океаном. Однако, как возможные источники и стоки, из рассмотрения упускаются системы озер, что, несомненно, важно для многих географических районов. Озеро Байкал занимает значительную территорию внутри континента и вносит ощутимый вклад в климат региона. На протяжении многих десятков лет здесь проводятся регулярные исследования флоры и фауны, циркуляционных течений, химического состава воды и т.д. В то же время вопрос о газообмене С02 с атмосферой на наш взгляд остается слабоизученным. Очевидно, что для этого необходимо детально исследовать внутрисуточную, сезонную и межгодовую динамику переноса углекислого газа через границу раздела вода-атмосфера на Байкале, что невозможно без проведения соответствующих измерений.

До начала наших работ в Байкальском регионе измерения углекислого газа в атмосфере практически отсутствовали, а для оценки потока использовалась фоновая (планетарная) концентрация газа [17-19], при этом не учитывались суточный и сезонный ход содержания С02 в приводной атмосфере. Это ограничивает возможность использования такого подхода для количественной оценки процессов газообмена. Химические методы, которые использовались здесь прежде для оценки содержания растворенного С02, показали, что вода Байкала практически всегда пересыщена углекислым газом, а само озеро является для атмосферы практически непрерывным источником этого парникового газа.

Целью работы является разработка методики измерения потока углекислого газа между водой и атмосферой в условиях, характерных для прибрежной зоны и пелагиали озера Байкал. Создание аппаратуры, реализующей измерения потоков по данной методике, как в ручном, так и в автоматическом режимах. По результатам измерений требуется оценить годовой баланс обмена углекислым газом Байкала с атмосферой.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

1. Сравнительный анализ существующих методов измерения потоков и выбор наиболее оптимальных: с точки зрения применимости их в системе вода-атмосфера в литорали и пелагиали водоемов; с учетом особенностей монтажа измерительного оборудования на водной поверхности; с учетом доступности современных технологий и средств для реализации измерений.

2. Исследование возможности применения выбранного метода в условиях волнового и ветрового режимов и обеспечение высокой чувствительности метода для использования на олиготрофных объектах;

4. Подбор газоанализатора СОг и, при необходимости, его адаптация для измерений фоновых концентраций;

5. Разработка и изготовление узлов аппаратной части и программного обеспечения комплекса, реализующего измерения по наиболее предпочтительной в литоральной зоне методике;

6. Апробация аппаратно-программного комплекса (АПК) в натурных условиях, доработка узлов с учетом выявленных в ходе испытаний недостатков и дополнительных потребностей;

7. Проведение измерений потоков СОг для всех характерных гидрологических сезонов с целью выявления суточного, сезонного и межгодового хода процессов газообмена, а также предварительная оценка среднегодового баланса углекислого газа озера Байкал, сравнение полученных результатов с литературными данными.

8. Создание мобильного комплекса и проведение с его помощью измерений в открытой части озера с последующим сопоставлением результатов измерений в литорали и пелагиали Байкала.

Методы исследования. Содержание концентрации ССЬ в воздухе измерялось недисперсионным ИК газоанализатором, созданным на базе сенсора Vaisala GMM12. Измерения скорости газообмена проводились камерным методом. С помощью закрытой камеры проведены первичные испытания, т.е. поиск оптимальной чувствительности, обеспечение плавучести и способы надежной фиксации на воде. Для непрерывных измерений потоков применялись два типа проветриваемых камер. Парциальное давление С02 в воде измерялось с помощью эквилибратора. В программном обеспечении системы управления комплекса реализованы алгоритмы первичной обработки данных. Фильтрация данных, расчет потоков, статистическая обработка результатов выполнялись в пакете Origin Pro 7.5 с помощью специально написанных скриптов.

Достоверность полученных результатов обеспечена регулярной калибровкой используемого в работе газоанализатора (ГА) С02 по стандартным смесям (ООО «Мониторинг», СПб). В ряде измерительных циклов проводилась интеркалибровка аттестованными ГА «0птогаз-500.4» (ЗАО «ОРТЕС», СПб) и LiCOR-840 (LiCOR Inc, США). Полученные результаты лежат в пределах погрешностей измерений.

В процессе отладки метода измерение потоков велось двумя типами камер. Сравнение результатов на основании недостатков одной и достоинств другой позволяло выделять положительный сигнал и исключать ошибки.

Парциальное давление растворенного в воде углекислого газа, измеренное с помощью эквилибратора, хорошо согласуется с результатами расчета по данным химического анализа воды. Измерения потоков камерным методом все сезоны сопровождались работой эквилибратора. Полученные данные о потоке соответствуют разнице парциальных давлений СОг в атмосфере и в воде.

Полученные в работе экспериментальные результаты и выводы о суточной, сезонной и межгодовой изменчивости потоков углекислого газа соответствуют современным представлениям о циклах жизнедеятельности биоты озера Байкал.

Научная новизна работы состоит в том, что:

• создана первая на Байкале автоматизированная обсерватория, где помимо потоков С02 ведутся измерения физико-химических параметров водной среды и приводной атмосферы. Это позволяет сопоставить направление и величину потоков с текущими характеристиками сред;

• для реализации камерного метода предложено устройство открытой камеры, которое позволило упростить систему проветривания, обеспечив при этом жесткость и герметичность конструкции, что актуально при работе во время шторма. Благодаря принудительной прокачке время проветривания открытой камеры сокращено, по сравнению с традиционной конструкцией;

• с помощью эквилибратора впервые на Байкале проведены прямые измерения содержания С02, растворенного в воде;

• впервые на озере Байкал проведены измерения суточной, сезонной и межгодовой динамики атмосферного углекислого газа и его потока через границу вода-атмосфера. На основании этого дана предварительная оценка суммарного потока С02 в системе «вода-атмосфера» в литоральной части озера .

Практическая ценность. В результате проведенных исследований: ® создан газоаналитический комплекс, который может быть использован для проведения измерений потоков газа, как на природных объектах с низкой интенсивностью газообмена, так и в зонах промышленных водоемов и сточных водах;

• разработан и внедрен в режим рутинных измерений эквилибратор с высокими временными показателями, что позволяет использовать его в составе мобильного комплекса для получения пространственного распределения растворенного С02 и при многопрофильных измерениях с высокой разрешающей способностью;

• построена многоканальная система съема, обработки и хранения данных, с возможностью подключения дополнительной измерительной аппаратуры, не внося значительных изменений в программно-аппаратную часть, что положительно скажется на дальнейшем развитии измерительного комплекса;

• внесены коррективы в камерный метод исследования потоков газа, учитывая особенности проведения измерений в системе вода-атмосфера;

• получены длинные ряды наблюдений концентрации С02 в поверхностной воде и атмосфере на озере Байкал, а также суточный и сезонный ход обмена углекислым газом. Все это представляет интерес не только для климатологов, но и для ученых лимнологов, изучающих миграцию органического вещества в озерной экосистеме; созданная аппаратура и результаты работы могут быть использованы специалистами, изучающими водные объекты и природоохранными службами. Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработан и создан газоанализатор, в котором специальная система пробо-подготовки и термостабилизации сенсора, а также применяемая процедура регулярной калибровки, обеспечили погрешность измерения С02 не хуже 1%;

2. Измерение парциального давления С02, растворенного в воде, посредством эквилибратора в рамках комплекса предпочтительнее химическому анализу, поскольку обеспечивает непрерывный и автоматический режим работы;

3. Созданный аппаратно-программный комплекс обеспечивает измерение пото

9 1 ка на разделах сред «вода-атмосфера» с чувствительностью 2-3 мгС02 м"~ ч", что дает возможность использовать данный комплекс на объектах с низкой интенсивностью газообмена;

4. Газообмен С02 на озере Байкал имеет выраженный суточный и сезонный ход, при этом в зависимости от гидрологического сезона вода озера является как источником, так и стоком атмосферного углекислого газа. Данные многолетних измерений показали, что в период открытой воды в литорали озера сумл марный сток атмосферного углекислого газа составляет 3-5 гС02 м" в год.

Личный вклад автора. Разработка и изготовление аппаратной и программной частей комплекса, написание скриптов обработки данных проводились автором самостоятельно. Автор принимал непосредственное участие в натурных экспериментах и отладке работы комплекса в течение 28 измерительных циклов с 2003 по 2009 год. Обработка и анализ данных, а также подготовка публикаций выполнялись совместно с соавторами (указаны в списке опубликованных работ).

Апробация работы. Материалы, вошедшие в работу, докладывались и обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах: III международная школа молодых ученых и специалистов «Физика окружающей среды» (Томск, 2002); III, IV, VI международные симпозиумы «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск, 2002-2008); V, VI сибирские совещания по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2003-2005); II всероссийская конференция молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в третьем тысячелетии» (Томск, 2003); Всероссийская научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления» (Томск, 2003); X - XVI рабочие группы Аэрозоли Сибири (Томск, 2003-2009); Advanced research workshop «Advance in ССЬ geological sequestration in eastern and western European countries» (Tomsk, 2004); XI, XII, XIII Joint International Symposiums "Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics" (Tomsk, 2004-2006); IV Верещагинская байкальская конференция (Иркутск, 2005г); Научная конференция «Природные ресурсы Забайкалья и проблемы геосферных исследований» (Чита, 2006); Международная научная конференция «Проблемы устойчивого функционирования водных и наземных экосистем» (Ростов-на-Дону, 2006); Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Красноярск, 2009); Second European Large Lake Symposium ELLS2009 (Norrtelje,

Sweden, 2009); Международная конференция «Ресурсная экономика, изменение климата и рациональное природопользование-2009» (Красноярск 2009).

Работа выполнялась в рамках плана научно-исследовательских работ Института оптики атмосферы СО РАН в период с 2002 по 2009 год, в том числе по программам: «Физика атмосферы и окружающей среды», № 01200406057; «Актуальные вопросы оптики атмосферы», № 01200704736; по программам фундаментальных исследований отделения наук о Земле РАН: №3 «Водные ресурсы, динамика и охрана подземных вод и ледников» (2006-2008гг.); № 11 «Оценка, прогноз и методы управления водными ресурсами с учетом их качества и экологического состояния» (2009-20 И гг.); поддержана грантом РФФИ № 08-05-00258-а.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 57 работ, в том числе 11 рецензируемых статей в центральной печати и 4 патента РФ на ИМ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 194 наименования; изложена на 151 странице, включая 66 рисунков и 10 таблиц.

4.10. Выводы

Суточный ход концентрации атмосферного и растворенного в воде ССЬ, скорость и направление потока газа в системе вода-атмосфера и изменение их амплитуды в разные гидрологические сезоны позволяют заключить, что ведущую роль в газообмене играют биологические процессы в озере.

Для каждого гидрологического сезона характерны свои направления потоков С02, а их амплитуды превалируют над наблюдаемой межгодовой изменчивостью, т.е. в период гидрологического лета наблюдается уверенный сток газа в воду и выход газа в предледоставный период.

Данные многолетних измерений показали, что в период открытой воды в литорали озера суммарный сток атмосферного углекислого газа составляет 3-5 гС02 м"~ в год.

Заключение

В данной работе ставилась цель разработать методику и создать аппаратуру для исследования процессов газообмена в системе «водач атмосфера» в условиях, характерных для озера Байкал.

Для измерения потока углекислого газа было отдано предпочтение камерному методу, который позволяет четко выделить исследуемый объект, а к метрологическим и динамическим характеристикам измерительной аппаратуры не предъявляется жестких требований. Предварительные измерения потоков С02 камерным методом в прибрежной зоне озера показали перспективность такого подхода. Направление измеренного потока соответствует разнице парциального давления между водой и атмосферой, измеренной с помощью эквилибратора, специально разработанного для работы в данном АПК. Измерения парциальных давлений в воде и в атмосфере проводятся одним газоанализатором, что положительно сказывается на точности определения разницы ДрС02.

Разработан многоканальный газоанализатор ССЬ, включая его систему управления, с характеристиками, обеспечивающими проведение измерений потоков углекислого газа камерным методом. Благодаря введенной системе термостабилизации и регулярной калибровке, погрешность измерения С02 газоанализатором на базе сенсора Vaisala GMM 12 снижена до 1%. Этого достаточно, чтоб обеспечить высокую чувствительность измерения потока. Для нормальной работы сенсора С02 анализируемая проба должна быть с низким содержанием влаги и взвешенных примесей, подаваться с определенной скоростью и т.д., что обеспечивается блоком предварительной пробоподготовки. Воздушный тракт построен с расчетом на подключение через селектор каналов нескольких точек отбора проб, таких как камеры, эквилибратор, атмосфера и т.д.

Также комплекс оснащен множеством дополнительных датчиков и приборов, показания которых необходимы при интерпретации данных о процессе газообмена. Для измерения потока С02 в открытой части акватории, была изготовлена мобильная модификация комплекса. Компактный размер оборудования легко размещается на ограниченном пространстве любого НИС.

Через систему управления анализатора осуществляется преобразование, оцифровка и передача на ПК всех измеряемых в комплексе параметров, управление и контроль за исполнительными узлами комплекса, как в ручном, так и в автоматическом режиме.

Комплекс прошел длительную апробацию в различные гидрологические сезоны с 2004 по 2009гг., получено более 5000 разовых измерений потока. Описан суточный, сезонный ход потока, выявлена его межгодовая изменчивость. Для каждого гидрологического сезона характерны свои направления потоков С02, а их амплитуды превалируют над наблюдаемой межгодовой изменчивостью, т.е. в период гидрологического лета наблюдается уверенный сток газа в воду и выход газа в предледоставный период. Данные многолетних измерений показали, что в период открытой воды в литорали озера суммарный сток атмосферного углекислого газа составляет 3-5 гС02 м~~ в год.

Детальное сопоставление полученных данных в ходе комплексных экспериментов о ритмах изменчивости биогенных элементов и водной биоты с оценкой соответствующих потоков С02 является дальнейшей задачей, которую возможно решать с данным измерительным оборудованием. В процессе развития комплекса выявлены параметры, которые также необходимы для интерпретации потоков, предложены способы их измерений, созданы и испытаны в натурных условиях макетные образцы. Сравнение потоков в литорали и пела-гиали озера, показало необходимость расширения зоны исследований и пути дальнейшего развития комплекса, что будет являться задачей на будущее.

1. Climate change science. An analysis of some key questions. Committee on the Science of Climate Change, Division on Earth and Life Studies // Washington, D.C.: National Academy Press. 2001.

2. Lamb H.H. The Changing Climate: Selected Papers. 1966. Methuen, London

3. Демежко Д.Ю. Палеоклиматическая интерпретация данных скважинной термометрии// Вычислительные технологии. 1997. Том 2. №2

4. Barnola J.M. et al Vostok Ice Core Provides 160000-year Record of Atmosphere C02// Nature. 1987. Vol.329. No.6138. P. 410.

5. Hays J.D., Imbrie J. & Shackleton M.J. Variations in the earth's orbit; pacemaker of the ice ages. Science. 1976. Vol 194. P. 1121-1132.

6. Кондратьев КЛ. О возможном влиянии углекислого газа на климат // Экспресс-информация. 1986. №5. АН СССР. С. 15

7. Карнаухов А.В. Роль биосферы в формировании климата Земли. Парниковая Катастрофа // Биофизика. 2001. Том 46. Вып. 6. С. 1138-1149

8. Хефлинг Г. Тревога в 2000 году: Бомбы замедленного действия на нашей планете / Пер. с нем. М.С. Осиповой, Ю.М. Фролова. М.: Мысль. 1990. 270с.

9. Mitchell J.F.B. The seasonal response of a general circulation model to changes in C02 and sea temperatures // Quart. J. Roy. Met. Soc. 1983. Vol. 109. P.l 13.

10. Li W., Dickinson R.E., Fu R., Niu G.-Y., Yang Z.-L., Canadell J.G. Future precipitation changes and their implications for tropical peatlands // Geophys. Res. Lett. 2007, 34

11. Epstein P. R. Is Global Warming Harmful to Health // Scientific American №8 2000.

12. Wei J., Dickinson R. E., Zeng N. Climate variability in a simple model of warm climate land-atmosphere interaction // J. Geophys. Res.- Biogeoscien. 2006. V. Ill, G03009

13. Фрумин Г.Т. Глобальные экологические проблемы: путь к катастрофе или миф? // Общество. Среда. Развитие (Terra Humana). 2009. №3. С. 101-113

14. Будыко М.И. Голицин Г.С., Израэль Ю.А. Глобальные климатические катастрофы. М.:Гидрометеоиздат, 1986. 160с.

15. Батчер С., Чарлсон Р. Введение в химию атмосферы. М.: Мир. 1977.

16. Проблемы атмосферного углекислого газа. Труды Советско-Американского симпозиума 1978г. JL: Гидрометеоиздат 1980.

17. Мизандронцев И.Б., Горбунова Л.А., Домышева В.М. и др. Газообмен Байкала с атмосферой в период весеннего прогрева // География и природные ресурсы, 1996, № 2, с. 74-84.

18. Мизандронцев И.Б., Горбунова JI.A., Домышева В.М. и др. Газообмен Байкала сатмосферой в осенний период//География и природные ресурсы. 1998 №1.-с. 61-70.

19. Мизандронцев И.Б., Домышева В.М., Шимараев М.Н. и др. Особенности газообмена Байкала с атмосферой при переходе от весеннего прогрева к летнему // География и природные ресурсы. 2000. №3. -с. 55-62.

20. Energy and Climate. Geophysics Study Committee, Geophysics Research Board, Assembly of Mathematical and Physical Sciences. National Research Council, National Academy of Sciences. 1977

21. Зуев В.E., Титов Г.А. Оптика Атмосферы и климат. Издательство «Спектр» Томск. 1996

22. Michael P., Farrell A. Vision for Climate Change Data Management / Carbon Dioxide information Analysis Center; World Data Center for Atmospheric Trace Gases; Oak Ridge National Laboratory. October 2003 Issue No.30 http://cdiac.ornl.gov

23. Хргиан A.X. Физика атмосферы. Том 1. Л.:Гидрометеоиздат, 1978.

24. Bischof W., Borchers R., Fabian P., Kriiger В. C. Increased concentration and vertical distribution of carbon dioxide in the stratosphere //Nature. 1985. -Vol.316, P. 708 710

25. Бютнер Э.К. Планетарный газообмен 02 и CO?. Л.: Гидрометеоиздат, 1987.

26. Роджер Ревелл. Углекислый газ в атмосфере и климат планеты // В мире науки №7, 1983 М.: «Мир» Scientific American, August 1982, Vol. 247, No. 2

27. NASA Satellite Measures Earth's Carbon Metabolism // Earth Observatory News April 21,2003

28. Peter Pockley. Global warming 'could kill most coral reefs by 2100 // Nature 400. 98 (8 July 1999)29. www.massclimatreaction.org

29. Ralph M. Rotty. Estimates of seasonal variation of fossil fuel C02 emissions // Tellus (1987), 39B, 184-202

30. A cubic relationship between air-sea C02 exchange and wind speed// Rik Wannikof, Wade R. McGillis // Geohpisical Research Letters, Vol.26, No.13, pp 1889-1892, July 1, 1999

31. Rik Wanninkof. Relationship between gas exchange and wind speed over the ocean // J. Geophys. Res. Vol. 97, 1992, p.7373-7382

32. Metzl N., Louanchi F., Poisson A. Seasonal and interannual variations of seasurface carbon dioxide in the subtropical Indian Ocean // Marine Chemistry 60 (1998) p. 131 146.

33. Oudot C., Ternon J.F., Lecomte J. Measurement of atmospheric and ocean C02 in the tropical Atlantic: 10 years after the 1982-1984 FOCAL cruises//Tellus 47B (1995), p.70-85.

34. Глобальный климат. Монография, под. ред. Дж. Т. Хотона. Л.: Гидрометеоиздат, 1987.

35. Friedlingstein P., Dufresne J.-L., Сох M.P., Rayner P. How positive is the feedback between climate change and carbon cycle // Tellus 55B (2003),2 692-700.

36. Глинка H.Jl. Общая химия: Учебное пособие для вузов. 23 изд., испр./Под ред. В.А. Рабиновича.-Д.: Химия, 1983.-704с. ил.

37. Williams H.I. Carbon dioxide poisoning, report of eight cases with two deaths // Br Med J 1958;2:1012-1014 (25 October)

38. Рабинович В.А., Хавин 3.Я. Краткий химический справочник. Изд.2-е, испр. и доп. Изд. «Химия», 1978. 392 с.

39. Краткий справочник физико-химических величин. Изд. 8-е, перераб./Под ред. А.А. Равдсля и A.M. Пономаревой. JL: Химия, 1983. - 232 е., ил.

40. Physical and Engineering Data, January 1978 ed. The Hague: Shell Internationale Petroleum Maatschappij BV, 1978.

41. Алекин О.А. Основы гидрохимии. JI.: Гидрометеоиздат, 1970. 444с.

42. Robert С. Reid, John М. Prausnitz, and Brice E. Poling. The Properties of Gases & Liquids, 4 ed. Boston: McGraw-Hill, 1987.

43. Guide to Best Practices for Ocean CO2 Measurements // PICES Special Publication 3. IOCCP Report No .8. 2007

44. Weiss, R.F. Carbon dioxide in water and seawater: the solubility of a non-ideal gas // Mar.Chem. 1974. Vol. 2: 203-215

45. Вейль П. Популярная океанография /Пер. с англ. Г.И. Баранова, В.В. Панова, А.О. Шпайхера. Под ред. А.Ф. Терешникова. JL, Гидрометеоиздат, 1977

46. Вотинцев К.К. Гидрохимия озера Байкал. М., 1961а. 310с.

47. Вотинцев К.К. Мещерякова А.И., Поповская Г.И. Круговорот органического вещества в озере Байкал. Изд. «Наука», Сибирское отделение, г. Новосибирск 1975

48. Матвеев JI.T. Физика атмосферы. С.Пб., Гидрометеоиздат, 2000

49. Краткая химическая энциклопедия. Т. 5. Советская энциклопедия. 1967.

50. Справочник химика. Т.4, Ленинград, Химия. 1967.52. http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/

51. Callendar, G. S. 1938. The artificial production of carbon dioxide and its influence on temperature // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society 64:223-240.

52. Keeling C.D. Carbon dioxide in surface ocean waters. Global distribution. // J. Geophys. Res., 1968, v. 73, p. 4543-4553.

53. Keeling C.D., Bacastow P.B., Whorf T.P. Measurement of the concentration of carbon dioxide at Mauna Loa observatory, Hawaii. In: Carbon Dioxide Review // Ed. W.C. Clark. Clarendon Press Oxford, 1982, p. 377-384.

54. Keeling C.D., Whorf T.P., Wong C. S., Bellagay R. The concentration of atmospheric

55. Carbon dioxide at Ocean Weather Station P from 1969 to 1981// // J. Geophys. Res., 1985. vol. 90. No. D6, p. 10,511-10,528.57. http://www.carboeurope.org/58. http://public.ornl.gov/ameriflux/

56. Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Давыдов Д.К., Ивлев Г.А., Козлов А.В., Пестунов Д.А., Покровский Е.В., Толмачев Г.Н., Фофонов А.В. Посты для мониторинга парниковых и окисляющих атмосферу газов // Оптика атмосферы и океана Т.20, №1, 2007. с.53-61.

57. Паутова В. Н. Высшая водная растительность оз. Байкал // Продуктивность Байкала и антропогенное изменение его природы. — Иркутск, 1974

58. Шашков А. А., Фабер Е. В. Углекислый газ в атмосфере (обзор экспериментальных исследований) // Труды ГГО, 1991, вып. 533 с. 122-152.

59. Lee S. Waterman, Donald W. Nelson et al. Atmospheric Carbon Dioxide Measurement at Cape Matatula, American Samoa, 1976-1987 // Journal of Geophysical Research, vol. 94, No. D12, pages 14,817-14,829, October 20,1989.

60. Neil B.A. Trivett, Douglas E.J. Worthy. Surface Measurement of Carbon Dioxide and Methane at Alert during an Arctic haze in April, 1986 // Journal of Atmospheric Chemistry 9: 383-397,1989.

61. Уэлпдейл Д.М., Барри JI.А. Последние канадские исследования химического состава атмосферы Арктики // Проблемы мониторинга и охраны окружающей среды. Л.: Гидрометеоиздат, 1989, с. 320 341.

62. Roger J. Dargaville, Scott С. Doney and Inez Y. Fung. Inter-annual variability in the interhemispheric atmospheric C02 gradient: contributions from transport and the seasonal rectifier // Tellus 2003, 55B, p. 711-722.

63. Conway T.J., Steele L.P. Carbon Dioxide and Methane in the Arctic Atmosphere // Journal of Atmospheric Chemistry 1989, 9: 81-99,.

64. Takahashi Т., Sutherland S.C., Sweeney C., Poisson A., Metzl N., Tilbrook В., Bates

65. Sherwood B. Idso, Craig D. Idso, Robert C. Balling Jr. Seasonal and diurnal variations of ncar-surface atmospheric C02 concentration within a residential sector of the urban C02 dome of Phoenix, AZ, USA // Atmospheric Environment 36 (2002) 1655-1660.

66. Антонович В.В., Белан Б.Д., Козлов А.В., Пестунов Д.А., Фофонов А.В Выделение вклада города в изменение термодинамических характеристик воздуха на примере г. Томска// Оптика атмосферы и океана Т. 18 №8, 2005. с 638-642

67. Shinji Morimoto, Takakiyo Nakazawa, Shuji Aoki, Gen Hashida, Takashi Yamanouchi. Concentration variations of atmospheric C02 observed at Syowa Station, Antarctica from 1984 to 2000. // Tellus (2003), 55B, 170-177.

68. Tanaka M., Aoki S., Ohshima H. Aircraft measurements of tropospheric carbon dioxide over the Japanese islands. // Tellus (1988), 40B,16-22.

69. Т. Machida, К. Kita, Y. Kondo, D. Blake. Vertical and meridional distribution of the atmospheric C02 mixing ratio between northern midlatitudes and southern subtropics // Journal of Geophysical Research, vol. 108, No. D3, 8401, 2003.

70. Франко P.T., Кадук Б.Г., Кравченко A.A. Газоаналитические приборы и системы. М., Машиностроение, 1983, 128 с.

71. Zhou R, Vaihinger S, Geckeler К E and Gopel W 1994 Reliable C02 sensors with silicon-based polymers on quartz microbalance transducers Sensors Actuators В 13-14415.20.

72. Keller P, Ferkel H, Zweiacker K, Naser J, Meyer J-U and Riehemann W The application of nanocrystalline BaTiO-composite films as ССЬ-sensing layers // Sensors Actuators 1999. В 57 39-46.

73. Maskell W С and Page J A Detection of water vapour or carbon dioxide using a zirconia pump-gauge sensor// Sensors Actuators 1999. В 57 99-107

74. Deakin M R and Buttry D A Electrochemical applications of the quartz crystal microbalance//Anal. Chem. 1989. V.61 1147A-545

75. Pinnow 1 and Toy L. Gas and vapor transport properties of amorphous perfluorinated copolymer membranes based on 2,2-bistrifluoromethyl-4,5-difluoro-l,3-dioxole/tetrafluoroethylene // J. Membr. Sci. 1996. 109 125-133

76. Alientev A. Yu., Yampolskii Yu. P., Shantarovich V. P., Nemser S. M. Plate N. A. High transport parametersand free volume of perfluorodioxole copolymers // J. Membr.Sci. 1997. 126 123-32.

77. Paul L Kebabian and Andrew Freedman Fluoropolymer-based capacitive carbon dioxide sensor // Meas. Sci. Technol. 17 (2006) 703-710

78. Гольберт K.A., Вигдергауз M.C. Введение в газовую хроматографию. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия. 1990. - 352 е.: ил.

79. Броунштейн A.M., Парамонова Н.Н., Фролов А.Д., Шашков А.А. Оптический метод определения общего содержания С02 в вертикальном столбе атмосферы // Труды ГГО, 1976, вып. 369, с. 5-24.

80. Арефьев В.Н., Каменоградский Н.Е., Сизов Н.И. Лабораторные исследования спектрального метода определения содержания углекислого газа в атмосфере. В кн.: Проблемы атмосферного углекислого газа. Л.: Гидрометеоиздат, 1980, с. 278-282.

81. Броунштейн A.M., Фролов А.Д., Шашков А.А. Интегральный спектроскопический метод определения содержания С02 в вертикальном столбе атмосферы- В кн.: Проблемы атмосферного углекислого газа. Л.: Гидрометеоиздат, 1980, с. 265-272.

82. Ельяшевич М.А. Атомная и молекулярная спектроскопия М., 1962.

83. CDSD-296: Carbon Dioxide Spectroscopic Databank version for atmosphericapplications Tashkun S.A., Perevalov V.L June 2008

84. Li-6262 Usermanualwww.licor.com

85. Vaisala GMM112 User Manual Ref. B210567EN-D ©Vaisala 2009

86. Blomberg, M., A. Torkkeli, A. Lehto, C. Helenelund and M. Viitasalo, 1997: Electrically Tuneable Micromachined Fabry-Perot Interferometer in Gas Analysis // Physica Scripta. Vol. T69, 119-121

87. Helenelund, C., and M. Jalonen, 2000: CARBOCAP®: A Novel Silicon based NDIR Sensor// International Environmental Technology, May/June 2000 Volume 10, Issue 3.101. http://www.licor.com/env/Products/GasAnalyzers/gasanalyzers.jsp

88. Vaisala GMM220 User Manual Ref. B210795EN-B ©Vaisala 2009

89. Газоанализатор ИГМ-014 Руководство по эксплуатации КДЮШЗ .450.010 РЭ Санкт -Петербург 2005.

90. Алекин О.А., Семенов А.Д., Скопинцева Б.А. Руководство по химическому анализу вод суши. Л., Гидрометеоиздат, 1973, с. 211-215

91. Michel Frankignoulle, Alberto Borges, Renzo Biondo. A New design of equilibrator to monitor carbon dioxide in highly dynamic and turbid environments // Wat. Res. Vol. 35. No. 5. pp. 1344-1347, 2001

92. Bandstra, L., Hales В., Takahashi T. High frequency measurements of total C02: Method development and first oceanic observations. Marine Chemistry 100, 2006. p.24-38.

93. Copin-Montegut C. A method for the continuous determination of the partial pressure of carbon dioxide in the upper ocean //Mar. Chem. 1985. 17, p.13-21.

94. Schumacher, Т. E., and A. J. M. Smucker. 1983. Measurement of C02 dissolved in aqueous solutions using a modified infrared gas analyzer system // Plant Physiology 72: p.212-214.

95. Песгунов Д. А., Панченко M.B., Шмаргунов В.П. Измеритель содержания С02, растворенного в воде // Приборы и техника эксперимента, 2008, №5, с. 143-145.

96. С. Rodenbeck, S. Houweling et al. C02 flux history 1982-2001 inferred from atmospheric data using a global inversion of atmospheric transport // Atmos. Chem. Phys. Discuss., 3, 2575-2659, 2003.

97. S. Ferrarese, A. Longhetto, C. Cassardo. A study of seasonal and yearly modulation of carbon dioxide sources and sinks, with a particular attention to the Boreal Atlantic Ocean. // Atmospheric Environment 36 (2002) 5517-5526.

98. Stolbovoi V. Soil respiration and its role in Russia's terrestrial С flux balance for the Kyoto baseline year. // Tellus (2003), 55B, 258-269.

99. C. Rodenbeck, S. Houweling et al. Time-dependent atmospheric C02 inversions based on interannually varying tracer transport. // Tellus (2003), 55B, 488-497.

100. K. Iliguchi, D. Worthy D. Chan and A. Shashkov. Regional source/sink impact on the diurnal, seasonal and inter-annual variations in atmospheric C02 at a boreal forest site in Canada. // Tellus (2003), 55B, 115-125

101. Кравченко О.С., Павлова О.Н., Парфенова В.В. Распределение и ангибиотико-резистентносгь бактерий рода Enterococcus, изолированных из воды озера Байкал// Сибирский медицинский журнал, 2008, № 3

102. Азовский М. Г., Чепинога В. В. Флора высших растений озера Байкал. Изд-во Иркут. гос. ун-та. Иркутск, 2007. 157 с.

103. Панин Г.Н. Тепло- и массообмен между водоемом и атмосферой в естественных условиях // М.: Наука. 1985, 206 с.121. http://www.phys.uu.nl/~vndijk/eddycovariance/ecromp/node2.html

104. Goulden M.L., Munger J.W., Fan S.M., Daube B.C., Wofsy S.C. Measurements of carbon storage by longterm eddy correlation: Methods and a critical evaluation of accuracy // Glob. Change Biol. 1996. V. 2. N 3. P. 169-182.

105. Schulz K.J. Measurements of landscape-scale fluxes of carbon dioxide at two Ameriflux sites using a new vertical profiling technique // Dissertation Abstracts International 2003 Vol. 64 N 11. p.5497

106. Hicks, B.B. and McMillen, R.T. A simulation of the eddy accumulation method for measuring pollutant fluxes // J. Clim. App. Meteorol. 1984. 23, 637-643.

107. Buckley, D.J., Desjardins, R.L., Lalonde, J.L.M. and Brunke, R. A linearized, fast response gas sampling apparatus for eddy accumulations studies // Comput. Electr. Agric. 1988. 2, 243-250.

108. Businger J. A., Oncley S. P. Flux measurement with conditional sampling // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 1990. 7, 349-352

109. Ishida, Т., Nagano, Т., Kitaya, Y. and Suzuki, S. Gas flux measurement using the relaxed eddy accumulation method with conditional sampling // Environ. Control Biol.1995,33,79-82

110. Daisuke Komori, Masatoshi Aoki, Tomoyasu Ishida Development of an Air Sampling System for the True EA Technique // J Agric Meteorol. 2004.60 (4): 263-272,

111. TCOS Siberia, 2003: Proposal EVK2-2002-00555. http://www.bgc-j en a. mpg. de/publ i с/carboeur/webTC OS/

112. Кузнецов О.А., Дебриков И.П., Филиппов И.А. Некоторые результаты пульса-ционных измерений скорости ветра с борта судна. В кн.: Исследование океанической турбулентности. М.: Наука, 1973, с. 116-127.

113. Anctil, F. and Donelan, М. A. Air-Water Momentum Flux Observations over Shoaling Waves // J. Phys. Oceanog. 1996, №26, p. 1344-1352.

114. Fumiyoshi Kondo, Osamu Tsukamoto. Air-Sea C02 Flux by Eddy Covariance Technique in the Equatorial Indian Ocean// Journal of Oceanography, Vol. 63, 2007. p. 449 -456.

115. Бютнер Э.К. Динамика приповерхностного слоя воздуха. JL: Гидрометеоиз-дат, 1978. 167с.

116. Ариель Н.З., Строкина JI.A. Динамические характеристики взаимодействия атмосферы с поверхностью Мирового океана. JL: Гидрометеоиздат, 1985, 112с.

117. Deacon Е. L. Sea-air gas transfer: Wind-speed dependence. Boundary Layer Meteor., 1981, v.21, N 1, p. 31-37

118. Rik Wannikof, Wade R. McGillis. A cubic relationship between air-sea C02 exchange and wind speed// // Geophysical Research Letters. 1999. Vol.26, No. 13, pp 18891892, July 1,

119. Алексеев B.B., Кокорин A.O. Влияние пузырьков, образующихся при обрушении волн, на газообмен между океаном и атмосферой. // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана, 1984, т.20, №7, с.606-614

120. Liss P., L. Merlivat. Air-sea gas exchange rates, introduction and synthesis// The roleof air-sea exchange in Geochemical Cycling, NATO ASI Series. Series C: Mathematical and Physical Sciences 185, 1986, p.l 13-127

121. Anna Sjoblom and Ann-Sofl Sincdman. Comparison between eddy-correlation and inertial dissipation methods in the marine atmospheric surface layer// Boundary-Layer Meteorology 110: 141-164,2004.

122. Зубковский C.Jl., Кузнецов O.A., Панин Г.Н. Некоторые результаты измерений пульсаций температуры, влажности и скорости ветра в приводном слое. // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана, 1974, т. 10, №6, с.655-660.

123. Dugas W.A., Reicosky D.C., Kiniry J.R. Chamber and micrometeorological measurements of C02 and IbO fluxes for three C4 grasses. Agr. Forest Meteorol №83, 1997, p. 113-133

124. Angell R., Svejcar T, A chamber design for measurement net C02 exchange on rangeland // J. Range Manage #52, 1999, p. 27-31

125. Steduto P., Cetinkoku O., Albrizio R., Kanber R. Automated closed-system canopy-chamber for continuous field-crop monitoring of C02 and H20 fluxes// Agr. Forest Meteorol № 111, 2002, p. 171 -186

126. Yunsheng Lou, Zhongpei Li, Taolin Zhang. Carbon Dioxide Flux In A Subtropical Agricultural Soil Of China//Water, Air, And Soil Pollution 149: 281-293, 2003

127. Conen, F., and K. A. Smith. A re-examination of closed flux chamber methods for the measurement of trace gas emissions from soils to the atmosphere // Eur. J. Soil Sci., №49, 1998, p. 701-707.

128. Davidson E. A., Savage K., Verchot L. V., Navarro R. Minimize artifacts and biases in chamber-based measurements of soil respiration // Agric. For. Meteorol. №113, 2002, p. 21-37.

129. Whiting G.J., Bartlett D.S., Fan S., Bakwin P.S., Wofsy S.C. Biosphere/atmosphere C02 exchange in tundra ecosystem: community characteristics and relationship with multispectral surface reflectance// J. Geophys. Res. 1997: p. 16671-16680

130. Ray Angell, Tony Svejcar. A chamber design for measuring net C02 exchange on rangeland// J. Range Manage 52: January 1999. p. 27-31

131. Takafumi Miyama, Yuji Kominami, Koji Tamai, Tatsuhiko Nobuhiro. Automated foliage chamber method for long-term measurement of C02 flux in the uppermost canopy//

132. Tellus. 2003, 55В, p. 322-330

133. Мейер К.И. О фитопланктоне оз. Байкал. «Русск. гидробиол. ж.», 1927, т VI, №6-7. с. 128-137

134. Семенов А.Д. Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши. JI., Гидрометеоиздат, 1977, 542 с.

135. Рублев A.H., Григорьев Г.Ю., Удалова T.A., Журавлева Т.Б. Регрессионные модели для оценки углеродного обмена в бореальных лесах // Оптика атмосферы и океана. 2010. Т.23№1.С. 21-26

136. Вомперский С.Э. Биогеоценотические особенности болот и их рациональное использование. М.: Наука. 1994г.

137. Jukka Aim, Sanna Saarnio, Hannu Nykanen, Jouko Silvola, Pertti J. Martikainen. Winter C02, CH4 and N20 fluxes on some natural and drained boreal peatlands// Biogcochemistry 44: 163-186, 1999

138. Домышева B.M., Панченко M.B., Пестунов Д.А., Сакирко М.В. Влияние атмосферных осадков на процесс газообмена С02 с водной поверхностью оз. Байкал // Доклады Академии наук, 2007. Т. 414 № 5

139. Сакирко М. В., Панченко М. В., Домышева В. М., Пестунов Д.А. Суточные ритмы концентрации диоксида углерода в приводном слое воздуха и в поверхностной воде озера Байкал в разные гидрологические сезоны //Метеорология и гидрология, 2008г. № 2 (стр.79-86)

140. Sz Czybel, J Balogh, Sz Fyti, J Nagy, T Szerdahelyi, Z Nagy, S Bartha, Z Tuba. Spatial scale-dependence of ecosystem C02 exchange in three nonarborescent temperate vegetations//Acta Biologica Szegediensis. 2002. V.46(3-4). P.219-220

141. Conen, F., and K. A. Smith. A re-examination of closed flux chamber methods for the measurement of trace gas emissions from soils to the atmosphere. Eur. J. Soil Sci. 1998, 49: 701-707.

142. Davidson E. A. Savage K., Verchot L. V., Navarro R. Minimize artifacts and biases in chamber-based measurements of soil respiration. Agric. For. Meteorol. 2002 113: 21-37.

143. Hutchinson G. L., G. P. Livingston. Vents and seals in non-steady-state chambers used for measuring gas exchange between soil and the atmosphere. Eur. J. Soil Sci. 2001, 52: 675-682173. http://catalog-e.ckd.co.jp

144. Кураков С. А., Крутиков B.A., Ушаков В.Г. Автономный измеритель профиля температуры АИПТ// Приборы и техника эксперимента, 2008, №5. с 166-167

145. Верболов В.И., Сокольников В.М., Шимараев М.Н. Гидрометеорологический режим и тепловой баланс озера Байкал.- M.-JL: Наука, 1965.- 374 с.

146. Анемомегр чашечный МС-13 ГОСТ 6376-74 паспорт Л6.2.781.002ПС

147. Но D.T., Asher W.E., Bliven L.F., Schlosser P. Gordan, E.L. On mechanisms of rain-induced airewater gas exchange. Journal of Geophysical Research. 2000. 105, p. 24045-24057.

148. Ho D.T., Bliven L.F., Wanninkhof R. The effect of rain on air-water gas exchange // Tellus 49B 1997., 149el58.

149. Оболкин B.A., Ходжер T.B. Анохин Ю.А., Прохорова Т.А. Кислотность агмо-сферных выпадений в регионе Байкала // Метеорол. И гидрол. №1, 1991

150. Израэль Ю.А., Назаров И.М., Прессман А.Л. и др. Кислотные дожди. Л.: Гид-рометеоиздат, 1989. 243 с.

151. Патент (РФ) на ПМ № 77691. Электронный индикатор атмосферных осадков. Патентообладатель: Институт оптики атмосферы СО РАН, автор: Пестунов Д.А.

152. Hill, F.B, V.P. Aneja, and R.M. Felder. A technique for measurement of biogenic sulfur emission fluxes // J. Environ.Sci. Health, A13(3), 199-225, 1978.

153. Roelle, P.A., V.P. Aneja, J. O'Connor, W. Robarge, D.S. Kim, and J.S. Levine, Measurement of nitrogen oxide emissions from an agricultural soil with a dynamic chambcr system//J. Geophys. Res., 104, 1609-1619, 1999.

154. Регулятор расхода газа РРГ-10. Техническое описание и инструкция по эксплуатации БРАГ.421413.00210. Москва 2007.

155. Грачев М.А., Домышева В.М., Ходжер Т.В. и др. Глубинная вода озера Байкал — природный стандарт пресной воды.// Химия в инт. уст. разв. 2004 г. №12, с.417-429

156. Ходжер Т.В., Голобокова Л.П., Оболкин В.А.и др. Исследование дисперсного и химического состава аэрозолей на Южном Байкале. //Геогр. и природ, ресурсы; 1996; (1):73-79.

157. Шимараев М.Н. Тепловой режим глубоководных озер (на примере оз. Байкал) // Тр. Всесоюзного гидрологического съезда. JL: Гидрометеоиздат. 1990 С. 294-307

158. Россолимо JI.JI. Температурный режим озера Байкал // Труды Байкальской лимнологической станции АН СССР. М.: Наука, 1957.- т. 16. С. 551.

159. Власенко В.В., Лут Л.И. Климат и циркуляция воздушных масс // Экология Южного Байкала. Изд-во АН СССР, 1983. - Т. 28. - 495 с.

160. Россолимо Л.Л. Байкал. М. Издательство «Наука» 1966г

161. Semiletov, I., A. Makshtas, S.-I. Akasofu, and Е. L Andreas. Atmospheric C02 balance: The role of Arctic sea ice // Geophys. Res. Lett. -2004. V.31, L05121.

162. Нагурный А. П. О роли льда Северного Ледовитого океана в сезонной изменчивости концентрации двуокиси углерода в северных широтах // Метеорология и гидрология, 2008, № 1, с. 65—71.

163. Государственный стандарт. Обозначения условные графические па пневматических и гидравлических схемах ГОСТ 2.782-68 ГОСТ 2.721-74.• г 4 е НлУ1 О„V» .г*.-ЛИИ /!.','•'.,