CC BY
48
УДК 51.510 DOI: 10.24411/1816-1863-2019-11011
ВЛИЯНИЕ С. В. Меркулова, к. г. н, доцент
В ПРИЗЕМНОМ
О»
О О
— _ — _ — Мордовского государственного -,
МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ университета им. Н. П. Огарева, ч
УСЛОВИЙ [email protected], Саранск, к
Б. И. Кочуров, д. г. н, профессор, о
q б
НА СОДЕРЖАНИЕ ведущий научный сотрудник
ОКСИДОВ АЗОТА Института географии РАН, з
■п
П. И. Меркулов, к. г. н, профессор с
АТМОСФЕРЕ Мордовского государственного о
университета им. Н. П. Огарева, т
ГОРОДА САРАНСКА [email protected], Саранск с
т
о
В статье изучено влияние метеорологических параметров на изменчивость концентраций окси- § дов азота в приземной атмосфере г. Саранска в холодный и теплый периоды года, их негативное ф влияние на городские экосистемы, здоровье человека, а также отмечено влияние на прочность ь строительных материалов и конструкций. Агрессивное воздействие климатических факторов и в загрязненной атмосферы на долговечность строительных материалов и конструкций способству- Q ет разрушению зданий. Загрязненный воздух, особенно в сочетании с влагой, вызывает преждев- Q ременный износ, коррозию или загрязнение, растрескивание и разрушение строительных конст- о рукций. Степень агрессивности атмосферы во многом зависит от относительной влажности воз- О духа, температуры воздуха, скорости ветра, солнечной радиации. Уровень и интенсивность с загрязнения атмосферы имеют динамику во времени и пространстве и связаны с сезонностью, к близостью расположения крупных городских автомагистралей. В качестве исходных данных для Г проведенного анализа метеорологических показателей на территории г. Саранска использова- ^ лись данные за 2014—2017 гг. Дискретность измерений составляла 20 минут. Установлены се- О зонные отличия корреляционных связей между концентрациями оксидов азота и температурой й воздуха, влажностью и скоростью ветра. ст
в
The article studies the influence of meteorological parameters on the variability of nitrogen oxide con- Q centrations in the surface atmosphere of Saransk in the cold and warm periods of the year, their negative impact on urban ecosystems, human health, as well as the impact on the strength of building materials and structures. Aggressive influence of climatic factors and polluted atmosphere on the durability of building materials and structures contributes to the destruction of buildings. Contaminated air, especially when combined with moisture, causes premature wear, corrosion or contamination, cracking and destruction of building structures. The degree of aggressiveness of the atmosphere depends largely on the relative humidity, air temperature, wind speed, solar radiation. The level and intensity of air pollution have dynamics in time and space and are associated with seasonality, proximity to major urban highways. As input data for the conducted analysis of the meteorological parameters in the city of Saransk, we used data for the years 2014—2017. The discreteness of measurements was 20 minutes. Seasonal differences of correlation connections between nitrogen oxide concentrations and air temperature, humidity and wind speed are established.
Ключевые слова: загрязнение атмосферы, метеорологические параметры, корреляционный анализ, оксид азота, приземная атмосфера.
Key words: atmospheric pollution, meteorological parameters, correlation analysis, nitrogen oxide, surface atmosphere, intensity of atmospheric pollution, relative humidity.
Актуальность темы исследования. Одной из главных проблем современности уже многие годы является проблема загрязнения атмосферы. В результате деятельности человека (роста населения, увеличения автотранспорта, промышленного производства и потребления энергии) в атмосферу попадает большое количество различных вредных веществ.
Пространственная и временная измен -чивость загрязнения воздуха в местах интенсивного антропогенного воздействия подвергается влиянию метеорологических условий региона, источников выбросов, топографических особенностей местности. Главную роль среди этих факторов играют метеорологические условия, обусловливая по современным оценкам более
о
т
I-
и
со О X
О ^
и а
О ^
О
о
и
Ш
IX
О ^
I-
и
и о
X
и о с
о
со ф
Ю ч;
О ^
и Ф т
О
70 % изменчивости примесей, находящихся в воздухе промышленных мегаполисов.
Ряд загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу с антропогенными выбросами оксиды азота, относятся к наиболее важным [1, 2]. Монооксид азота (N0) и диоксид азота (N02), являясь главными составляющими кислотных осадков и фотохимического смога, негативно воздействуют не только на экологические системы, здоровье человека, но и на прочность строительных материалов и конструкций.
Агрессивное воздействие климатических факторов и загрязненной атмосферы на долговечность строительных материалов и конструкций способствует разрушению зданий. Загрязненный воздух, особенно в сочетании с влагой, вызывает преждевременный износ, коррозию или загрязнение, растрескивание и разрушение строительной конструкций. Степень агрессивности атмосферы во многом зависит от относительной влажности воздуха, температуры воздуха, скорости ветра, солнечной радиации [3].
Интенсивность разрушения материалов в свою очередь зависит: от их пористости, так как чем выше удельная поверхность, тем больше ее сорбционная способность; от конструкционных особенностей, так как при наличии различных выемок они являются коллекторами кислотных осадков; от условий эксплуатации: скорости ветра, температуры, влажности воздуха и т. п.
На практике наибольшее внимание уделяют строительным материалам для наружных конструкций зданий и защитным материалам (краскам, лакам и полимерам) для поверхностных покрытий. При воздействии кислых осадков и газов их повреждающее действие обусловлено интенсивностью каталитических реакций с участием металлов, а также синергизмом [4].
Уровень и интенсивность загрязнения атмосферы имеют динамику во времени и пространстве и связаны с сезонностью, близостью расположения крупных городских автомагистралей.
Материал и методы исследования. В процессе работы использовались литературные источники, фондовые материа-
лы Мордовского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды — филиала ФГБУ «Верхне-Волжское Управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды»; данные наблюдений автоматической станции контроля загрязнения атмосферного воздуха (АСК) при МГУ им. Н. П. Огарева. АСК загрязнения воздуха находится вблизи автомагистрали.
Массив используемых наблюдений содержал концентрации оксида (N0) и диоксида азота (N02), а также метеорологические параметры — температуру и относительную влажность атмосферного воздуха, скорость ветра. В качестве исходных д анных для проведенного анализа метеорологических показателей на территории г. Саранска использовались данные за 2014—2017 гг. Дискретность измерений составляла 20 минут.
Полученные результаты и обсуждение. Для исследования влияния метеорологических параметров на загрязнение воздуха в г. Саранске были использованы показатели по температурному и ветровому режиму за теплый и холодный периоды 2014—2017 гг. [5—9]. Среднемесячные показатели температуры воздуха за холодный период колебались от —0,2 °С в марте до —9,5 °С в январе. При этом среднемесячные температуры были выше средне -многолетней нормы. Максимальная разница наблюдается в марте месяце и составляет 4,6 °С (рис. 1).
В теплый период разница между среднемесячными температурами гораздо зна-
о 0
о
1 -2
о -А
п
Й -6
& в -8
я
Й- -10
сЛ м И" -12
я
й- -14
и И
1
и'
-1,5 '-0,2
-2,7' —4,3
-5, '-4,8
-8
11,6 -10,6
Ноябрь Декабрь Январь Февраль Март
- Среднемесячная температура воздуха, °С
- Среднемноголетняя норма среднемесячной температуры, °С
Рис. 1. Среднемесячная температура воздуха холодного периода в г. Саранске (2014—2017 гг.)
25 20 15 10 5 0
18,8 20,5 20,1
15,9. 17 18,9 17,1
13,5 из,4
7, 11,4 4,3
5,5 3,9
5*
апрель май июнь июль август сентябрь октябрь
■•— Среднемесячная температура воздуха, °С
Среднемноголетняя норма среднемесячной температуры, °С
Рис. 2. Среднемесячная температура воздуха теплого периода в г. Саранске (2014—2017 гг.)
Годовой ход средней температуры воздуха
/ / ' * ' ^ ' * / * ^ /
О) *
О
о -1 X х
СО
Г) *
о й
б
со
ы
о ^
0
Г)
1
о
Г)
Г) -I
тз
о
-I
со
О-
г>
-I
оз О
о тз о
Ш
Г) *
о
X
о
ы
Г) -I 03
о
N0
■N0,
• Средняя Т °С воздуха
Рис. 3. Годовой ход средней температуры, концентрации оксида и диоксида азота в воздухе
г. Саранска (2014—2017 гг.)
чительнее и составляет 16,2 °С (июль — октябрь). Также наблюдается превышение среднемноголетней нормы во все месяцы теплого периода (рис. 2). Однако эта разница ниже, чем в холодный период, что свидетельствует о большем вкладе зимних месяцев в глобальное потепление климата.
Были проанализированы средние значения концентраций оксидов азота в разных диапазонах температур атмосферного воздуха, относительной влажности и скорости ветра. Выявление взаимосвязей между исследуемыми переменными выполнено путем корреляционного анализа.
Влияние температуры воздуха на уровень загрязнения представлено на рисунке 3.
Анализ графика показывает, что уровень загрязнения оксидами азота в холод-
ный период в основном превышает таковой в теплый. Причем диоксид азота при температуре ниже —5 °С стабильно превышает среднесуточные предельно допустимые концентрации (ПДКсс). Значение коэффициента корреляции для N02 в —0,59 говорит о существовании тесной обратной связи между температурой и концентрациями диоксида азота.
Среднегодовая относительная влажность воздуха в г. Саранске за период 2014—2017 гг. находилась в пределах 75— 76 %. Максимальных значений (83—85 %) она достигала в холодный период года, минимальных (61—63 %) — в теплый период.
В годовом ходе относительной влажности в сопоставлении с концентрациями оксидов азота в атмосфере г. Саранска наблюдалась близкая к линейной зависимость диоксида азота от относительной
о
т
I-
и
со О X
О ^
и а О СР
О
а
т
I-
и ^
Ш
IX
о
СР
I-
и
и о
X
и о с
о
со ф
Ю ч;
О ^
и ш
т
о
Таблица
Корреляционная матрица за холодный и теплый периоды года
Метеопараметры Холодный период Теплый период
N0 N02 N0 N02
Температура -0,31 -0,55 0,35 -0,59
Влажность 0,21 0,36 0,18 0,27
Скорость ветра -0,36 -0,42 0,54 -0,47
влажности воздуха, что отражают значимые коэффициент корреляции в течение всего года (табл.).
На территории г. Саранска преобладающим направлением ветров в холодный период года является юго-западные, а в теплый период — северо-западные. Среднегодовая скорость ветра составляет от 3,3 до 4,8 м/с. Наибольшая средняя месячная скорость ветра наблюдается зимой и колеблется в пределах от 3,7 до 5,7 м/с, наименьшая (2,2—3,6 м/с) отмечена в июле.
В результате исследования влияния параметров ветра на уровень загрязнения приземной атмосферы установлено, что наблюдается значимое влияние скорости ветра на концентрацию оксидов азота как в холодный, так и в теплый периоды года. Это объясняется тем, что ветер усиливает турбулентный обмен в приземном слое атмосферы, что способствует перемешиванию примесей с окружающим воздухом и тем самым приводит к уменьшению их приземных концентраций. При этом коэффициенты корреляции для оксидов азота в паре со скоростью ветра меня-
лись для N02 от —0,47 для теплого периода до —0,42 для холодного периода года. Для N0 соответственно они варьировали от —0,54 для теплого периода д о —0,36 для холодного периода года. Это говорит о наличии тесной обратной связи между скоростью ветра и концентрациями оксидов азота как в холодный, так и в теплый периоды года.
Заключение. Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:
• концентрация оксидов азота в атмосфере г. Саранск зависит от сезона года. В холодный период концентрация N0 и N02 в целом выше;
• в течение всего года наблюдается тесная обратная взаимосвязь между температурой воздуха и концентрациями оксидов азота в атмосфере;
• с ростом относительной влажности воздуха в холодный период наблюдалось увеличение концентрации оксидов азота в приземной атмосфере г. Саранск;
• установлено значимое влияние скоро -сти ветра на концентрацию оксидов азота как в холодный, так и в теплый периоды года.
Таким образом, рассмотренные метеорологические параметры в разной степени поддерживают высокий уровень загрязнения оксидами азота в воздушном бассейне г. Саранска. Учет метеорологической обусловленности колебаний уровня примесей позволяет объяснить и предсказать появление экстремально высоких загрязнений.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 18-08-01050.
Библиографический список
1. Безуглая Э. Ю., Смирнова И. В. Воздух городов и его изменения. СПб.: Астерион, 2008. — 254 с.
2. Эколого-географические последствия глобального потепления климата XXI века на ВосточноЕвропейской равнине и в Западной Сибири: монография / Под ред. Н. С. Касимова и А. В. Кис-лова. М.: МАКС Пресс, 2011. — 496 с.
3. РВСН 20-01—2006 Санкт-Петербург (ТСН 20-303—2006 Санкт-Петербург). Защита строительных конструкций, зданий и сооружений от агрессивных химических и биологических воздействий окружающей среды, 2006. — С. 56.
4. ГОСТ Р 56257—2014 Характеристика факторов внешнего природного воздействия.
5. Меркулова С. В., Меркулов П. И., Сергейчева С. В. Динамика климатического режима и его региональные аспекты (на примере Республики Мордовия) // Региональные эффекты глобальных изменений климата (причины, последствия, прогнозы). Воронеж: Научная книга, 2012. — С. 153—155.
6. Меркулов П. И., Меркулова С. В., Хлевина С. Е. Эколого-метеорологические аспекты изменения качества атмосферного воздуха г. Саранска за 2000—2010 гг. // Вестник Мордов. ун-та, 2015. — К Т. 25. — № 2. — С. 79—86. О
7. Меркулов П. И., Меркулова С. В. Геоэкологический анализ этносоциоприродных процессов на о территории этногенеза мордовского народа: монография. — Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 5 2015. — 184 с. е
8. Меркулов П. И., Меркулова С. В. Сезонные колебания температуры воздуха в городе Саранске Я за период 2014—2017 гг. // Новое слово в науке: стратегии развития. — Чебоксары: ЦНС «Ин- § терактив плюс», 2018. — С. 15—19. б
9. Ивашкина И. В., Кочуров Б. И. Урбоэкодиагностика и сбалансированное развитие. — М.: 3
ИНФРА, 2018. — 202 с. §
Q п л
- О
THE INFLUENCE OF METEOROLOGICAL CONDITIONS ON THE CONTENT £
OF NITROGEN OXIDES IN THE GROUND ATMOSPHERE THE CITY OF SARANSK T
тз о
S. V. Merkulova, Ph. D. (Geogr. Sc.), Associate Professor at the N. P. Ogarev's Mordovian е
State University, [email protected], ь
jskoj ravnine i v Zapadnoj Sibiri: monografiya [Ecological and geographical consequences of global warm-
B. I. Kochurov, Dr. of Sc. (Geography), Professor, Leading Researcher at the Institute Q
of Geography RAS, [email protected], Q
P. I. Merkulov, Ph. D. (Geogr. Sc.), Professor at the N. P. Ogarev's Mordovian State Q
University, [email protected] o
~o
о m
n
О
References
1. Bezuglaya E. Yu., Smirnova I. V. Vozdukh gorodov i ego izmeneniya [The Air of cities and its changes. SPb.: Asterion], 2008. — 254 p. [in Russian].
2. Ehkologo-geograficheskie posledstviya global'nogo potepleniya klimata XXI veka na Vostochno-Evrope- S
n
ing of the XXI century on the East European plain and in Western Siberia: monograph] / ed. S. Kasimova q and A. V. Kislova. — M.: MAX Press, 2011. — 496 p. [in Russian]. Q
3. SRF 20-01—2006 Saint Petersburg (TSN 20-303—2006 Saint Petersburg). Zashchita stroitel'nyh kon-strukcij, zdanij i sooruzhenij ot agressivnyh khimicheskih i biologicheskih vozdejstvij okruzhayushchej sredy, [Protection of building structures, buildings and structures from aggressive chemical and biological effects of the environment], 2006. — P. 56 [in Russian].
4. GOST R 56257—2014 Harakteristika faktorov vneshnego prirodnogo vozdejstviya GOST R 56257—2014 [Characteristics of factors of external natural impact] [in Russian].
5. Merkulova S. V., Merkulov P. I., Sergeicheva S. V. Dinamika klimaticheskogo rezhima i ego regional'nye aspekty (na primere Respubliki Mordoviya) [Dynamics of the climate regime and its regional aspects (on the example of the Republic of Mordovia)] // Regional effects of global climate change (causes, consequences, forecasts). Voronezh: Scientific book, 2012. — P. 153—155 [in Russian].
6. Merkulov P. I., Merkulova S. V., Khlevina S. E. Ehkologo-meteorologicheskie aspekty izmeneniya kachestva atmosfernogo vozduha g. Saranska za 2000—2010 gg. [Ecological and meteorological aspects of change of quality of atmospheric air in the city of Saransk for 2000—2010] // Vestnik Mordovskogo universiteta [Herald of Mord. un-t]. — 2015. — Vol. 25. — № 2. — P. 79—86 [in Russian].
7. Merkulov P. I., Merkulova S. V. Geoehkologicheskij analiz ehtnosocioprirodnyh processov na territorii ehtnogeneza mordovskogo naroda: monografiya [Geoecological analysis of ethno-social processes in the territory of ethnogenesis of the Mordovian people: monograph]. — Saransk: Publishing house of Muzzles. un-ta, 2015. — 184 p. [in Russian].
8. Merkulov P. I., Merkulova S. V. Sezonnye kolebaniya temperatury vozduha v gorode Saranske za period 2014—2017 gg. [Seasonal fluctuations of air temperature in the city of Saransk for the period 2014—2017] // Novoe slovo v nauke: strategiya razvitiya [New word in science: development strategies]. — Cheboksary: CNS Interactive plus, 2018. — P. 15—19 [in Russian].
9. Ivashkina I. V., Kochurov V. I. Urboehkodiagnostika i sbalansirovannoe razvitie [Urbodiagnostics and balanced development]. — M.: INFRA, 2018. — 202 p. [in Russian].
15
№1, 2019
