CC BY
16
УДК 551.506+551.510.41+551.510.42
ОЦЕНКА ИСТОЧНИКОВ ПОСТУПЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО И ЭЛЕМЕНТНОГО УГЛЕРОДА В СОСТАВЕ АЭРОЗОЛЕЙ В ЦЕНТРАЛЬНУЮ ЧАСТЬ Г. НОВОСИБИРСКА В ЗИМНИЙ И ВЕСЕННИЙ ПЕРИОДЫ
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: [email protected]
Владимир Федотович Рапута
Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, тел. (383)330-61-51, e-mail: [email protected]
Татьяна Владимировна Ярославцева
Новосибирский НИИ гигиены Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Пархоменко, 7, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, тел. (383)330-61-51, e-mail: [email protected]
Валерий Иванович Макаров
Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, кандидат химических наук, зав. лабораторией, тел. (383)333-07-87, e-mail: [email protected]
Обсуждаются результаты посуточных измерений органического и элементного углерода для зимнего и весеннего периодов времени 2015 г. в городе Новосибирске. В рамках линейного корреляционного анализа исследованы закономерности выноса углеродсодержащих примесей в пункт наблюдения из различных секторов города.
Ключевые слова: атмосферный аэрозоль, органический и элементный углерод, линейная корреляция, сектор выноса.
ESTIMATION OF THE AEROSOL SOURCES OF ORGANIC AND ELEMENTAL CARBON TO THE NOVOSIBIRSK DOWNTOWN FOR WINTER AND SPRING
Svetlana A. Popova
Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Institutskaya St., junior researcher, tel. (383)333-07-87, e-mail: [email protected]
Vladimir F. Raputa
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 Аkademik Lavrentiev Prospect, D. Sc., chief researcher, tel. (383)330-61-51, e-mail: [email protected]
Tatyana V. Yaroslavtseva
Novosibirsk scientific research institute of hygiene of Rospotrebnadzor, 630108, Russia, Novosibirsk, 7 Parkhomenko St., Ph. D., senior researcher, tel. (383)330-61-51, e-mail: [email protected]
Valerii I. Makarov
Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Institutskaya St., Ph. D., head of the laboratory, tel. (383)333-07-87, e-mail: [email protected]
The results of the daily measurements of the organic and elemental carbon for the winter and spring periods in 2015 in the city of Novosibirsk are discussed. Within the framework of the linear correlation analysis patterns removal of carbonaceous impurities in the observation point from the different sectors of the city are investigated.
Key words: particulate matter, organic carbon, elemental carbon, linear correlation, removal segment.
Для оценки уровня загрязнения атмосферы городов создаются сети стационарных пунктов отбора проб примесей, которые позволяют проводить непрерывный контроль их поступления с городских территорий [1, 2]. Для оценки уровня загрязнения атмосферы города Новосибирска создана сеть стационарных постов наблюдений. В настоящее время функционирует 10 постов, исходя из расчета один пост на один район города. К основным загрязняющим примесям следует отнести пыль, сажу, тяжелые металлы, окислы углерода, серы, азота, формальдегид, полиароматические углеводороды. Учитывая довольно сложную структуру размещения источников на территории города, этого количества постов явно недостаточно для оценки текущих и длительных полей загрязнения. В этой связи целесообразно использовать в качестве дополнительного источника информации природные планшеты: снеговой, растительный и почвенный покровы [3].
В городской атмосфере важными компонентами атмосферного аэрозоля (АА) являются углеродсодержащие частицы [4-6]. Основными источниками поступления частиц элементного (ЕС) и органического углерода (ОС) являются автотранспорт, котельные, ТЭЦ, промышленные предприятия. Дополнительным источником ОС может быть фотохимическое окисление газообразных углеводородов [7-9].
В Новосибирске регулярный посуточный отбор проб АА проводится на посту № 26 Росгидромета с 2007 года (ул. Линейная, 33). Пост находится практически в центральной части города, что позволяет фиксировать поступление ЕС и ОС со всех направлений.
Положение стационарного пункта отбора АА и характерных источников г. Новосибирска представлено на рис. 1. Высокая повторяемость ветров юго-западного сектора создает возможности проведения более детального анализа изменения состава углеродсодержащих примесей, режимов функционирования источников, находящихся в этом секторе, включая автомагистраль Красного проспекта, вокзальную автомагистраль, ТЭЦ-2, ТЭЦ-3.
Отбор посуточных образцов АА производился на стекловолокнистые фильтры (Whatman), с последующим определением концентрации ОС и ЕС методом реакционной газовой хроматографии [10].
Рис. 1. Схема расположения источников АА(^):
1 - ТЭЦ-2; 2 - ТЭЦ-3; 3 - ТЭЦ-5; основных автомагистралей. ▲ - пункт отбора
проб АА (ул. Линейная, 33), ■ - метеостанция (п. Огурцово)
Данные о направлениях и скоростях ветра были взяты с сайта метеорологической станции, расположенной на юго-западной окраине Новосибирска в п. Огурцово (54°90^, 82°95'Е) (http://www.pogodaiklimat.ru/weather.php?id=29638) [11]. Измерения характеристик скорости ветра на ней проводится 8 раз в сутки с трехчасовым интервалом.
На рис. 2 представлены графики линейной корреляционной связи между ОС и ЕС в зимний и весенний периоды 2015 г. по всей совокупности наблюдений на посту № 26 в г. Новосибирске.
Рис. 2. Линейно-корреляционные связи между посуточными концентрациями
ОС и ЕС (мкг/м3) в Новосибирске: с 20.01 по 25.02 2015 г. (а), с 20.04 по 30.05 2015 г. (б)
Из анализа рис. 2 вытекает, что содержание органического углерода, в целом, несколько преобладает над содержанием элементного углерода в атмосфере. Уровень соответствия между рассматриваемыми компонентами довольно значительный. Наблюдается также определенная близость соответствующих коэффициентов линейных регрессий для зимнего и весеннего сезонов. Следует также отметить, что в зимнем периоде наблюдений для ряда суток были зафиксированы аномально высокие концентрации ОС и ЕС, которые на рис. 2, а расположены изолированно от основной массы наблюдений. Для выяснения природы этих концентраций необходимо привлечение дополнительной информации, включающей сведения о направлении и скорости ветра, состоянии устойчивости приземного и пограничного слоя атмосферы, расположении и режимах функционирования источников ОС и ЕС.
Использование информации о посуточных направлениях ветра в рассматриваемых периодах времени позволило провести анализ связей между компонентами по секторам выноса. На рис. 3 представлены некоторые из этих связей. Высокий коэффициент их детерминации указывает на возможность эффективного изучения по секторам выноса деятельности определенных точечных, линейных и площадных источников ОС и ЕС города Новосибирска.
а б в
Рис. 3. Линейно-корреляционные связи между концентрациями ОС и ЕС
(мкг/м3) в Новосибирске зимой 2015 г. по направлениям выноса:
174-177° (а), 180-188° (б), 191-205° (в) и весной 2015 г.: 58-124° (г), 174-200° (д), 244-287° (е)
Анализ рис. 3, а-в, д показывает высокий уровень согласия между компонентами углерода для выносов примеси южной направленности, которые могут быть привязаны к центральной части города и находящимся там автомагистралям. Рис. 3, г, е характеризуют выносы из восточного и западного секторов города. Следует отметить на рис. 3, а, д наличие значительной фоновой составляющей органического углерода. В то время как на рис. 3, б, в она практически отсутствует, а соотношение ОС к ЕС одинаково.
Особый интерес для анализа источников представляют случаи акцентированного выноса в пункт наблюдения углеродных компонентов от крупных ТЭЦ и автомагистралей города.
Для зимнего и весеннего периодов времени 2015 г. проведен анализ данных посуточных измерений элементного и органического углерода в г. Новосибирске. Для определенных секторов выноса этих компонентов с территорий города в пункт наблюдения установлены достаточно тесные линейные корреляционные связи. Полученные зависимости могут быть обусловлены однородными по составу источниками углеродсодержащих примесей, находящимися в выделенных секторах города. В значительной мере это относится к автомобильному транспорту.
Выявление фоновой составляющей для ряда секторов выноса с территории города указывает на необходимость проведения дополнительных исследований, связанных с более детальным учетом действия отдаленных источников. Весьма значимой в совместном анализе данных наблюдений является проблема использования текущей метеорологической информации. В дальнейшей перспективе весьма актуальной является постановка обратных задач для оценки характеристик источников на территории г. Новосибирска, газового и аэрозольного состава примесей.
Работа выполнена при поддержке Программы РАН № 18.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Безуглая Э. Ю. Мониторинг состояния загрязнения атмосферы в городах. - Л. : Гид-рометеоиздат, 1986. - 199 с.
2. Безуглая Э. Ю., Чичерин С. С., Шарикова О. П. Состояние и перспективы сети мониторинга атмосферы в городах // Труды ГГО. - Л. : Гидрометеоиздат, 1998. - Вып. 549. - С. 3-10.
3. Василенко В. Н., Назаров И. М., Фридман Ш. Д. Мониторинг загрязнения снежного покрова. - Л. : Гидрометеоиздат, 1985. - 182 с.
4. Коричневый и черный углерод в смогах мегаполисов / Г. И. Горчаков, А. В. Карпов, А. В. Васильев, И. А. Горчакова // Оптика атмосферы и океана. - 2017. - Т. 30, № 1. - С. 5-11.
5. Виноградова А. А. Эмиссии антропогенного черного углерода в атмосферу: распределение по территории России // Оптика атмосферы и океана. - 2014. - Т. 27, № 12. -С.1059-1065.
6. Particulate Carbon: Atmospheric Lifecycle / S. G. Chang, R. Brodzinsky, L. A. Gundel, T. Novakov, G. T. Wolff, R. L. Klimisch (Ed.). - New York ; London : Plenum Press, 1982. - P. 159.
7. Dlugi R., Gusfen H. The catalytic and photocatalytic activity of coal fly ashes // Atmos. Environ., 1983. - Vol. 17. - No. 9. - P. 1765-1771.
8. Исидоров В. А. Органическая химия атмосферы. - Л. : Химия, 1985. - 265 с.
9. Seinfeld J. H., Pandis S. N. Atmospheric chemistry and physics. - John Wiley & Sons, Inc,
1998. - 1326 р.
10. 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. - Vol. 30. - P. 659-660.
11. Климат Новосибирска и его изменения / И. О. Лучицкая, Н. И. Белая, С. А. Арбузов. - Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2014. - 224 с.
© С. А. Попова, В. Ф. Рапута, Т. В. Ярославцева, В. И. Макаров, 2017
