CC BY
47
УДК 551.506 + 551.510.41 + 551.510.42
ИСТОЧНИКИ И ВРЕМЕННЫЕ ВАРИАЦИИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА АТМОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ В НОВОСИБИРСКОЙ ОБЛАСТИ
Светлана Анатольевна Попова
Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, младший научный сотрудник, тел. (383)333-07-87, e-mail: popova@kinetics.nsc.ru
Валерий Иванович Макаров
Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, кандидат химических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)333-07-87, e-mail: makarov@kinetics.nsc.ru
Михаил Анатольевич Бизин
Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, младший научный сотрудник, тел. (383)333-09-12, e-mail: bizin@kinetics.nsc.ru
Ольга Васильевна Чанкина
Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, научный сотрудник, тел. (383)330-77-43, e-mail: chankina@kinetics.nsc.ru
Борис Сергеевич Смоляков
Институт неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 3, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (383)316-55-31, e-mail: ecol@niic.nsc.ru
Марина Петровна Шинкоренко
Институт неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 3, инженер, тел. (383)316-55-31, e-mail: shink@niic.nsc.ru
В работе приводится химический состав атмосферного аэрозоля, измеренного в летний сезон 2013 на участках с разной степенью антропогенной нагрузки, для того чтобы определить возможные региональные источники в период отсутствия экстремальных явлений.
Ключевые слова: атмосферный аэрозоль, субмикронная фракция аэрозоля, органический углерод, элементный углерод, водорастворимые неорганические ионы, элементный состав.
SOURCES AND TEMPORAL VARIATIONS OF CHEMICAL COMPOSITION OF TOTAL SUSPENDED PARTICLATE IN NOVOSIBIRSK REGION
Svetlana A. Popova
Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion SB of the RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Institutskaya St., junior researcher, tel. (383)333-07-87, e-mail: popova@kinetics.nsc.ru
Valerii I. Makarov
Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion SB of the RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Institutskaya St., Ph. D., senior researcher, tel. (383)333-07-87, e-mail: makarov@kinetics.nsc.ru
Mikhail A. Bizin
Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion SB of the RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Institutskaya St., junior researcher, tel. (383)333-09-12, e-mail: bizin@kinetics.nsc.ru
Boris S. Smolyakov
Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry SB of the RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Acad. Lavrentiev Ave., Ph. D., leading researcher, tel. (383)316-55-31, e-mail: ecol@niic.nsc.ru
Marina P. Shinkorenko
Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry SB of the RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Acad. Lavrentiev Ave., engineer, tel. (383)316-55-31, e-mail: shink@niic.nsc.ru
The paper describes the chemical composition of atmospheric aerosol measured during the summer season of 2013 in sites with different level of anthropogenic load, in order to identify potential regional sources in the absence of extreme events.
Key words: total suspended particles, fine particles, organic carbon, elemental carbon, water soluble inorganic ions, elemental composition.
Целью работы является определение возможных региональных источников атмосферного аэрозоля (АА) на территории юга Западной Сибири используя пространственное распределение основных аэрозольных компонентов в точках отбора с разной степенью антропогенной нагрузки.
Образцы АА были отобраны в 3-х пунктах: д. Завьялово (1), п. Ключи (2) и г. Новосибирск (3). Первый пункт 1 (54°26'35"N, 82°18'31"E) находится в лесной зоне в 15 км от близлежащей деревни и в 90 км от г. Новосибирска. Здесь отсутствуют местные источники антропогенного загрязнения атмосферы и поэтому, этот участок называем фоновым участком. Второй пункт 2 (54°50'52"N, 83°16'31"E) находится в п. Ключи, расположенному в 30 км к юго-востоку от пункта 3. Эта точка отбора относится к сельской местности и считается, что аэрозоли здесь формируются за счёт естественных процессов с небольшой примесью загрязняющих веществ антропогенного происхождения. Третий пункт 3 (55°00'30"N, 82°57'40"E) располагается в г. Новосибирске и характеризует городскую зону. Здесь проживает около 1.5 млн. жителей на территории 502 км2 и используется более 400 тыс. автомобилей.
Кампания по отбору образцов проводилась с 20 июня по 27 июля 2013 одновременно в 3-х точках отбора. В каждом пункте использовался высокообъ-ёмник для отбора образцов АА на ацетилцеллюлозные фильтры (АФА-ХА-20) со скоростью 200 л/мин и на стекловолокнистые фильтры (Whatman) со скоростью 30 л/мин. Массовая концентрация аэрозоля (См) определялась гравиметрически, используя весы Sartorius TE124S с чувствительностью 10-4 г, с обязательным просушиванием проб над поверхностью цеолита. Концентрация субмикронных частиц аэрозоля (РМ1) определялась нефелометром [1]. Одна половина ацетилцеллюлозного фильтра использовалась для определения среднесуточных концентраций 20 элементов (K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Br, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Pb) методом рентгено-флуоресцентного анализа с ис-
пользованием синхротронного излучения (РФА СИ) с энергией возбуждения 23 keV [2]. Другая половина фильтра использовалась для определения водорастворимых компонентов аэрозоля. Концентрации ионов Na+, NH4+, K+, F-
Л
+HCOO-, Cl-, NO3-, SO4 - определялись ионной хроматографией (HPI-1, Россия), HCO3-, Ca2++Mg2+
кондуктометрическим титрованием. Кислотность (pH) водорастворимой фракции АА измерялась с использованием tonometer ANION-410 (Россия) [3]. Методом реакционной газовой хроматографии были измерены среднесуточные концентрации органического (ОС) и элементного углерода (ЕС) [4]. Статистическая обработка измеренных данных проводилась с использованием Statistica Six Sigma software (release 7.0 for Windows). Метеорологические данные, включающие относительную влажность воздуха (RH, %), температуру (T, °C), скорость ветра (WS, м/с), направление ветра (WD) и видимость (V, км) были размещены на сайте метеорологической станции расположенной в п. Огур-цово (54°90'N, 82°95'E) (http://www.pogodaiklimat.ru/weather.php?id=29638).
Средняя массовая концентрация аэрозоля в д. Завьялово, п. Ключи и Ново-
Л
сибирске составляла 28±19.4, 43.1±14.5 и 90.1±25.8 мкг/м , соответственно. Средняя массовая концентрация субмикронного аэрозоля (РМ1) за период про-
-5
боотбора в пригородной и городской зонах составляет 5.6±2.5 и 10.8±4.2 мкг/м , соответственно. Отношение РМ1/См на участках 2 и 3 одинаково и составляет 0.12±0.06. Несмотря на отсутствие нормативов по предельно-допустимой концентрации Cм и РМ1 для РФ, в зарубежной литературе проводятся дискуссии о величине массовой концентрации аэрозоля, которая может оказывать влияние на здоровье человека. В частности, в работе [5] приводится среднесуточная величина РМ10, превышение которой может вызывать эпидемиологические по-
-5
следствия, 40 мкг/м . Т.к. РМ1 составляет 12% от общей концентрации частиц, то можно считать, что аэрозоль на АФА-ХА фильтре в основном представлен грубодисперсной фракцией аэрозоля (РМ10). Таким образом, городская зона подвергается определённому загрязнению. Низкий коэффициент детерминации (R2) между См и РМ1 говорит о разных источниках аэрозоля разных размерных фракций в период летнего сезона 2013, когда отсутствовали какие-либо аномальные события, например, стихийное горение биомассы, пылевые бури и др. (рис.). Проведение корреляционного анализа между массовыми концентрациями общего и субмикронного аэрозоля с основными метеорологическими характеристиками показало, что в летнее время, температура является основным метеорологическим фактором влияющим на концентрацию РМ1, а относительная влажность на массовую концентрацию АА на фоновом участке (табл.).
Элементы почвенно-эрозионного происхождения K, Ca, Ti и Fe составляют 98% от общего содержания. Чтобы определить происхождение и степень антропогенного влияния на многоэлементный состав АА, был рассчитан коэффициент обогащения (EF) для всех измеренных элементов. Показано, что K, Ca, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Rb, Sr, Zr имеют EF<10 и имеют почвенное происхождение, для Co и Zn значение EF около 10, что говорит о смешанных источниках, EF>10 для As, Br, Zn и Pb (антропогенное происхождение). По большинству элементов концентрации их в Ключах выше примерно в 2 раза, чем в Завья-
лово, т.е. имеют общий источник (почвенно-эрозионный). Более высокое содержание Са чем К в Новосибирске - следствие усиления вклада дорожной пыли; резкое увеличение Си, 7п - специфический техногенный источник.
л
О 20 40 60 80 100
Концентрация См, мкг/мЗ
б
0 50 100 150
Концентрация См, мкг/мЗ
Рис. Линейная регрессия См и РМ1 для участка 2 (а) и 3 (б)
Таблица
Коэффициенты корреляция между См, РМ1 и метеопараметрами
Завьялово Ключи Новосибирск
См См РМ1 См РМ1
яи -0.63 -0.36 -0.10 -0.43 0.13
WS 0.45 0.34 0.00 0.04 -0.46
-0.24 -0.11 -0.03 -0.51 -0.35
Тетр. 0.50 0.49 0.67 0.31 0.58
V 0.02 -0.02 -0.20 -0.05 -0.38
Динамика ионного состава во всех пунктах близкая, т.е. определяется общими факторами регионального масштаба. Значения ионов в Новосибирске выше за счет большего вклада почвенно-эрозионных источников и дорожной пыли, исключение составляют КН и 304 - (летучие предшественники). Ки-
слотность водорастворимой фракции аэрозоля выше (значение рН ниже) в За-вьялово из-за дефицита ионов
Са2+,
полностью нейтрализующего сульфаты
в Ключах и Новосибирске.
Что касается распределения углеродсодержащих частиц, то следует выделить следующее: основная доля приходится на ОС, который в 3-5 раз превышает содержание ЕС и довольно низкое содержание вторичного органического аэрозоля (5-10% от общей массовой концентрации частиц).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бизин М.А., Куценогий К.П., Куценогий П.К., Макаров В.И. Автоматизация нефе-лометрических измерений массовой концентрации субмикронных атмосферных аэрозолей // Оптика атмосф. и океана. - 2007. - Т. 20. - № 3. - С. 291-296.
2. Baryshev V.B., Bufetov N.S., Koutzenogii K.P., Makarov V.I., Smirnova A.I. Synchrotron radiation measurements of the elemental composition of Siberian aerosols // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. - 1995. - V. 359. -P. 297.
3. Smolyakov B.S., Shinkorenko M.P. Seasonal dynamics of ion composition of atmospheric aerosol and precipitation in Novosibirsk Region // Atmos. Ocean. Opt. - 2002. - V. 15. - № 5-6. -С. 419-424.
4. Makarov V.I., Koutsenogii K.P., Koutsenogii P.K. Daily and seasonal changes of organic and inorganic carbon content in atmospheric aerosol Novosibirsk Region // J. Aer. Sci. - 1999. - V. 30. - P. 659-660.
5. Brunekreef B., Maynard R.L. A note on the 2008 EU standards for particulate matter // Atmos. Environ. - 2008. - V. 42. - P. 6425-6430.
© С. А. Попова, В. И. Макаров, М. А. Бизин, О. В. Чайкина, Б. С. Смоляков, М. П. Шинкоренко, 2015
