Оценка влияния региональных источников на содержание органического и элементного углерода в атмосферном воздухе П. Ключи Новосибирской области

Ярославцева Татьяна Владимировна; Попова Светлана Анатольевна; Рапута Владимир Федотович; Макаров Валерий Иванович

УДК 551.506+551.510.41+551.510.42

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ РЕГИОНАЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ НА СОДЕРЖАНИЕ ОРГАНИЧЕСКОГО И ЭЛЕМЕНТНОГО УГЛЕРОДА В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ П. КЛЮЧИ НОВОСИБИРСКОЙ ОБЛАСТИ

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]

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, 630 090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, доктор физико-математических наук, главный 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, старший научный сотрудник, тел. (383)333-07-87, e-mail: [email protected]

Проведен совместный анализ данных посуточных измерений направлений ветра и органического и неорганического углерода в п. Ключи Новосибирской области. Для секторов выноса углеродсодержащих примесей от значимых техногенных источников установлены тесные линейные корреляционные связи между компонентами. В полученных зависимостях выявлено наличие существенной фоновой составляющей органического углерода.

Ключевые слова: атмосферный аэрозоль, органический и элементный углерод, линейная корреляция, сектор выноса.

ESTIMATION OF INFLUENCE OF REGIONAL SOURCES ON CONCENTRATION OF ORGANIC AND ELEMENT CARBON INTO ATMOSPHERIC AIR OF TOWNSHIP KLUCHY IN THE NOVOSIBIRSK REGION

Tatyana V. Yaroslavtseva

Novosibirsk scientific research institute of hygiene of Rospotrebnadzor, 630108, Russia, Novosibirsk, 7 Parhomenko St., Ph. D., researcher, tel. (383)330-61-51, e-mail: [email protected]

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]

Valerii I. Makarov

Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Institutskaya St., Ph. D., senior researcher, tel. (383)333-07-87, e-mail: [email protected]

Joint data analysis for daily rent measurements of wind directions and the organic and inorganic carbon in the Keys of the Novosibirsk region was carried out. For sectors removal of carbonaceous contaminants from industrial sources close significant linear correlation between the components have been installed. The dependences obtained revealed the presence of a substantial part of the background of organic carbon.

Key words: particulate matter, organic carbon, elemental carbon, linear correlation, removal segment.

Введение. Сеть стационарных пунктов отбора проб примесей позволяет проводить непрерывный контроль атмосферного загрязнения окружающих территорий, измерять характеристики дисперсного состава, определять источники эмиссии [1]. Для численного анализа обычно используются данные посуточных измерений основных аэрозольных компонентов. Дополнительно необходимы сведения с ближайших метеостанций о метеорологических параметрах атмосферы. В первую очередь это касается информации о направлении и скорости ветра над рассматриваемыми территориями [2].

Важными компонентами атмосферного аэрозоля (АА) являются углерод-содержащие частицы [3-5]. Основными источниками поступления частиц элементного углерода (ЕС) в атмосферу являются продукты неполного сгорания. Органический углерод (ОС) может иметь как антропогенное, так и природное происхождение. ОС может также образовываться при атмосферном фотохимическом окислении газообразных углеводородов [6]. Множество органических смесей, идентифицированных в аэрозолях, содержат соединения разных классов, включая полиароматические органические соединения. Некоторые вещества из этого класса являются канцерогенами [4].

Материалы и методы исследования. Образцы атмосферного аэрозоля были отбирались в п. Ключи, расположенного в 30 км к юго-востоку от Новосибирска. Аэрозоли здесь формируются как за счет естественных процессов, так и за счет выносов от крупных антропогенных источников, положение которых представлено на рис. 1. С юга и юго-запада эти выносы обеспечиваются выбросами АА с территорий гг. Искитима, Бердска, электродного завода. С севера и северо-запада значительные поступления АА могут происходить с территории г. Новосибирска.

Отбор образцов АА производился на ацетилцеллюлозные фильтры (АФА-ХА-20) и на стекловолокнистые фильтры (Whatman). Массовая концентрация аэрозоля (См) определялась гравиметрически, используя весы Sartorius TE124S с чувствительностью 10-4 г, с обязательным просушиванием проб над поверхностью цеолита. Методом реакционной газовой хроматографии в образцах посуточного отбора АА были измерены концентрации органического и элементного углерода [6].

Следует отметить, что для атмосферных выбросов углеродсодержащих примесей от конкретных техногенных источников характерно определенное постоянство отношения концентраций (ОС / ЕС) и является существенной характеристикой источника. В более общей ситуации при рассмотрении выноса примеси от доминирующего источника связь между концентрациями компонентов целесообразной искать в следующем виде

^с = к8ас + /, (1)

где под величиной / подразумевается фоновая концентрация, возникающая за счет отдаленных источников и процессов трансформации газовых предшественников, приводящих к образованию вторичного аэрозоля.

Рис. 1. Схема расположения основных источников атмосферных примесей (•):

1 - Искитимский цементный завод; 2 - Новосибирский электродный завод;

3 - Бердский химический завод; 4 - Бердская ТЭЦ; ▲ - пункт отбора проб АА

(п. Ключи); ■ - метеостанция (п. Огурцово)

Примесь в пункт наблюдения поступает в шлейфе выбросов источника. Ширина шлейфа зависит от метеорологических условий и может варьироваться в достаточно больших пределах [7]. А это означает, что поступление примесей от источников в пункт наблюдения следует рассматривать при направлениях ветра, принадлежащим определенным секторам.

Данные о направлениях ветра 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) [2]. Измерения характеристик скорости ветра на ней проводится 8 раз в сутки с трехчасовым интервалом.

Результаты и обсуждение. На рис. 2 представлены графики линейной корреляции между ОС и ЕС в периоды времени наблюдений с 20 апреля по 20 мая 2011 и 2015 гг. в атмосферном воздухе п. Ключи Новосибирской области. Рис. 2 показывает довольно высокий уровень связи как между рассматриваемыми компонентами, так и определенную близость соответствующих коэффициентов линейных регрессий. Содержание органического углерода в среднем по представленным сериям наблюдений примерно в 2-3 раза превышает содержание элементного углерода в атмосфере.

Рис. 2. Линейно-корреляционные зависимости между посуточными концентрациями органического и неорганического углерода (мкг/м3) в пос. Ключи: с 20.04 по 20.05 2011 г. (а) и 2015 г. (б)

Следует отметить, что для рассматриваемых периодов времени доля ветров южного и юго-западного секторов является преобладающей, что и предопределило выбор этих сроков для дальнейшего анализа экспериментальной информации. Это позволило провести более детальный анализ выносов ОС и ЕС от источников, расположенных южнее и юго-западнее пункта измерения.

Детализация связей между компонентами по определенным секторам выноса представлена на рис. 3. Высокий коэффициент детерминации показывает, что поступление ОС и ЕС в атмосферу в секторе выноса определяется деятельностью определенного точечного или площадного источника. Анализ рис. 3 позволяет выполнить привязку к основным источникам выбросов ОС и ЕС, расположенных в городах Искитиме и Бердске. Створ выноса от Бердска находится в пределах 180-240° (рис. 3, а-в). Створ выноса от Искитима и Новосибирского электродного завода (НЭЗ) соответствует примерно 110-180о (рис. 3г). Имеют место акцентированные случаи выноса углеродных компонентов от крупных точечных источников: котельной химзавода (рис. 3, б) и ТЭЦ

(рис. 3, д) г. Бердска. Рис. 3, е характеризует поступление углеродсодержащих примесей, расположенных западнее пункта наблюдения. Присутствие фоновой составляющей ОС может быть связано как наличием дополнительного источника через газовые предшественники, так и проявлением деятельности отдаленных источников.

Рис. 3. Линейно-корреляционные связи между концентрациями ОС и ЕС (мкг/м3) в п. Ключи весной 2011 г. по направлениям выноса: 180-200о (а), 200-205о (б), 200-245 (в) и весной 2015 г. по направлениям выноса: 110-175о (г), 225-233о (д), 244-257о (е)

Заключение. Проведен анализ данных посуточных измерений элементного и органического углерода в п. Ключи для весенних периодов времени 2011 и 2015 гг. Для определенных секторов выноса установлены тесные линейные корреляционные связи между этими компонентами. Полученные зависимости могут быть обусловлены значимыми техногенными источниками углеродсодер-жащих примесей, находящимися в данных секторах. По измерениям в п. Ключи

выявлена связь с источниками г. Искитима, НЭЗ, котельной химзавода и ТЭЦ г. Бердска. Обнаружено присутствие заметной фоновой составляющей ОС, выяснение природы которой требует дополнительных исследований.

Работа выполнена при поддержке Программы РАН № 18.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Безуглая Э. Ю., Расторгуева Г. П., Смирнова И. В. Чем дышит промышленный город. - Л. : Гидрометеоиздат, 1991. - 255 с.

2. Климат Новосибирска и его изменения / И. О. Лучицкая, Н. И. Белая, С. А. Арбузов. - Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2014. - 224 с.

3. Виноградова А. А., Смирнов Н. С., Коротков В. Н. Аномальные пожары 2010 и 2012 гг. на территории России и поступление черного углерода в Арктику // Оптика атмосферы и океана. - 2016. - Т. 29, № 06. - С. 482-487.

4. Исидоров В. А. Органическая химия атмосферы. - Л. : Химия, 1985. - 265 с.

5. Seinfeld J. H., Pandis S. N. Atmospheric chemistry and physics. - John Wiley & Sons, Inc, 1998. - 1326 р.

6. 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.

7. Бызова Н. Л., Гаргер Е. К., Иванов В. Н. Экспериментальные исследования атмосферной диффузии и расчеты рассеяния примеси. - Л. : Гидрометеоиздат, 1991. - 278 с.