CC BY
27
УДК [504.064.2:574]:543.544
Кузнецов В.А., Беднова О.В., Рыбникова М.М.
ПРОЦЕССЫ МИГРАЦИИ И ТРАНСФОРМАЦИИ ОКСИДОВ АЗОТА ПОД ПОЛОГОМ ГОРОДСКОГО ЛЕСА
Кузнецов Владимир Алексеевич д. т. н., профессор, е-mail: [email protected] Рыбникова Мария Михайловна студентка, е-mail: [email protected] Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, 125047, Россия, Москва, Миусская пл., 9
Беднова Ольга Викторовна к.б.н., доцент, е-mail: [email protected] Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана,
В статье приводятся результаты исследования влияния температурных инверсий и освещённости на поведение вредных атмосферных примесей (оксидов азота) в условиях городского леса. Анализируются причины появления зон повышенной концентрации оксидов азота в воздухе внутри лесного массива.
Ключевые слова: оксиды азота, выбросы автотранспорта, абиотические факторы, температурная инверсия, освещённость, трансформация примесей, лесные экосистемы, накопление примесей
THE PROCESSES OF MIGRATION AND TRANSFORMATION OF NITROGEN OXIDES UNDER THE CANOPY OF THE URBAN FOREST
Kuznetsov VA.1, Bednova O.V.2, Rubnikova M.M.1
^.Mendeleev University of Chemical Technology of Russia,125047, Moscow, Miusskaya sq.9, e-mail: [email protected];
2Associate professor, Mytishchi branch of the Bauman Moscow State Technical University 1st Institutskaya street,141005, Mytischi, Moscow region, Russia, e-mail: [email protected]
The article presents the results of studying the effect of temperature inversions and illumination on the harmful atmospheric impurities (nitrogen oxides) in urban forest conditions. The reasons for the occurrence of increased concentrations zones of nitrogen oxides in air inside the urban forest are discussed.
Keywords: nitrogen oxides, emissions of transport, abiotic factors, temperature inversion, illuminating intensity, transformation of impurity, forest ecosystems, accumulation of impurity.
Концентрация примесей в любом объеме приземного слоя воздуха зависит, как известно, от скорости их поступления и стока. Как показывают результаты теоретических и экспериментальных исследований [1, 2] различие в скорости протекания этих процессов может привести к появлению отдельных участков с повышенным содержанием примесей в приземном слое воздуха. Изучение этого явления особенно важно для городских лесов, практически всегда граничащих с автомобильными дорогами, а автотранспорт, как известно, является одним из основных источников оксидов азота, поступающих в атмосферу в городах. Перемещение воздуха от автомагистрали в подпологовое пространство при определенных метеорологических условиях (штиль или малая скорость ветра (1-3 м/с)) приводит к накоплению примесей внутри лесного массива, которое при изменении направления ветра может даже стать источником вторичного загрязнения приземного слоя воздуха. Следует подчеркнуть, что штилевые условия на территории Москвы имеют повторяемость в среднем за год около 20% с максимумом в летнее время.
Как показали наши исследования, проведенные на территории Волынского леса (часть природного заказника «Долина реки Сетунь» в Москве) [ 3], оксиды азота способны мигрировать вглубь леса и накапливаться на расстоянии более 50 м от внешних границ лесного массива (см. табл.1). На отдельных участках в глубине леса содержание оксидов азота практически соответствовало его содержанию на автомобильной дороге.
Благоприятные условия для накопления примесей, как известно, складываются в атмосфере при наличии температурных инверсий, которые препятствуют обмену приземного воздуха с более высокими слоями атмосферы. В этом случае прекращается процесс вертикального перемещения воздушных масс, который вносит основной вклад в уменьшение содержания примесей в приземном слое атмосферы. Такие условия могут наблюдаться в частности под пологом леса. Локальные изменения температуры под кронами деревьев, наряду ветровыми вариациями способны привести к значительным изменениям в концентрации примесей в отдельных зонах под пологом леса.
Таблица 1. Содержание оксидов азота в приземном слое воздуха в границах леса
Расположение участка леса в отношении краевой зоны, м Среднесуточная концентрация*, мкг/м3 SD V, %
Мин. Мах. Средняя
0 48,0 112,0 90,3 + 6,4 20,20 22,4
10 - 20 49,0 94,0 71,8 + 5,9 16,87 23,2
Более 50 28,0 137,0 80,6 + 8,6 28,12 34,5
На границе с Можайским шоссе (буферная зона леса) 80,0 100,0 88,3 + 7,4 12,57 17,4
*Концентрация оксидов азота в пересчете на М02, определялась методом пассивной дозиметрии. [3,4]
Оксиды азота, выделяющиеся с выхлопными газами автомобилей, представлены в основном оксидом азота. В загрязненном воздухе городов N0 достаточно быстро окисляется до более токсичного диоксида азота, реагируя с озоном или свободными радикалами:
N0 + 03 ^ Ш2 + 02 или
НО2 + + ОН
СН3ОО + N0 СН3О + N02
Диоксид азота под действием видимого излучения может разлагаться, вновь образуя оксид азота:
Ш2+Ь ^N0+ 0,
или выводиться из атмосферы в процессах мокрого и сухого осаждения при контакте с почвой и растительностью в виде азотной и азотистой кислот или их солей.
Оксид азота является менее реакционно способным газом, он значительно хуже, чем N0^ растворим в воде и значительно менее опасен для растений и человека. Значение максимально разовой предельно допустимой концентрации для диоксида азота в два раза меньше чем для оксида азота. Поэтому в процессе трансформации днем при хорошем освещении оксиды азота становятся менее опасными. В то же время, в ночные часы и при уменьшении освещенности днём, которая часто наблюдается под пологом леса, воздух, загрязненный оксидами азота может стать более опасным.
Температура воздуха и освещенность во внутреннем пространстве лесного массива, несомненно, способны оказывать влияние на процессы миграции и трансформации этих примесей. Для оценки вариабельности этих метеорологических параметров под пологом городского леса нами было проведено специальное исследование.
Оценку вертикального приземного профиля температур и освещенности проводили летом 2016 года на территории Волынского леса. В 30 контрольных точках лесного массива, расположенных в краевой зоне леса и на удалении от неё на расстоянии около 10 и более 50 метров под кронами деревьев, проводились замеры температуры воздуха на высоте 5 и 200 см от поверхности земли и освещенности вне крон и под кронами деревьев. Для измерения температуры использовался электронный термометр ИТ-17, освещенность определяли люксметром Ю-116.
Как свидетельствуют представленные в табл. 2 данные, на обследуемой территории среднее значение градиента температур на различном удалении от границы леса значительно отличаются друг от друга. Так на удалении более 50 м, по сравнению с участком расположенным на расстоянии 25-50 м от края леса, это значение на 35,7% выше. Безусловно, уменьшение градиента температур приводит к увеличению интенсивности перемещения воздуха в вертикальном направлении, и концентрация примесей снижается. На границе леса большее влияние, по сравнению с градиентом температур, на содержание примесей оказывает близость источника загрязнения.
Необходимо обратить внимание и на значительное снижение освещенности под кронами деревьев, которое внутри леса уменьшалось более чем на 47%, по сравнению с участками на границе леса. Такое снижение освещенности, конечно, приводит к снижению скорости фотохимической трансформации диоксида азота и, как следствие, его доля в общем содержании оксидов азота возрастает и, как отмечалось выше, увеличивается опасность этого воздуха для человека. Для урбанизированной среды это представляется чрезвычайно важным, учитывая, что городские леса имеют важное рекреационное значение.
Повышенное содержание оксидов азота в приземном слое воздуха, несомненно, должно сказываться и на интенсивности процессов почвенной трансформации соединений азота. Поступление дополнительного азота в почву
сопряжено с усилением миграцией его соединений в сопредельные среды растительность, воздух, грунтовые воды. Анализ видового разнообразия травяно-кустарничкового яруса в ельнике Кунцевской дачи показал, что преобладают и доминируют нитрофильные виды, а результаты геоботанического мониторинга свидетельствуют о тенденции к росту их обилия [5]. Это свидетельствует о довольно высоком и стабильном азотном почвенном статусе экосистемы и позволяет говорить об эвтрофировании лесных почв и адаптации фитоценоза к техногенным поступлениям азота в почву при данных уровнях загрязнения.
Определённый вклад в «запас» диоксида под полог леса вносит и процесс денитрификации: в условиях дополнительного поступления в почву азота из атмосферного воздуха объёмы, выделяющихся соединений азота (в т.ч. и диоксида)
обратно в атмосферу растут, к тому же известно, что в рекреационном лесу интенсивность
денитрификации заметно растёт на участках с уплотнённой вследствие вытаптывания почвой. При этом следует подчеркнуть, что нет явных признаков повреждения древостоя, характерных для зон воздействия крупных промышленных источников загрязнения, где природный механизм самоочищения и газопоглощения лесом иной.
Список литературы
1. 1.Бояршинов М. Г. Оценка влияния придорожного лесного массива на распространение автотранспортных выбросов // Математическое моделирование. 2001. Том 13, № 8. С. 53-64.
2. Городков А. В. Ландшафтно-средозащитноеозеление и его влияние на экологическое состояние крупных городов Центральной России: дис. ... доктора с.-х. наук. Санкт-Петербург, 2000. 443 с.
3. Беднова О.В., Кузнецов В.А. Эффективность экологических функций лесной экосистемы в границах современного мегаполиса // Материалы XVII Международной научн.-практ. конф. «Проблемы озеленения крупных городов». - М.: ВДНХ, 2016. - С. 22-27.
4. Тарасова Н.П., Кузнецов В.А. Интегральная оценка загрязнения атмосферного воздуха на городских природных территориях // Безопасность в техносфере. - 2008. №6. - С.24-27.
5. Беднова О.В. Оценка азотного статуса городской лесной экосистемы на основе геоботанических описаний //Актуальные проблемы лесного комплекса. Сборник научных трудов. Выпуск 44. - Брянск: БГИТУ, 2016. - С. 90-96 .
Таблица 2. Вариабельность значений концентрации оксидов азота, температуры и освещенности на различных участках Волынского леса
Расположение поглотителя в отношении краевой зоны, м Среднее* значение градиента температур, ДТ/м Среднее значение снижения освещенности под кронами деревьев, лк
0 (граница леса) 0,12 24
10 - 20 0,09 46
Более 50 0,14 46
*Для точек, в которых наблюдалась температурная инверсия на высоте до 2 м.
