CC BY
30
УДК 551.510.04:551.577
Е.В. Горбаренко1, И.Д. Еремина2
ИЗМЕНЧИВОСТЬ АЭРОЗОЛЕЙ И ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ В МОСКВЕ3
Анализируется загрязнение и очищение атмосферы при совместной интерпретации показателей газового состава воздуха, химического состава осадков и аэрозольной оптической толщины (АОТ) атмосферы на базе наблюдений за состоянием воздушной среды города, проводимых в Метеорологической обсерватории МГУ. Найдены корреляционные связи между АОТ, значениями среднего содержания газов-предшественников и ионов в осадках. Приводятся некоторые закономерности изменчивости АОТ, малых газовых компонентов в воздухе и в осадках в период дымной мглы 2002 г. по сравнению с «чистым» периодом. Оценена роль осадков в процессе очищения воздушного бассейна города. Особый интерес это представляет в связи с повторением неблагоприятной экологической ситуации в Москве из-за дыма от лесных пожаров и горящих торфяников летом 2010 г.
Ключевые слова: экология города, химический состав осадков, газовый состав воздуха, аэрозольная мутность атмосферы, дымная мгла.
Введение. Крупный промышленный город с большим количеством газовых и аэрозольных источников загрязнения трансформирует проходящую над ним воздушную массу, изменяя ее химический состав и оптические свойства. Мониторинг параметров, характеризующих состояние воздушной среды, — одна из основных задач в решении проблемы загрязнения городов.
К настоящему времени в Метеорологической обсерватории МГУ (МО МГУ) сложился комплекс наблюдений за состоянием воздушной среды, осуществляемый несколькими организациями. Более 50 лет (с 1955 г.) в МО МГУ ведутся наблюдения за приходом прямой солнечной радиации. На основе этих измерений определяются основные характеристики прозрачности атмосферы: интегральный коэффициент прозрачности и аэрозольная оптическая толщина атмосферы для эффективной длины волны солнечного спектра = 550 нм (АОТ) [14]. Эти параметры отражают физическое состояние атмосферы, определяют приток лучистой энергии к земной поверхности, дают представление о фоновом и локальном загрязнении. В условиях города АОТ атмосферы может служить косвенной характеристикой антропогенного загрязнения и отражать экологическое состояние воздушного бассейна.
С 2001 г. в рамках программы «AERONET» в МО МГУ осуществляется мониторинг аэрозольных характеристик атмосферы с помощью солнечного фотометра «CIMEL». Эти наблюдения позволили получить более подробные оптические характеристики городского аэрозоля, такие как значения спектраль-
ной аэрозольной оптической толщины, комплексный показатель преломления, альбедо однократного рассеяния, фактор асимметрии фазовой функции рассеяния, распределение частиц по размеру [15]. Результаты наблюдений представлены в открытом доступе на официальном сайте «AERONET» по адресу: http://aeronet.gsfc.nasa.gov.
Методы отбора и анализа. В 1980 г. в МО МГУ была создана химическая лаборатория для изучения химического состава атмосферных осадков. С 1980 г. начаты измерения кислотности осадков, с 1982 г. — полный анализ ионного состава. Изучение химического состава атмосферных осадков проводится на основе отбора единичных проб, т.е. каждого случая дождя, снегопада или смешанных осадков с начала выпадения до окончания в текущие или смежные сутки. Осадки отбирают с помощью винипластовой воронки размером 80х80 см, расположенной на высоте 2 м от поверхности земли, и полиэтиленового ведра. Наблюдения проводятся круглосуточно. В каждой пробе дождя и снега в соответствии с программой ВМО определяется содержание анионов: сульфат-иона ^042-), гидрокарбонат-иона (НСО3-), хлорид-иона (С1-) и нитрат-иона (N0^), а также катионов кальция (Са2+), магния (Mg2+), натрия (№+), калия (К+) и аммония ^Н4+). С 2008 г. проводятся измерения удельной электропроводности проб. Для определения количества анионов и аммония используется метод проточно-инжекционного анализа со спектрофотометрической детекцией, остальные катионы определяются методом атомной абсорбции [8, 9].
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра метеорологии и климатологии, ст. науч. с., канд. геогр. н.; e-mail: catgor@mail.ru
2 Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, географический факультет, кафедра метеорологии и климатологии, вед. науч. с., канд. хим. н.; e-mail: meteo@rambler.ru
3 Работа выполнена при поддержке ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2012 годы» в рамках темы «МЕГАПОЛИС» (госконтракт № 02.527.12.0007, договор №2009-06/03).
В 1996 г. по решению Правительства Москвы начали создавать Московскую систему мониторинга атмосферного воздуха. Информация об уровне загрязнения атмосферного воздуха поступает более чем с 30 автоматических станций контроля загрязнения атмосферы. Эти станции расположены во всех функциональных зонах города, начиная от чистых (фоновых) территорий природных парков и заканчивая городскими очагами загрязнения — автотрассами. Информация о работе сети находится на сайте Мо-сэкомониторинга http://www.mosecom.ru/air/.
Включение в 1999 г. МО МГУ в сеть автоматических постов контроля за качеством атмосферного воздуха позволило оценить состояние воздушной среды вокруг МО МГУ относительно других районов города. МО МГУ расположена на территории ботанического сада МГУ в относительно чистом Юго-Западном районе Москвы и на значительном удалении от крупных промышленных предприятий и магистралей столицы. По данным Мосэкомониторинга, станция, расположенная на площадке МО МГУ, относится к фоновой территории города.
С 1 февраля 2002 г. на территории МО МГУ начала работать станция наблюдения за составом атмосферы географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова и Учреждения Академии наук Института физики атмосферы имени А.М. Обухова. Основу станции составляет автоматизированный комплекс измерительной аппаратуры, размещенный в специально оборудованном помещении, где ведутся непрерывные измерения концентрации малых газовых примесей (озон, оксиды углерода, азота и серы, метан) [5, 13, 17].
Важный фактор, определяющий уровень загрязнения в городе, — метеорологическая ситуация, способствующая накоплению или рассеянию загрязняющих веществ в приземном слое воздуха. Совместная интерпретация стандартных метеорологических наблюдений МО МГУ, данных акустического зондирования нижнего 800-метрового слоя атмосферы с данными станции наблюдений за составом атмосферы позволила оценить временную изменчивость состава воздуха под воздействием метеорологических условий [5, 6, 11].
Анализ результатов многолетних наблюдений за аэрозольной оптической толщиной, кислотностью и химическим составом осадков. В МО МГУ накоплен и проанализирован большой объем данных по АОТ и химическому составу осадков: получены нормы, проанализированы суточная, годовая и межгодовая изменчивость параметров [1, 7]. Отмечены некоторые общие тенденции в сезонных и многолетних изменениях АОТ и химическом составе осадков [4].
Дневной и годовой ход аэрозольной оптической толщины определяется естественными процессами. Под влиянием метеорологических условий (инверсия, осадки, дневной ход конвекции и метеорологических параметров, адвекция воздуха) значение АОТ в тече-
ние дня может изменяться в 2—3 раза. Тип годового хода АОТ с весенним и летним максимумами (который сохраняется и в периоды загрязнения вулканическим аэрозолем, и в относительно чистые периоды) определяется сезонной сменой синоптических процессов и состоянием подстилающей поверхности. Наибольшая повторяемость АОТ весной и летом лежит в диапазоне 0,15—0,25, осенью и зимой — 0,05—0,15.
Средние значения концентрации практически всех ионов в осадках (за исключением Н+ и НСО3-, связанных между собой), а также их суммы — минерализации — имеют максимальные значения в весенние, реже в летние месяцы. Такой годовой ход содержания ионов в осадках хорошо согласуется с годовым ходом АОТ (табл. 1).
В табл. 1 представлены средние месячные многолетние значения АОТ, рН, минерализации осадков (сумма ионов), концентрации главных ионов (сульфата и кальция) и натрия, а также их статистические характеристики.
Общие тенденции в годовой изменчивости этих величин свидетельствуют о единстве источников. Высокие значения минерализации осадков и АОТ в марте—апреле связаны с увеличением в атмосфере содержания аэрозоля естественного происхождения: после схода снежного покрова с повышением температуры воздуха начинает развиваться конвекция, и незакрепленные растительным покровом частицы почвы в большом количестве поступают в атмосферу.
Самые высокие значения АОТ, общей минерализации и концентрации некоторых примесей в осадках, собранных в МО МГУ в течение всего года, наблюдаются при ветрах южных и восточных румбов. Это связано как с увеличением количества естественного аэрозоля в воздушных массах с юга России и из Средней Азии, так и с загрязнением антропогенным аэрозолем при прохождении воздушной массы над юго-восточной частью города, где расположены крупнейшие промышленные предприятия столицы.
В процессе очищения атмосферы от аэрозолей важная роль принадлежит осадкам. Процесс вымывания определяется совокупностью факторов: количеством, продолжительностью и интенсивностью осадков, характером их выпадения (действие повторяющихся дождей больше, чем эпизодических), а также метеорологическими условиями. По данным МО МГУ значительное вымывание наблюдается при месячном количестве осадков 50—60 мм, дальнейшее увеличение количества осадков в месяц почти не сказывается на вымывании аэрозолей. Для изучения динамики вымывания аэрозолей из атмосферы осадками отобраны фракционные пробы отдельных дождей [10], т.е. в течение одного дождя отбирали последовательно несколько проб равного объема. При выпадении дождей одинаковой интенсивности происходит постепенное снижение концентрации ионов в каждой последующей порции. Наибольшее очищение атмосферы от примесей во время достаточно интенсивного дождя
Таблица 1
Статистические характеристики месячных значений аэрозольной оптической толщины (1955—2009 гг.) и химического состава осадков
(1982-2009 гг.)
Статистические характеристики I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII год
АОТ
Среднее 0,14 0,17 0,20 0,26 0,23 0,21 0,22 0,23 0,20 0,14 0,12 0,12 0,19
Стандартное отклонение 0,11 0,08 0,09 0,10 0,09 0,08 0,06 0,07 0,11 0,08 0,07 0,12 0,05
Минимум, год 0,02 1955, 2001, 2002 0,02 1989 0,08 1997 0,11 1997 0,09 1997 0,07 1994 0,10 1980, 2000 0,10 2000 0,07 1990 0,02 1985 0,02 1990, 2002 0,01 1999, 2003 0,11 1997, 2003
Максимум, год 0,47 1968 0,42 1985 0,44 1992 0,54 1983 0,51 1983 0,39 1981 0,34 1983 0,42 1992 0,64 2002 0,38 1984 0,34 1965 0,44 1966 0,33 1983
рН
Среднее 5,98 5,53 5,22 5,19 4,90 4,66 4,61 4,58 5,00 5,19 5,63 5,84 4,90
Стандартное отклонение 0,45 0,50 0,86 0,67 0,65 0,65 0,60 0,59 0,55 0,61 0,58 0,63 0,43
Минимум, год 5,13 2009 4,81 2006 3,94 1983 4,69 2008 4,32 1982 4,10 1987 3,66 1987 3,99 1987 4,52 2009 4,57 2008 4,86 2009 5,09 2009 4,22 1987
Максимум, год 6,83 1986 6,81 2002 7,08 2000 6,94 2005 6,46 2003 6,62 2002 6,35 2002 6,47 2002 6,41 2004 6,88 1988 6,87 2003 7,42 1990 6,25 2002
SO42-, мг/л
Среднее 5,1 5,5 6,4 8,9 6,5 5,5 4,4 4,8 4,9 3,6 5,1 4,1 5,0
Стандартное отклонение 3,5 3,6 5,6 4,6 6,9 3,0 2,5 2,7 3,2 2,4 3,6 3,1 2,0
Минимум, год 1,1 2005 1,3 2001 1,6 008 2,5 2006 1,4 2001 1,8 2004 1,3 2005 1,7 1998 1,1 2003 0,7 2000 0,8 2004 0,9 2000 2,3 2004
Максимум, год 15,2 1988 12,1 1988, 1998 24,2 1986 18,5 1991 32,5 1986 11,7 1989 10,8 1991 11,7 1987 11,5 1991 10,1 1988 15,7 1991 11,5 1991 10,9 1991
Статистические характеристики Са2+, мг/л
Среднее 4,0 3,5 5,6 5,0 3,6 2,9 2,7 2,6 2,9 2,5 3,8 3,7 3,3
Стандартное отклонение 1,6 1,9 2,4 3,1 3,7 2,9 1,4 2,2 1,7 1,5 2,0 2,0 0,9
Минимум, год 1,8 2005 1,4 2001 2,5 1988 1,8 2008 0,9 1988 0,5 1988 0,8 1988 1,5 1986 1,2 1983, 2006 0,9 2002 1,4 1997 1,1 2002 2,1 2004
Максимум, год 7,2 1984 7,7 1989 10,1 1991 13,1 1984 16,1 1983 12,2 2007 5,5 2006 11,0 1985 6,5 1989 6,5 1988 10,2 1991 9,1 1990 6,2 1992
№+, мг/л
Среднее 0,86 0,83 1,19 0,48 0,27 0,29 0,19 0,20 0,21 0,18 0,52 0,61 0,37
Стандартное отклонение 0,61 0,65 0,48 0,40 0,32 0,26 0,16 0,20 0,16 0,14 0,52 0,62 0,15
Минимум, год 0,25 1983 0,24 1983 0,22 2008 0,11 2004 0,05 2001 0,05 2000 0,03 2008 0,04 2008 0,02 2003 0,02 2008 0,03 2005 0,14 2008 0,13 2008
Максимум, год 2,46 2000 2,42 1987 1,93 1993 1,88 1988 1,48 1986 1,05 1988 0,59 1989 0,85 1985 0,59 2004 0,50 1988 2,62 1999 2,21 1998 0,85 1999
сумма ионов, мг/л
Среднее 21,5 20,5 27,1 28,8 21,5 17,9 14,8 15,6 16,4 13,0 19,8 19,3 18,0
Стандартное отклонение 6,8 9,3 9,9 15,5 16,6 10,8 6,1 10,9 7,5 6,6 8,0 10,0 3,9
Минимум, год 9,8 2005 9,1 2001 15,0 2008 13,0 2008 5,8 2001 7,6 2000 8,4 2000 9,2 1986 6,1 2006 5,7 2002 10,9 2004 8,2 1988 11,8 2001
Максимум, год 38,7 1988 44,1 1987 52,2 1991 68,0 1988 80,9 1983 46,2 2007 29,9 1999 58,9 1985 30,7 1989 35,6 1988 42,6 1991 46,8 1990 27,0 1991
Рис. 1. Многолетние изменения: а — средние многолетние значения АОТ, изменение отклонений (й = _ ¿норма)/^норма • 100,%) средних годовых значений АОТ от нормы; б — минерализация проб осадков в зависимости от количества осадков в году; в — соотношения анионов в средних годовых пробах; г — число кислотных проб с рН<5 (% от
выпавших в году осадков)
происходит в первые 30—40 мин. Когда интенсивность дождя меняется, то максимальные значения концентрации ионов наблюдаются в порциях дождя, собранных за большее время, т.е. при небольшой интенсивности. Но и в этом случае через 30—50 мин. после начала выпадения осадков содержание ионов снижается до минимальных значений, т.е. атмосфе-
ра хорошо очищается. После выпадения внутримассовых осадков АОТ до и после дождя изменялась в 1,5—2 раза. Более значительное снижение величины АОТ после прохождения фронтальных осадков может быть связано не только с очищающим действием осадков, но и со сменой воздушной массы после прохождения фронта.
Межгодовая изменчивость АОТ вызвана естественными и антропогенными факторами. Наиболее значительное увеличение аэрозольной мутности связано с вулканическими извержениями, влияние которых сказывается на аэрозольной мутности атмосферы в течение последующих 2 лет. Максимальные годовые значения АОТ отмечены через год после их извержения: Эль-Чичон — АОТ=0,35 (1983), Пинатубо — АОТ=0,30 (1992). На следующий год после извержения АОТ превышала норму на 75 и 50% соответственно (рис.1 а).
По данным наблюдений за 1955—2009 гг., в изменении средних годовых значений АОТ можно выделить несколько периодов: 1955—1985 гг. — период возрастающей промышленной нагрузки в Москве со значимой тенденцией к увеличению АОТ; 1985-1994 гг. — значимый отрицательный тренд во все месяцы года (значимым считался тренд, доверительная вероятность которого Р >95%). К 1994 г. произошло полное очищение стратосферы от вулканического аэрозоля, в дальнейшем не было значительных вулканических извержений, влияющих на глобальное загрязнение атмосферы. В этот же период в Москве уменьшилось число промышленных предприятий, что привело к существенному уменьшению выбросов [3]. Средние годовые значения АОТ в последние годы на 40% меньше нормы. С 1994 г. в Москве наблюдается стабильно низкий уровень аэрозольной мутности атмосферы (рис. 1, а) [12].
Аналогичные тенденции наблюдаются и в многолетних изменениях концентрации отдельных ионов и их суммы (минерализации). Наибольшие значения этих параметров также наблюдались в 1991-1992 гг.: в 1991 г. отмечены максимальные средние значения
минерализации (27,0 мг/л), сульфатов (10,9 мг/л); а в 1992 г. наблюдались наибольшие значения средней концентрации для хлорид-ионов (5,7 мг/л) и катионов Са2+ и NH4+ (6,2 и 1,7 мг/л соответственно).
Самое низкое среднее значение минерализации осадков за все годы наблюдений наблюдалось в 2001 г., оно составило 11,8 мг/л. В этом году отмечены также минимальные значения содержания ионов Са2+, К+ и NH4+ (2,2; 0,08 и 0,45 мг/л соответственно). В 2000 г. наблюдались минимальные значения средней годовой концентрации ионов SO42-, С1- и Mg2+ (2,6; 1,2 и 0,08 мг/л соответственно).
За все время наблюдений за химическим составом осадков можно выделить несколько периодов с разными характеристиками качественного и количественного состава проб. При рассмотрении взаимного соотношения анионов в средних годовых значениях (рис. 1, в) отмечено, что с начала наших наблюдений до 1999 г. в осадках, как правило, среди анионов преобладал сульфат-ион. Эти годы характеризовались выпадением кислых дождей (рис. 1, г), особенно в теплый период, а также довольно большой минерализацией осадков (от 17 до 27 мг/л). С 2000 г. содержание SO42- резко уменьшилось, зато важную роль стал играть гидрокарбонат-ион. Это привело к тому, что осадки стали более щелочными, кислотные выпадения стали единичным явлением. В 2002 г. не выпало ни одного дождя с рН<5. Минерализация заметно уменьшилась: в период 2000—2004 гг. она изменялась в пределах 11,8—17,8 мг/л. В 2005 г. вновь возросло содержание сульфатов и хлоридов, а концентрация ионов НСО3- в осадках уменьшилась. Минерализация в 2005—2009 гг. увеличилась незначительно, а вот кислотных осадков вновь выпадало много (рис. 1, г).
В наблюдениях за химическим составом осадков можно выделить три периода, характеризующихся разным качественным и количественным содержанием ионов в атмосферных осадках: I — 1980—1998 гг.; II — 1999-2004 гг.; III — 2005-2009 гг., причем последний период очень похож на первый (по наличию кислотных выпадений и составу преобладающих ионов).
Таким образом, судя по многолетним данным, анализируемый период работы станции МО МГУ, наблюдающей за составом атмосферы (2002-2006 гг.), приходится на относительно чистый период за исключением времени с июля по сентябрь 2002 г., когда в Москве наблюдалась дымная мгла от торфяных и лесных пожаров в Подмосковье.
Обсуждение результатов. С началом работы в МО МГУ станции наблюдения за составом атмосферы появилась возможность проанализировать загрязнение и очищение атмосферы путем совместной интерпретации показателей газового состава воздуха, химического состава осадков и АОТ атмосферы в период 2002-2006 гг. и отдельно во время влияния дымной мглы от торфяных и лесных пожаров в
Таблица 2 Определяемые компоненты в воздухе и в осадках
Газовые составляющие Компоненты осадков
Оз Озон рН Кислотность
N0 Оксид азота НСО3- Гидрокарбонат-ион
К02 Диоксид азота 8042- Сульфат-ион
СО Оксид углерода С1- Хлорид-ион
С02 Диоксид углерода N0^ Нитрат-ион
СН4 Метан Са2+ Кальций
NMHC Неметановые углеводороды Мв2+ Магний
802 Диоксид серы №+ Натрий
Аммиак К+ Калий
АОТ Аэрозольная оптическая толщина атмосферы NH4+ Аммоний
Подмосковье (июль-сентябрь 2002 г.). Период наблюдений с исключением влияния дымной мглы в дальнейшем назван чистым периодом. При этом подразумевается, что в этот период не происходило дополнительного влияния, отличного от ежедневного городского загрязнения атмосферы. В табл. 2 представлены определяемые химические элементы в воздухе и осадках в МО МГУ.
Так как химический состав осадков определяется в суточных пробах дождя, то значения газового состава воздуха приведены к средним суточным величинам. Анализ данных проводили по средним суточным значениям элементов по сезонам года.
Газовый и аэрозольный состав атмосферы существенно отличался в период дымной мглы от таковых в чистый период. Если в чистый период основные газовые компоненты превышали предельно допустимые концентрации (ПДК) средних суточных значений в единичных случаях, то на протяжении влияния дымной мглы повторяемость таких значений существенно увеличилась (рис. 2).
Корреляционный анализ между средними суточными значениями химического состава дождя и газовыми составляющими в день выпадения осадков и со сдвигом на сутки назад во все сезоны года в чистый период показал незначимую зависимость между ними.
среднее за 2003-2006 гг. □ условия дымной мглы
Рис. 2. Число дней с превышением ПДК средних суточных значений О3, N0, N0^ СО (в % (Р) от общего числа наблюдений)
Таблица 3
Значения коэффициента корреляции между средними месячными значениями ионов в осадках и газовых компонентов в атмосфере в 2002—
2006 гг.
Газовые компоненты в атмосфере Кислотность и ионный состав атмосферных осадков
рН Н+ НС03- S042- С1- N0^ Са2+ Mg2+ №+ К+ NH4+ сумма ионов
Оз -0,612 0,496 -0,472 0,526 0,789 0,485 0,230 0,068 0,055 0,611 0,802 0,341
N0 0,196 -0,247 0,237 -0,278 -0,629 -0,156 -0,157 -0,280 -0,117 -0,342 -0,424 -0,233
-0,369 0,194 -0,132 0,523 0,220 0,616 0,282 -0,046 -0,013 0,208 0,552 0,343
СО -0,498 0,341 -0,051 0,621 0,349 0,559 0,464 0,164 0,324 0,193 0,239 0,455
С02 0,499 -0,593 0,755 0,584 0,001 0,490 0,738 0,691 0,712 -0,076 -0,158 0,711
СН4 -0,143 0,077 0,172 0,270 -0,033 0,192 0,320 0,208 0,407 -0,128 -0,352 0,224
NMHC -0,145 0,074 0,060 0,179 0,147 0,486 0,287 0,108 0,151 0,213 0,087 0,258
S02 -0,075 -0,090 0,345 0,791 0,374 0,535 0,762 0,638 0,777 0,039 -0,036 0,723
№Н3 -0,546 0,327 -0,312 0,491 0,451 0,424 0,223 -0,090 0,093 0,344 0,493 0,278
Примечание. Полужирным выделены значимые значения коэффициента корреляции.
Таблица 4
Статистические параметры суточных значений содержания газовых компонентов и аэрозольной оптической толщины атмосферы
Параметры 03, ррЬ N0, ррЬ N02, ррЬ СО, ррт С02, ррт СН4, ррт АОТ
ПДКсс 30 60 40 3,0 50
Июль-сентябрь 2002 г.
Среднее 18,85 18,86 29,89 1,43 377,19 2,03 0,40
Стандартное отклонение 11,57 18,25 10,94 0,63 10,84 0,13 0,39
Минимум 0,60 0,78 12,51 0,45 361,07 1,89 0,04
Максимум 51,70 92,41 61,54 4,36 438,24 2,53 1,38
Число случаев 92 53 53 80 80 92 45
Июль-сентябрь 2003-2006 гг.
Среднее 13,47 19,84 19,86 0,50 384,36 2,00 0,17
Стандартное отклонение 6,56 26,99 7,19 0,32 11,90 0,13 0,10
Минимум 1,00 1,22 7,17 0,17 357,16 1,73 0,01
Максимум 33,30 308,43 46,01 3,27 429,74 2,49 0,49
Число случаев 320 246 246 348 348 311 130
Таблица 5
Средние суточные значения параметров загрязнения атмосферы до и после выпадения осадков
Дата Газовые компоненты атмосферы АОТ Количество осадков, мм Ионный состав осадков
03, ррЬ СО, ррт С02, ррт СН4, ррт НСО3-мг/л Я042- мг/л N03 мг/л
23.07.2002 0,21
24.07.2002 26,7 1,528 380,81 2,027
25.07.2002 20,1 1,238 375,61 1,974 дождь 1,3 14,2 10,0 6,64
26.07.2002 16 1,08 378,74 1,986 дождь 1,2 2,8 4,2 2,75
27.07.2002 21,1 1,398 380,71 2,121 0,12
Б,% 27 9 0 -4 75
01.08.2002 40,4 2,672 389,66 2,359 0,85
02.08.2002 30,8 1,998 383,11 2,044 дождь 34,9 5,5 2,5 2,11
03.08.2002 8 1,192 388,34 2,001
04.08.2002 0,13
Б,% 405 124 0,34 18 554
Примечание. Б = (Р1 — Р2) • 100/Р2,%, где Р1 и Р2 — концентрация газовых компонентов и значения АОТ до и после выпадения осадков соответственно.
При сопоставлении средних месячных значений содержания газов-предшественников и ионов в осадках за этот же период 2002-2006 гг. (длина ряда 60) значения коэффициентов корреляции увеличиваются (табл. 3). В табл. 3 значимые коэффициенты корреляции (Р = 95%) выделены полужирным шрифтом.
Осадкам с повышенной концентрацией ионов с большой степенью вероятности соответствует повышенная концентрация углекислого (СО2) и сернистого газов ^02), а присутствие таких газовых составляющих, как озон, двуокись азота и угарный газ, меньше влияет на загрязненность осадков. Высокая концентрация S02 в атмосфере способствует увеличению концентрации в осадках ионов сульфатов, кальция и натрия (возможно, последние могут находиться в осадках в виде соединений CaS04 и Na2S04). Аналогичным образом повышение концентрации гидрокарбонат-иона, кальция и натрия в осадках сопровождается повышенным содержанием углекислого газа в атмосфере (табл. 3).
Отметим, что оксид азота (N0) почти со всеми ионами в осадках имеет отрицательные значения коэффициента корреляции, кроме гидрокарбонат-иона и рН. Это значит, что в загрязненной атмосфере N0 мало, по-видимому, он расходуется, вступая в реакции с образованием других оксидов азота. Наличие озона, напротив, ведет к увеличению содержания почти всех ионов в осадках. Возможно, как сильный окислитель озон способствует более быстрому окислению газовых предшественников в ионы в осадках: $02^$042-, N0 и N02^N03- и др. А вот присутствие таких составляющих, как метан (СН4) и неметановые углеводороды ^МНС), почти не влияет на содержание ионов в пробах осадков.
Лишь N0 и С02 в атмосфере увеличивают рН осадков, остальные газы уменьшают рН, т.е. увеличивают кислотность осадков.
При существенном увеличении содержания примесей в атмосфере вымывающее действие осадков становится заметнее. Таким природным экспериментом стала дымная мгла от лесных и торфяных пожаров в Подмосковье летом-осенью 2002 г.
Метеорологические особенности весенне-летнего периода 2002 г. (антициклональная жаркая и сухая погода) способствовали иссушению и возгоранию обширных подмосковных торфяников и лесных массивов [2, 16]. Перемещаясь с массами воздуха, дым от очагов возгорания достиг Москвы, что существенно изменило аэрозольно-газовый состав атмосферы и ухудшило экологическую ситуацию в городе.
Накопление в атмосфере дымового аэрозоля привело к увеличению аэрозольной оптической толщины атмосферы. Средние месячные значения АОТ в июле и августе в Москве превышали норму на 40%, а в сентябре более чем в 3 раза. В отдельные дни с дымной мглой средние суточные значения АОТ приближались к 1,5, это максимальные значения за 50-летний ряд наблюдений.
Существенно увеличилось в период дымной мглы по сравнению с этими же месяцами за 2003-2006 гг. содержание в задымленной атмосфере О3, С0, С02, N02, СН4 (табл. 4), концентрация некоторых веществ превысила ПДК (рис. 2). Максимальные суточные значения перечисленных компонентов за весь летний и осенний период 2002-2006 гг. приходятся на дни с дымной мглой в 2002 г.
Увеличение аэрозольной мутности в дни с дымной мглой привело к увеличению повторяемости низкой прозрачности атмосферы в июле-сентябре 2002 г. по сравнению с периодом 1994-2001 гг. Существенно увеличилась и повторяемость высоких средних суточных значений концентрации газовых компонентов в задымленной атмосфере (рис. 3).
Рис. 3. Повторяемость средних суточных значений АОТ и некоторых газовых компонентов в июле, августе, сентябре 2002 г. и в чистый период: АОТ (а), С0 (б), О3 (в), (г)
Таблица 6
Средние значения концентрации ионов в осадках в период дымной мглы (июль—сентябрь 2002 г.) по сравнению с данными за 2003—2006 гг.
Период, годы Количество осадков, мм Кислотность и ионный состав осадков, мг/л
рН НСО3- S042- С1- N03- Са2+ Mg2+ NH4+ сумма ионов
2002 135,7 6,55 8,8 5,4 2,0 2,32 2,6 0,31 3,12 24,8
2003-2006 Среднее 254,2 5,13 1,8 2,0 2,3 1,75 2,2 0,08 0,55 11,0
Величины аэрозольной оптической толщины атмосферы и концентрации газовых компонентов существенно менялись в течение дня или оставались постоянными в зависимости от условий фактической погоды. Значительно повысилась их межсуточная изменчивость, о чем свидетельствует интервал между средними минимальными и максимальными значениями (табл. 4).
Дымовой аэрозоль не достигает больших высот, он достаточно быстро вымывается из атмосферы дождями, поэтому его действие кратковременно. В период пожаров в дни после выпадения осадков значения АОТ уменьшаются до нормы (рис. 4, а). Концентрация основных газовых компонентов после выпадения осадков уменьшалась от максимальных до средних значений (рис. 4, б). В табл. 5 приведены значения содержания газовых компонентов и АОТ до и после трех случаев выпадения осадков и данные о химическом составе осадков. Наибольшее очищение атмосферы произошло при дожде с максимальным (34,9 мм) для этого периода количеством выпавших осадков. После этого дождя АОТ и содержание озона уменьшились в 5 раз, содержание угарного газа — больше чем в 2 раза. Концентрация ионов в осадках близка к средним значениям, но не к минимальным, как можно было бы ожидать для такого обильного дождя (табл. 5). Значит, загрязнение воздуха было сильным. Судя по данным предыдущих работ о соста-
ве осадков в фракционных пробах [10], первые фракции были очень загрязненными. Но из-за обильного дождя пробы получились сильно разбавленными, поэтому средние для дождя значения концентрации ионов невелики.
При дожде с малым количеством осадков (1,3 мм) в первых порциях дождя, где происходит максимальное вымывание, концентрация ионов значительно выше средних значений. Изменение газовых компонентов также невелико (табл. 5). На следующий день после первого дождя атмосфера довольно чистая, и даже в дожде с таким же небольшим количеством осадков концентрация ионов в 3—5 раз меньше, чем накануне.
Содержание в дождях почти всех ионов в период дымной мглы выше, чем в последующие 4 года (табл. 6). Особенно высокие значения концентрации отмечены для гидрокарбонат-ионов, сульфатов, магния и аммония. Средняя минерализация в июле—сентябре 2002 г. более чем в 2 раза превышает таковую в 2003—2006 гг. Прежде всего это объясняется небольшим количеством дождей в эти 3 месяца 2002 г. — среднее количество осадков за те же месяцы в 2003—2006 гг. почти в 2 раза больше. Исключение составляет хлорид-ион, содержание которого во время дымной мглы даже немного меньше, чем в последующий период. Заметим, что в 2002 г. рН составлял 6,55, в то время как в более чистый период
Таблица 7
Значения коэффициента корреляции в период дымной мглы
Ионный состав осадков Газовые компоненты в атмосфере АОТ Количество осадков, мм
03, ррЬ N0, ррЬ N02, ррЬ СО, ррт С02, ррт СН4, ррт
АОТ 0,178 0,325 0,388 0,455 0,646 0,582 1,000
Количество осадков, мм 0,154 0,196 -0,413 0,214 0,110 -0,015 -0,967 1,000
рН 0,389 -0,442 0,302 -0,126 -0,110 0,208 0,991 -0,444
Н+ -0,350 0,546 -0,327 0,094 0,151 -0,184 -0,984 0,309
НСО3- 0,402 -0,082 0,439 -0,037 0,057 0,315 0,990 -0,418
S042- 0,548 -0,125 0,317 0,053 -0,138 0,209 -0,821 -0,487
С1- 0,335 -0,352 0,472 -0,258 -0,408 -0,047 -0,789 -0,550
N03- 0,521 -0,090 0,489 0,039 -0,081 0,257 -0,208 -0,480
Са2+ 0,465 -0,310 0,462 -0,236 -0,351 0,026 -0,049 -0,516
Mg2+ 0,458 -0,051 0,510 -0,114 -0,092 0,192 0,954 -0,475
0,279 -0,195 0,692 -0,131 -0,237 0,091 0,957 -0,248
к+ 0,468 -0,255 0,747 -0,294 -0,445 -0,026 1,000 -0,372
NH4+ 0,366 0,127 0,245 0,328 0,350 0,547 -0,527 -0,505
Сумма ионов 0,523 -0,167 0,512 -0,081 -0,149 0,233 0,487 -0,569
* См. примечние к табл. 3.
Рис. 4. Изменение средних суточных значений АОТ (а), некоторых газовых компонентов и количество выпавших осадков в миллиметрах (мм) (б) в период дымной мглы 2002 г.
осадки имеют слабокислую реакцию среды (рН 5,13), т.е. в 2003-2006 гг. содержание ионов водорода почти в 30 раз выше. Замечено, что в более чистых осадках кислотность выше, а хлоридов больше. Это можно объяснить тем, что природный аэрозоль имеет слабокислую реакцию среды и определенную концентрацию хлоридов морского происхождения.
В сухие периоды без дождя в воздухе накапливается щелочная пыль, повышается концентрация кальция, магния, гидрокарбонат-ионов, которые нейтрализуют избыточную кислотность. При выпадении осадков эти ионы вымываются в первую очередь.
В условиях сильнозагрязненной атмосферы очищающая роль осадков возрастает, о чем свидетель-
ствуют высокие значения коэффициента корреляции между газовыми компонентами атмосферы и количеством осадков (табл. 7). Становятся значимы (Р=95%) зависимости между средними суточными значениями концентрации отдельных компонентов газового состава, АОТ и химического состава осадков (длина ряда 93). Высокие значения коэффициента корреляции характеризуют общность происхождения всех элементов воздушного бассейна в период дымной мглы.
Выводы. 1. В Метеорологической обсерватории МГУ комплексно измеряют параметры воздушной среды, что включает определение аэрозольной оптической толщины атмосферы, газовых составляющих воздуха и химического состава выпадающих осадков. Результаты комплексных наблюдений за состоянием воздушной среды показали, что параметры загрязнения атмосферы отражают общие закономерности изменения состояния воздушного бассейна Москвы. Так как станция находится в относительно чистом юго-западном районе Москвы, на значительном удалении от крупных промышленных предприятий столицы, данные МО МГУ о качестве воздуха могут служить городским фоном для исследования экологической обстановки в разных районах Москвы.
2. Анализ временных рядов аэрозольной оптической толщины атмосферы (1955—2009) и химического состава осадков (1980—2009) показал наличие
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абакумова Г.М., Горбаренко Е.В. Прозрачность атмосферы в Москве за последние 50 лет и ее изменения на территории России. М.: Изд-во ЛКИ, 2008. 192 с.
2. Абакумова Г.М., Горбаренко Е.В., Незваль Е.И. Ши-ловцева О.А. Влияние дымной мглы на прозрачность атмосферы, солнечную радиацию и естественную освещенность в Москве в 2002 г. // Метеорология и гидрология. 2005. № 4. С. 18-29.
3. Горбаренко Е.В. Аэрозольная мутность атмосферы в Москве в конце ХХ века // Там же. 2003. № 7. C. 13-18.
4. Горбаренко Е.В., Еремина И.Д. Роль осадков в процессе очищения атмосферы от аэрозоля // Оптика атмосферы и океана. 1998. Вып. 11, № 5. С. 15-23.
5. Еланский Н.Ф., Локощенко М.А.,. Беликов И.Б. и др. Изменчивость газовых примесей в приземном слое атмосферы Москвы // Изв. РАН. Сер. Физика атмосферы и океана. 2007. Т. 43, № 2. С. 246-259.
6. Еланский Н.Ф., Локощенко М.А., Сарана Н.Н. и др. О суточном и годовом ходе загрязнения воздуха в Москве // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2006. № 1. С. 29-35.
7. Еремина И.Д. Многолетние наблюдения за химическим составом атмосферных осадков в Москве // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2004. № 2. С. 21-26.
8. Еремина И.Д., Шпигун Л.К., Золотов Ю.А. Проточно-инжекционный анализ. Спектрофотометрическое определение хлорид-ионов в атмосферных осадках // Журн. аналит. химии. 1989. Т. 44, № 3. С. 399-403.
9. Еремина И.Д., Шпигун Л.К., Золотов Ю.А. Проточно-инжекционный анализ. Спектрофотометрическое определение аммония и гидрокарбонатов в атмосферных осадках // Там же 1993. Т. 48, № 11. С. 35-42.
нескольких периодов очищения и загрязнения воздушной среды города. Эти периоды определяются как естественными процессами (вулканические извержения, лесные пожары), так и антропогенными факторами, связанными с изменением промышленной нагрузки в городе.
3. В процессе очищения атмосферы от аэрозолей важная роль принадлежит осадкам. Процесс вымывания аэрозолей определяется совокупностью факторов: количеством, продолжительностью, интенсивностью и характером выпадения осадков. Вымывающее действие дождя в большей степени определяется продолжительностью выпадения осадков.
4. Связь между газовым составом воздуха и химическим составом осадков в городской атмосфере, когда источник загрязнения постоянен (прежде всего автотранспорт), не выявлена. В периоды значительного загрязнения атмосферы (например, во время дымной мглы) роль осадков в очищении атмосферы существенно увеличивается.
Авторы выражают благодарность Р.А. Шуйскому и И.Б. Беликову за обеспечение измерений состава атмосферы автоматизированным комплексом аппаратуры на станции наблюдений географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова и Учреждения академии наук Институт физики атмосферы имени А.М. Обухова.
10. Климат, погода, экология Москвы / Под ред. Ф.Я. Клинова. СПб.: Гидрометеоиздат, 1995. 438 с.
11. Локощенко М.А., Еланский Н.Ф. Динамика загрязнения приземного воздуха при прохождении холодного фронта // Изв. РАН. Сер. Физика атмосферы и океана. 2006. Т. 42, № 2. С. 167-175.
12. Сакерин С.М., Горбаренко Е.В., Кабанов Д.М. Особенности многолетней изменчивости аэрозольной оптической толщины атмосферы и оценки влияния различных факторов // Оптика атмосферы и океана. 2008. Вып. 21, № 7. С. 625-631.
13. Справочник эколого-климатических характеристик Москвы. Т. 2. Прикладные характеристики климата; мониторинг загрязнения атмосферы; опасные явления; ожидаемые тенденции в XXI веке / Под ред. А.А. Исаева. М., 2005. 400 с.
14. Тарасова Т.А., Ярхо Е.В. Определение аэрозольной оптической толщины атмосферы по наземным измерениям интегральной солнечной радиации // Метеорология и гидрология. 1991. № 12. С. 66-71.
15. Улюмджиева Н.Н., Чубарова Н.Е., Смирнов А.Н. Характеристики атмосферного аэрозоля в Москве по данным солнечного фотометра CIMEL // Метеорология и гидрология. 2005. № 1. С. 48-57.
16. Улюмджиева Н.Н., Чубарова Н.Е., Холбен Б. Оптические свойства атмосферного аэрозоля в период лесных пожаров 2002 г. в Московском регионе // Там же. 2005. № 3. С. 45-52.
17. Elansky N.F., Belikov I.B., Berezina E.V. et al. Atmospheric imposition observations over Northern Eurasia using the mobile Laboratory // TROICA Experiment (ISTC, Moscow, 2009).
Поступила в редакцию 14.10.2010
E.V. Gorbarenko, I.D. Eremina
CHANGES OF AEROSOLS AND THE CHEMICAL COMPOSITION OF THE ATMOSPHERE IN MOSCOW DURING THE RECENT 50 YEARS
Pollution and self-purification of the atmosphere was analyzed basing on the complex interpretation of parameters characterizing the gaseous composition of the air, chemical composition of precipitation and the aerosol optical thickness (AOT) of the atmosphere and using the results of observations of the state of urban atmosphere carried out by the MSU Meteorological Observatory. Correlations between the AOT, mean concentrations of precursor gases and the presence of particular ions in precipitation were identified. Changes of AOT and small gaseous components of the atmosphere and precipitation during the 2002 smaze episode as compared with the "clean" period are discussed. The role of precipitation for self-purification of the urban air is evaluated. This is of particular interest if the unfavorable environmental situation in Moscow caused by 2010 forest and peat-bog fires is taken into account.
Key words: urban ecology, chemical composition of precipitation, gaseous composition of the air, aerosol turbidity of the atmosphere, smaze.
