Эта статья опубликована в сборнике научных статей с материалами XI Телеконференции с международным участием "Актуальные проблемы современной науки", Томск, 27-31 мая, 2013 год 

Одной  из задач, решаемой в ходе мониторинга состояния атмосферного воздуха в г. Обнинске, является изучение закономерностей формирования уровней загрязнения атмосферного воздуха и оценка факторов, влияющих на эти уровни.

Введение

В предыдущей работе авторов [1] было рассмотрено влияние на степень загрязнения воздуха в г. Обнинске блокирующего Азорского антициклона в экстремально  жаркое лето 2010 года. Рекордная по продолжительности синоптическая ситуация (55 дней), перекрывшая доступ с запада влажным атлантическим воздушным массам, сопровождалась аномально высокими температурами воздуха и пожарами на огромных площадях европейской территории страны (ЕТС). В эти дни дымный смог, состоящий из продуктов горения и антропогенных выбросов крупных промышленных центров, охватил весь Центральный регион России. Пик загрязнений атмосферы Московской и Калужской областей  пришелся  на 2-10 августа. В этот период фиксировались концентрации  выше ПДК большой группы загрязняющих веществ: диоксида азота, оксида углерода, диоксида серы, сероводорода, озона и количества взвешенных частиц.

Аналогичная ситуация рассматривается нами в зимний сезон 2012 года, когда Центральный регион России был охвачен в течение трех недель (с 23 января по 14 февраля) атмосферным  малоподвижным гребнем со стороны мощного Азиатского антициклона с центром над Восточной Сибирью. Ось гребня в этот период оказалась сориентированной с востока, через Урал, на запад. Создалась классическая синоптическая ситуация [2], которая, особенно в зимнее время, способствует формированию в промышленных городах центра ЕТС высоких и даже аномально высоких уровней загрязнения. Объяснение этому заключается в том, что блокирующий антициклон сопровождается целым комплексом метеорологических параметров в атмосфере, способствующих ослаблению турбулентности и процессов рассеяния примесей и, в результате, приводит к  накоплению в нижней атмосфере поступающих в нее антропогенных  выбросов загрязняющих веществ. К таким условиям относятся, прежде всего, задерживающие слои приземных инверсий, слабые ветры в приземном слое воздуха, безоблачная погода без осадков, иногда туманы. Кроме того, аномально высокие уровни загрязнения воздуха городов в условиях стационарного блокирующего гребня высокого давления формируются не только за счет локального поступления загрязняющих веществ от местных источников, но и  за счет регионального переноса континентальных загрязненных воздушных масс.

В периоды, не связанные с аномально устойчивыми синоптическими ситуациями, уровень загрязнения атмосферного воздуха в г. Обнинске оценивается, как низкий. Небольшие превышения санитарно-гигиенических нормативов случаются редко и бывают кратковременными.

Целевые задачи

В данной работе делается попытка впервые оценить влияние самой устойчивой синоптической ситуации – гребня блокирующего Азиатского антициклона на рост концентраций загрязняющих веществ в воздушном бассейне г. Обнинска в январе-феврале 2012 года.

Одной из задач была оценка поведения концентраций токсичных веществ, которые представляют наибольшую опасность для здоровья людей: диоксида азота (NO₂), полиароматических углеводородов (ПАУ), поскольку они  накапливаются в атмосфере в количествах, часто превышающих ПДК, а также некоторых солей тяжелых металлов: кадмия (Сd), свинца (Pb) и цинка (Zn). Оксиды  углерода, хотя и считаются основными показателями экологичности автотранспорта, представляют меньшую опасность, так как их концентрации в воздухе гораздо ниже ПДК [3].

Средства и методы измерений

С марта 2010 года в г. Обнинске проводится опытная эксплуатация  автоматизированных средств контроля загрязненности атмосферного воздуха с помощью автоматической станции контроля (АСК-А) типа МР-28 с целью внедрения в практику государственной системы  мониторинга атмосферного  воздуха  новых  средств измерений и алгоритмов.

АСК-А  разработки НПО «Тайфун» позволяет определять: массовую концентрацию загрязняющих веществ (оксидов азота (NO, NO₂), диоксида серы (SO₂), сероводорода (H₂S), аммиака (NH₃), оксида углерода (CO), суммы углеводородов (∑CH), метана (СН₄), озона (О₃), наличие взвешенных частиц с размерами до 2,5 мкм (далее РМ-2,5), до 10 мкм (далее РМ-10), мощность амбиентного эквивалента дозы гамма-излучения в атмосферном воздухе и метеорологические величины, характеризующие состояние приземного слоя атмосферы (атмосферное давление, температура и влажность воздуха, скорость и направление ветра).

На АСК-А предусмотрен автоматический отбор проб атмосферного воздуха на газовые и аэрозольные примеси для дальнейшего лабораторного анализа, а также отбор проб атмосферного воздуха на общую пыль в ручном режиме.[4]

Автоматический отбор проб атмосферного воздуха для дальнейшего лабораторного анализа на полиароматические углеводороды (ПАУ) проводился в соответствии с ГОСТ 17.2.3.01[5] и РД 52.04.186[6] на фильтры АФА-ВП-20. Разделение компонентов ПАУ осуществлялось на жидкостном хроматографе «LC-20 Prominence» фирмы Shimadzu с колонкой “Envirosep PP” в режиме градиентного элюирования.

При определении приземной концентрации ПАУ в атмосфере отбор проб проводился в дискретном режиме, при котором на фильтры АФА-ВП-20 отбирались 4 разовые пробы в сутки в 7:00, 13:00, 19:00, 1:00 продолжительностью 30 мин. Объемная скорость прокачиваемого воздуха при этом составляла 80-120 дм³/мин.

Отбор проб воздуха на ТМ проводился в соответствии с РД 52.04.186, а определение - методом атомной абсорбции.

Извлечение тяжелых металлов проводилось методом «мокрого» разложения фильтров. Измерение примесей в полученных растворах проводилось методом атомной абсорбции с электротермической атомизацией и коррекцией Зеемана на спектрометре «Квант-Z.ЭТА».

Влияние блокирующего антициклона на формирование уровней загрязнения в приземном слое воздуха.

К 23.01.12 на центральный регион ЕТС распространился гребень мощного Азиатского антициклона с затоком холодных воздушных масс с востока и северо-востока азиатского континента и такая ситуация сохранялась до середины февраля. Фактически это был атмосферный блокирующий антициклон, охвативший огромную территорию от Балтики до Чукотки, и от северо-запада до Черного моря. Как и на всей этой территории в Обнинске надолго установилась типичная для такой ситуации, малооблачная без осадков, морозная погода со слабыми скоростями ветра. В отдельные дни температура воздуха была на 4-6⁰С ниже климатической нормы.

Весь период стояния блокирующего антициклона можно разделить на два периода по числу волн холода: с 28.01 по 3.02 и с 6.02 по 12.02, когда области Центрального федерального округа (ЦФО) переживали самые сильные за эту зиму морозы.

Очень высокое давление в атмосфере в этот период препятствовало образованию облаков и, как следствие была велика амплитуда суточного хода температуры воздуха с резким ночным минимумом, которая достигала 10⁰С. Выхолаживание в ночное время приземного слоя воздуха привело к формированию задерживающих радиационных инверсий в слое 8-300 м, наблюдавшихся в Обнинске ежедневно все три недели стояния блокирующего антициклона над регионом. Инверсии наблюдались по 8-17 час, градиент температуры достигал 6-9⁰С. Особенно мощные инверсии отмечались 25-28 января в дни ультраполярного вторжения арктического воздуха, что совпадает с  периодом самых высоких концентраций загрязняющих веществ в приземном воздухе Обнинска: бенз(а)пирена и тяжелых металлов (табл.1).

Табл.1 Концентрации ПАУ и ТМ в атмосферном воздухе

BaP – бенз(а)пирен; CHR – хризен; BeP – бенз(е)пирен; BbF – бенз(b)флуорантен; BPL – бенз(g,h,i)перирлен; INP – инден(1,2,3-c,d)пирен

Хорошо известно, что устойчивая вертикальная стратификация температуры воздуха (инверсия) приводит к резкому ослаблению турбулентной диффузии воздуха, ослаблению процессов рассеяния и как результат, к накоплению примесей в нижнем слое атмосферы.[7]

Стоит отметить, что в морозные дни января-февраля присутствовал сопутствующий фактор – увеличение интенсивности отопления в промышленных и жилых секторах, что привело к росту объемов выбросов загрязняющих веществ (ЗВ) в атмосферу.

После 13.02 на центр ЕТС, после двадцатидневного периода аномально морозной погоды, приходит потепление с метелями, а блокирующий антициклон уходит на восток.

Рис. 1  Содержание ЗВ в приземном воздухе

За рассматриваемый период с 16.01 по 16.02 данные по содержанию ЗВ в приземном воздухе города представлены на рис. 1 и в таблице 1.  На рис.1 представлены средние за сутки концентрации в долях ПДК бенз(а)пирена (БП) и диоксида азота (NO₂). Внизу графика штриховкой выделен период стояния блокирующего антициклона (БлАЦ). Практически все дни с БлАЦ средние за сутки концентрации БП превышали ПДКсс. Максимальное значение 2,4  ПДКсс  фикси-ровалось 28.01 – это день самых мощных и интенсивных инверсий. Для сравнения отметим, что среднее значение БП за период без БлАЦ составило 0,4 нг/м³.

Концентрации диоксида азота выросли в дни с БлАЦ в несколько раз и ежедневно превышали ПДКсс. Максимальные значения фиксировались 7-8.02 и равнялись 2,5 ПДКсс. Среднее значение NO₂ за период без БлАЦ составляло около 0,8 ПДКсс.

Содержание ПАУ и ТМ в атмосфере в этот период приведено в табл.1. Средние величины ПАУ за период с БлАЦ были в среднем в 3 раза выше, чем в дни без БлАЦ. Максимальные значения у всех ПАУ наблюдались в одни и те-же дни 25-28 января (дни максимально мощных приземных инверсий).

Для анализа из группы измеряемых тяжелых металлов были выбраны наиболее токсичные для здоровья человека: кадмий, свинец и цинк. Средние за сутки за период с  БлАЦ концентрации этих металлов выросли в  три раза по сравнению с днями без  БлАЦ, оставаясь во много раз ниже ПДКсс. Максимальные концентрации рассматри-ваемых ТМ наблюдались в те же дни  25-28 января, что и ПАУ.

Выводы

Малоподвижный гребень блокирующего Азиатского антициклона, находящий-ся над Центральным регионом России продолжительное время (в течение трех недель с 23 января по 14 февраля)   привел к  росту концентраций загрязняющих веществ в воздушном бассейне г. Обнинска в январе-феврале 2012 года.

Средние величины ПАУ и ТМ за период с БлАЦ были в среднем в 3 раза выше, чем в дни без БлАЦ.

Список литературы

1.       Булгаков В.Г., Волокитин А.А., Волокитина Л.А., Ким В.М., Лобов А.И., Нечаев Д.Р.,  Полянская О.Н., Сафронов В.Л., Яхрюшин В.Н. Практика использования автоматизированных средств измерений загрязненности атмосферы при ЧС.// Материалы конференции «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций. XII научно-практическая конференция. 17-18 октября 2012 г.» М.: ФКУ Центр «Антистихия» МЧС России.2012, с.22

2.       РД 52.04.306-92 Охрана природы. Атмосфера. Руководство по прогнозу загрязнения воздуха.// СПб: Росгидромет, 1993

3.       Корнилов А.Г., Гордеев Л.Ю. Мониторинг автотранспортного загрязнения воздушного бассейна города Белгорода в переходные периоды года. // Экологические системы и приборы. №1. 2012 г. - с.46-51

4.       Станция контроля загрязнения атмосферного воздуха автоматическая МР-28. Руководство по эксплуатации. ИЛАН.416143.001РЭ

5.       ГОСТ 17.2.3.01-86 Охрана природы. Атмосфера. Правила контроля качества воздуха населенных пунктов

6.       РД 52.04.186-89. Руководство по контролю загрязнения атмосферы. М., 1991.

7.       Гречко Е.И., Ракитин В.С., Фокеева Е.В., Джола А.В., Пекур М.С., Тиме Н.С. Изучение влияния параметров атмосферного пограничного слоя на изменчивость содержания окиси углерода в центре Москвы.// Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 1993, том29, №1