CC BY
14
УДК 504.3.054:620.2+054:403.8
НАНОЧАСТИЦЫ, ДЕТЕКТИРУЕМЫЕ В ТАЛОЙ ВОДЕ СНЕЖНОГО ПОКРОВА Г. НОВОСИБИРСКА И ПРИЛЕГАЮЩЕЙ ТЕРРИТОРИИ
Светлана Юрьевна Артамонова
Институт геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)333-27-92, e-mail: [email protected]
Сергей Николаевич Дубцов
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)333-15-19, e-mail: [email protected]
Галина Григорьевна Дульцева
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)333-15-19, e-mail: [email protected]
Рассматривается связь между концентрацией наночастиц, летектируемых при распылении талого снега, и загрязнением воздуха. С помощью диффузионного спектрометра аэрозолей (ДСА) изучены наночастицы размером от 3 до 200 нм, детектируемые при распылении образцов талого снега, отобранных в г. Новосибирске и на прилегающей территории на удалении от 6 до 110 км. Выявлено закономерное распределение наночастиц: в пределах основного шлейфа техногенных выбросов их концентрация составляет 0.87 мг/л и снижается по мере удаления от города до 0.15 мг/л.
Работа проведена при поддержке гранта РФФИ № 14-05-00289.
Ключевые слова: техногенное аэрозольное загрязнение, наночастицы, урбанизированные территории, Новосибирск, снежный покров, диффузионный спектрометр аэрозолей.
NANOPARTICLES DETECTED IN MELTED SNOW SAMPLED IN NOVOSIBIRSK CITY AND ADJACENT TERRITORIES
Svetlana Yu. Artamonova
V. S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, Ph. D. (biology), Senior researcher, tel. (383)333-27-92, e-mail: [email protected]
Sergey N. Dubtsov
Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Str. Institutskaya, Ph. D. (chemistry), Senior researcher, tel. (383)333-15-19, e-mail: [email protected]
Galina G. Dultseva
Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Str. Institutskaya, Ph. D. (chemistry), Senior researcher, tel. (383)333-15-19, e-mail: [email protected]
Nanoparticles generated during nebulization of the samples of melted snow collected from different sites of the snow blanket of Novosibirsk and adjacent territories at a distance of 6 - 110 km
were studied by means of the diffusion aerosol spectrometer (DSA) within the size range 3-200 nm. The spatial distribution of nanoparticle concentration was shown to depend on the density of technogenic pollution. Within the main emission plume of Novosibirsk, nanoparticle concentration is 0.87 mg/l, while in remote sites (at a distance of 110 km) is decreases to 0.15 mg/l.
Key words: technogenic aerosol pollution, nanoparticles, urban territory, Novosibirsk, snow blanket, diffusion spectrometer of aerosol.
Загрязнение воздуха городов является одной из актуальных экологических проблем. Основными источниками загрязнения воздуха являются выхлопные газы транспорта, выбросы ТЭЦ и промышленных предприятий [Артамонова и др., 2007, 2011, Белан и др., 2007, Baklanov et. al., 2007]. Поиск и установление (гео-, био-)химических индикаторов, адекватно отражающих качество воздуха, продолжает оставаться одной из актуальных научных задач. Используя эти индикаторы, можно не только проводить оценку существующего экологического состояния городской среды, но и прогнозировать его изменения.
Известно, что кристаллы снега (зимой) и капли дождя (летом), проходя через толщу воздуха, захватывают твёрдые аэрозольные частицы и газообразные соединения [Иванов и др., 2006, Смоляков и др., 2007]. Таким образом, атмосферные осадки выполняют функцию очищения воздуха, и при этом несут информацию о присутствовавших в воздухе компонентах. В условиях Сибири устойчивый снежный покров, формирующийся с начала ноября до конца марта, является депонентом газового и аэрозольного загрязнения воздуха за зимний период и выбран нами как подходящий объект для изучения интегрального загрязнения урбанизированных территорий на примере г. Новосибирска и прилегающей территории.
Основной целью работы было выяснить связь между характеристиками наночастиц, детектируемых при распылении проб талого снега, и степенью за-грязненггия воздуха в местах отборп проб снега.
В районе г. Новосибирска в зимнее время в приземном слое атмосферы преобладают ветры южного и юго-западного направлений, а летом роза ветров становится более изометричной [Климат Новосибирска, 1979]. На высоте 0.5 км в пограничном слое атмосферы доминируют ветры юго-западного и западного направлений. Поэтому в зимнее время шлейфы техногенных выбросов г. Новосибирска протягиваются в северо-восточном и восточном направлении. Это обстоятельство в 2014-2015 гг. предопределило основные направления пробоотбора снежного покрова к северо-востоку от г. Новосибирск на удалении в 110, 69.3, 48.9, 43.9, 18.6 и 6 км (рис. 1). Для исключения влияния автодорог точки пробоот-бора располагались на расстоянии не менее 200 м. Для получения навески аэрозольных частиц, достаточной для изучения комплексом разных методов, применялся отбор крупнообъемных проб - от 80 до 200 л снега путем проходки шурфов размером до 40 Х 40 см на всю глубину снежного покрова до поверхности земли.
После оттаивания талому снегу давали отстояться, затем верхний слой декантировали, нижнюю часть фильтровали через бумажный фильтр «синяя лен-
та». Пыльность (содержание взвеси, мг/л) определялась отношением массы взвесей к объему талого снега, среднесуточная техногенная аэрозольная нагрузка (мг/м *сут) определялась отношением массы взвесей к площади отбора и периоду формирования устойчивого снежного покрова до даты отбора.
20 км
р.Обь
Ояш#/' /
/ о5
Болотное
7.Х.О 1 :0 .л о
У
I .
Мошково.' 4 °
О
3
'о 2
г. Н(^^сибирскО|0 рг^
ч12
фон О
о11
шоссе (в г. Томск) городская территория
1с Бердск (р11 | точка пробоотбора ] водохранилище
Рис. 1. Схема отбора проб снега в г. Новосибирске и на прилегающей территории
Для исследования генерации наночастиц брали декантат талого снега. Общая концентрация наночастиц, генерируемых при распылении образцов талого снега, измерялась с помощью диффузионного спектрометра аэрозолей (ДСА), разработанного в ИХКиГ СО РАН. ДСА позволяет определять счетную концентрацию аэрозольных частиц крупнее 3 нм и восстанавливать распределение частиц по размерам в диапазоне 3 - 200 нм. Конструкция, технические характеристики и принцип работы ДСА подробно описаны в [Лп^^ et.al., 2002, Dubtsov et. 81., 2006]. Для распыления образцов талой воды использовалась пневматическая форсунка, расход воздуха через форсунку составлял 10 ± 0.5 л/мин. Время распыления варьировали от 40 до 50 минут. Через 15 минут после начала распыления воды (время установления стационарного режима работы форсунки) производили измерения распределения генерируемых частиц по размерам. После окончания измерений определялся объем распыленной воды. Массовая концентрация наночастиц (Ма), образовавшихся при распылении воды, определялась следующим образом:
о
Ма = ^оу Х Мю/ /6 Х Кг >^КсЛет ХР^ (1)
где - средний объемный диаметр наночастиц, рассчитываемый из распределения частиц по размерам, Уа!Г - объем воздуха, прошедшего через форсунку за время распыления, АУМ!а1ег - объем распыленной воды.
Выявлено, что отстаивание, декантирование талого снега обеспечивает эффективное отделение частиц микронных размеров. Об этом свидетельствует низкая доля крупных частиц (0.2-1 мкм) - всего в среднем 0.8 %, максимально 2.9 % от общего числа частиц в декантате.
Выявлено, что средний геометрический диаметр детектируемых наноча-стиц варьирует в зависимости от степени техногенной нагрузки, характеризующей место пробоотбора. Наиболее крупный среднегеометрический диаметр наночастиц выявлен в пробе т.1 - в 6 км по направлению основного шлейфа городских выбросов - 38 нм. На расстоянии 110 км от г. Новосибирска в т.6 среднегеометрический диаметр детектируемых наночастиц составляет всего 19 нм. Распределение в этих пробах наночастиц в диапазоне от 3 до 200 нм приведен на рис. 2.
Рис. 2. Распределение наночастиц по размерам в диапазоне 3-200 нм
-5
в пробах талого снега т.1 и т.6 (число наночастиц/см воздуха в форсунке)
С помощью расчетов по формуле (1) при р - плотности наночастицы, условно принятой 3 г/см (как у почвенного аэрозоля по СаС03) определялась общая концентрация наночастиц. Полученные данные показали, что между количеством наночастиц в пробе и экологической обстановкой в месте пробоот-бора существует закономерная связь: их больше всего в пробе т.1 основного шлейфа городских выбросов - 0.87 мг/л талого снега. По мере удаления от го-
рода содержание детектируемых наночастиц снижается, и в пробе т. 6 в 110 км от города составляет всего 0.15 мг/л (рис. 3).
Рис. 3. Концентрация наночастиц (3-200 нм), детектируемых при распылении проб талого снега (мг/л) в 2014 г. и 2015 г.
На фоновом участке т.12, выбранном по результатам геохимического изучения пылеаэрозолей (размера 0.5-150 мкм), среднегеометрический диаметр наночастиц составлял 27 нм, при этом количество наночастиц оценивался в 0.33 мг/л. Следует иметь в виду, что в формировании наночастиц, детектируемых при распылении талого снега, принимают участие не только солевые компоненты, но и захваченные из атмосферы органические вещества. Механизмы аккумулирования таких загрязнений в снежном покрове требуют дальнейшего исследования.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 14-05-00289.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Артамонова С.Ю. Артамонова С.Ю., Лапухов А.С, Мирошниченко Л.В., Разворот-нева Л.И. Минерально-геохимические индикаторы техногенных источников аэрозольного загрязнения // Химия в интересах устойчивого развития. - 2007. - Т. 15. - С. 643-652.
2. Артамонова С.Ю. Экология городов: анализ и оценка с помощью РФА-СИ на примере Новосибирска // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2011. - № 11. - С. 66-71.
3. Белан Б.Д., Ивлев Г.А., Козлов А.С., Маринайте И.И., Пененко В.В., Покровский Е.В., Симоненков Д.В., Фофонов А.В., Ходжер Т.В. Сравнительная оценка состава воздуха промышленных городов Сибири. // Оптика атмосферы и океана. - 2007. - Т. 20. - № 5. -С. 428-437.
4. Иванов В.П., Трухан С.Н., Кочубей Д.И., Куценогий К.П., Макаров В.И. Анализ природы адсорбированных слоев атмосферных аэрозолей // Химия в интересах устойчивого развития . - 2006. - Т.14. - № 6. - С.449-452.
5. Климат Новосибирска. - Л.: Гидрометеоиздат, 1979. - 221 с.
6. Смоляков Б.С., Павлюк Л.А., Куценогий К.П., Куценогий П.К., Макаров В.И., Кон-ченко И.Ю. Особенности формирования ионного состава атмосферных аэрозолей и осадков
на юге Западной Сибири // Химия в интересах устойчивого развития . - 1997. - Т.5. - №2. -С. 193-200.
7. Ankilov, A., Baklanov, A., Colhoun, M. et.al. Intercomparison of number concentration measurements by various aerosol particle counters // Atmospheric Research. - 2002. - No. 62. -P.177-207.
8. Baklanov A., Hanninen O., Slordal L.H. et.al. Integrated systems for forecasting urban meteorology, air pollution and population exposure // Atmospheric Chemistry and Physics. - 2007. -V. 7. - P. 855-874.
9. Dubtsov S.N., Dultseva G.G., Dultsev E.N. et.al. // Journal Physical Chemistry. B. -2006. - V. 110. - P. 645-649.
© C. Ю. Артамонова, С. Н. Дубцов, Г. Г. Дульцева, 2016
