1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Физика атмосферы и океана
  4. T. 57, № 3, 2021

Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2021, T. 57, № 3, стр. 334-348

Временные вариации состава атмосферного аэрозоля в Москве весной 2020 года

Д. П. Губанова a, *, А. А. Виноградова a, М. А. Иорданский b, А. И. Скороход a

a Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН
119017 Москва, Пыжевский пер., 3, Россия

b Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова
105064 Москва, ул. Воронцово Поле, 10, стр. 1, Россия

* E-mail: gubanova@ifaran.ru

Поступила в редакцию 18.01.2020
После доработки 11.02.2021
Принята к публикации 17.02.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Результаты интенсивного комплексного эксперимента по изучению состава и временной изменчивости городского аэрозоля в центре Москвы (с 25 марта по 3 мая 2020 г.) включают данные о среднесуточных концентрациях частиц РМ10 и РМ2.5, а также 65 химических элементов. Концентрации всех компонент не превышали ПДК для жилых территорий. Исключение составили концентрации частиц РМ10 во время эпизода повышенного загрязнения 27–29 марта, когда воздушные массы поступали в город из соседних областей с очагами пожаров биомассы. Коэффициенты корреляции между значениями концентрации и коэффициента обогащения элементов подтвердили антропогенное/локальное происхождение ряда тяжелых металлов (Cd, Sb, Pb, Se, Th) и терригенное/глобальное происхождение таких элементов, как Mn, Mg, Zn, Co, Fe, Al, Cr. Элементы S, P, K, Na, Ca, Ni, Cu, Mo, Sn, W, Bi, U, для которых не установлена значимая корреляция между концентрацией и коэффициентом обогащения, видимо, имеют смешанное происхождение от естественных и антропогенных источников, конкурирующих друг с другом в разные дни. Первые исследования недельного цикла относительного элементного состава в приземном аэрозоле Москвы показали ведущую роль метеорологических условий (в частности, влажности и давления воздуха) в изменении уровня аэрозольного загрязнения.

Ключевые слова: атмосфера, мегаполис, Москва, аэрозоль, частицы РМ10 и РМ2.5, массовая концентрация, элементный состав

ВВЕДЕНИЕ

Аэрозоль – очень изменчивая составляющая атмосферы, значимо и неоднозначно влияющая на климат разных природных зон и территорий [1–3]. В крупных мегаполисах наиболее заметно проявляются разнообразие аэрозолей и их воздействия на окружающую среду и жизнедеятельность человека. Основным источником аэрозолей природного происхождения в городах и промышленных районах является почва и, в меньшей степени, горение биомассы. Первичные антропогенные аэрозоли выбрасываются в атмосферу предприятиями промышленности, тепло- и электроэнергетики, транспортом. Вторичные аэрозоли, представляющие собой аэрозольные частицы мелкодисперсной (субмикронной) фракции, образуются в ходе микрофизических и фотохимических процессов с участием водяного пара, органических соединений и различных газов-предшественников. В результате городские аэрозоли весьма изменчивы по их фракционному и химическому составу – как в пространстве, так и во времени.

В городе антропогенная нагрузка на экосистемы необычайно велика и часто плохо контролируется. Повышение содержания ряда макро- и микроэлементов до и выше уровней предельно допустимых концентраций (ПДК) для звеньев трофической цепи – от почв, водоемов, растений, животных до человека – может быть опасно [4]. С другой стороны, информация об элементном составе аэрозоля чрезвычайно важна как косвенные указания на локальные и удаленные источники загрязнения атмосферы и пути его поступления к месту наблюдений [5]. Для решения таких задач анализируют величины некоторых трассеров (концентрации ряда химических элементов и их отношения), характерных для состава выбрасываемого в атмосферу вещества в процессе той или иной человеческой или природной деятельности – различные производства, транспорт, вулканы, пожары и т.д. [6–13].

Эти два аспекта (уровень содержания различных составляющих и возможность выявления источников загрязнения) определяют интерес к такому сложному объекту воздушной среды, как элементный состав аэрозоля. Однако изучение элементного состава аэрозольных частиц – очень трудоемкий процесс, требующий высокой степени чистоты эксперимента и связанный к тому же с очень дорогим анализом отбираемых аэрозольных проб. По-видимому, именно эти обстоятельства определяют тот факт, что в отечественной научной литературе мало публикаций об элементном составе аэрозоля. Можно назвать отдельные статьи, посвященные изучению элементного состава аэрозоля опустыненных территорий [12, 14, 15], удаленных районов Арктики [16–18], городов Сибири [19–21] и других территорий [22, 23]. Что касается атмосферы Московского региона, то исследования элементного состава здесь проводились лишь эпизодически, и опубликованных работ на эту тему немного [24–29]. В последние годы появились публикации, посвященные изучению элементного состава твердых частиц дорожной пыли и атмосферного аэрозоля в Московском мегаполисе [30–32].

В настоящей работе приводятся новые результаты об элементном составе аэрозоля в городском воздухе крупного мегаполиса, полученные в рамках интенсивного комплексного эксперимента по изучению состава атмосферы, проводимого Институтом физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН в центре Москвы. Рассматриваются временные вариации элементного состава аэрозольных проб в сопоставлении с дисперсным составом аэрозоля, метеоусловиями, направлением дальнего переноса воздушных масс, выявляются группы элементов разного генезиса.

1. АППАРАТУРА ДЛЯ СБОРА И АНАЛИЗА АЭРОЗОЛЬНЫХ ПРОБ

Массовая концентрация аэрозольных частиц размерами меньше 10 мкм (РМ10) и меньше 2.5 мкм (РМ2.5) определяется посуточно численным методом [1] с использованием счетной концентрации микрочастиц, измеряемой в непрерывном автоматическом режиме с помощью лазерного и оптико-электронного аэрозольных спектрометров ЛАС-П и ОЭАС-05 разработки НИФХИ им. Л.Я. Карпова [15] с временным разрешением 5 мин. Приборы установлены во дворе ИФА им. А.М. Обухова РАН в центре Москвы (Пыжевский пер., д. 3). Пункт наблюдения располагается в административном центре столицы вблизи автомагистралей со средней и малой автотранспортной нагрузкой, но на удалении от предприятий промышленного и энергетического комплекса. Основные локальные источники загрязнения связаны с автотранспортом. Двор ИФА имеет небольшую площадь, используемую для стоянки личного автотранспорта (до 10 единиц), отделен от городских улиц забором и вспомогательными кирпичными малоэтажными зданиями, что может снижать влияние эмиссии крупных аэрозольных частиц с подстилающей поверхности в результате транспортной деятельности.

В каждый сезон в течение 1–1.5 мес. проводится интенсивный мониторинг состава атмосферы, когда добавляются измерения (гравиметрическим методом) массовой концентрации всего аэрозоля, осаждаемого за сутки на фильтр типа АФА с помощью аспирационных пробоотборников в течение суток (с 9 утра до 9 утра следующего дня). Эти же суточные пробы используются для изучения элементного состава аэрозоля (методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой [33]). Забор аэрозольных проб для гравиметрического и химического анализа осуществляется на высоте около 2 м над землей.

В периоды интенсивного мониторинга производится отбор проб на гидрофобные фильтры из ткани Петрянова типа ФППД и аналитические фильтры типа АФА-ВП-10 с помощью 6-каскадного импактора (непрерывно в течение всего периода). Эти пробы использовались для изучения среднего распределения по размерам частиц массы аэрозоля и содержащихся в нем химических элементов – также гравиметрическим методом и методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой [33].

Данные о метеорологических параметрах с временным интервалом – 3 ч., полученные на станции “Балчуг” (Средний Овчинниковский пер., 1, стр. 1), расположенной в 800 м северо-восточнее от пункта наблюдения ИФА, использованы из открытых Интернет-источников [34]. В ходе проведения интенсивного эксперимента анализ синоптических и метеорологических условий наблюдений осуществлялся также с помощью Интернет-сервиса [35] и с применением метода обратных траекторий движения воздушных масс, рассчитанных с помощью модели NOAA HYSPLIT [36].

В настоящей работе анализируются результаты интенсивного мониторинга состава аэрозоля, проводившегося с 25 марта по 3 мая 2020 г. Период наблюдений совпал с началом ограничительных мероприятий в Москве по нераспространению коронавирусной инфекции, обусловивших снижение антропогенной нагрузки на окружающую среду города весной 2020 г.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ

2.1. Дисперсный массовый состав аэрозоля

На рис. 1а и 1б показаны зависимости общей массы М аэрозоля, состоящего из частиц трех фракций – мелкодисперсной РМ2.5, микронной (размером от 2.5 до 10 мкм) и крупной (>10 мкм), от пробы к пробе в течение 40 дней интенсивного мониторинга весной 2020 г. Видно, что в это время вариации общей концентрации аэрозоля и его дисперсного состава были существенны, хотя составляющие редко превышали ПДК (рис. 1в).

Рис. 1.

Среднесуточная массовая концентрация аэрозольных частиц: соотношения в общей массе аэрозоля М массы крупных частиц аэрозоля (М–РМ10), частиц микронной (РМ10–РМ2.5) и мелкодисперсной (РМ2.5) фракций в абсолютных (а) и относительных (б) единицах; фракций размеров РМ10 и РМ2.5 (в), горизонтали – уровни среднесуточных ПДК.

В первые 5 дней рассматриваемого временного отрезка высокие значения концентрации аэрозоля (превышающие ПДК по РМ10) были связаны с атмосферным переносом пыли и аэрозолей горения из районов весенних травяных пожаров (рис. 2), располагавшихся в Тверской, Псковской, Смоленской, а также в Тульской, Калужской и Рязанской областях [37]. Максимальное загрязнение воздуха аэрозольными частицами в Москве в конце марта 2020 г. также зарегистрировали многочисленные станции ГПБУ “Мосэкомониторинг”. В частности, показатели ближайшей к ИФА РАН станции “Спиридоновка” [38] хорошо соответствуют данным по РМ10 и РМ2.5, полученным на площадке ИФА РАН [39]. В остальные дни при довольно прохладной весенней погоде с тихим ветром и небольшими осадками (о метеоданных см. ниже) концентрация аэрозоля была небольшой.

Рис. 2.

Расположение пожаров (красные круги) и траекторий переноса воздуха (последовательности черных точек) к Москве: (а) – 26 марта; (б) – 28 марта. Вертикальная и горизонтальная шкалы – северная широта и восточная долгота соответственно, в градусах.

Анализ дальнего переноса аэрозоля в Москву проводился с помощью обратных траекторий движения воздушных масс, рассчитанных по модели HYSPLIT [36] на сайте Лаборатории воздушных ресурсов ARL NOAA [40] для каждой суточной пробы аэрозоля (по восьми траекториям длительностью 72 ч, построенным через 3 ч на высоту 100 м). На рис. 2 для примера показаны распределения траекторий переноса воздушных масс и очагов пожаров (по данным [37]) для 26 и 28 марта 2020, демонстрирующие вероятные источники аэрозолей, поступавших в эти дни в атмосферу над Москвой из районов с пожарами биомассы.

В табл. 1 представлены средние значения общей массы М, массы частиц РМ10 и РМ2.5, их стандартные отклонения (СКО) и медианы как за весь рассматриваемый период с 25 марта по 3 мая, так и без пяти первых суток. Средние значения М, РМ10 и РМ2.5 в первые 5 сут превосходили соответствующие средние величины, рассчитанные за остальные 35 сут, в 2.9, 4.6 и 3.7 раз. Эти значения и данные табл. 1 указывают на аномальность эпизода 25–29 марта по отношению к остальным рассматриваемым дням, что позволяет нам далее отдельно акцентировать внимание на эпизоде максимального аэрозольного загрязнения атмосферы в Москве весной 2020 г. или, наоборот, исключать эти 5 дней из анализа.

Таблица 1.  

Статистические показатели массового состава аэрозоля (мкг/м3) за весь рассматриваемый период и за 35 сут без эпизода максимального загрязнения в марте

Показатель М РМ10 РМ2.5
Период 25.03–03.05 30.03–03.05 25.03–03.05 30.03–03.05 25.03–03.05 30.03–03.05
Среднее 44.8 36.4 23.1 15.8 6.7 5.0
СКО 30.3 21.4 23.2 8.9 6.2 3.6
Медиана 35.7 32.9 14.6 13.9 4.2 3.9

2.2. Элементный состав аэрозоля

Общая статистика и разнообразие элементного состава. Всего в пробах аэрозоля было определено 65 химических элементов (от Li до U). Для наиболее наглядного представления результатов будем рассматривать 25 элементов, представленных в табл. 2 среднемесячными величинами концентрации в воздухе, относительными стандартными отклонениями от них среднесуточных значений (СКО) и коэффициентами обогащения (КО) среднемесячных концентраций. Отметим сразу, что все среднесуточные показатели находятся ниже уровней соответствующих ПДК для воздуха в городах. Даже 27 марта (проба № 3), когда содержание аэрозоля в воздухе в центре Москвы было максимально (рис. 1а), только среднесуточные значения концентраций Fe и Ca были практически на уровне ПДК для этих элементов.

Таблица 2.  

Некоторые статистические показатели концентрации рассматриваемых химических элементов в воздухе Москвы весной 2020 г.: средняя концентрация С, относительное стандартное отклонение ОСО среднесуточных значений, коэффициент обогащения КО среднемесячных концентраций относительно состава земной коры, коэффициент корреляции R между среднесуточными С и КО за 40 сут

Элементы С, мкг/м3 ОСО, % КО R (С–КО) Комментарии
ЭГР Al 0.76 73 0.4 –0.30 Терригенные Al и La, считающиеся преимущественно морскими Na, Mg, K, Ca, также S и P, имеющие много разных природных и антропогенных источников.
P 0.046 79 2.3 –0.13
S 0.45 70 45 –0.15
Na 0.40 73 0.7 0.08
Mg 0.39 72 1.0 –0.48
K 0.29 68 0.5 –0.21
Ca 2.5 86 4.0 0.15
La 0.00062 82 1.0  
ТМТ Cr 0.0033 83 1.8 –0.27 Элементы, незначительно обогащенные относительно земной коры (КО < 10).
Mn 0.024 76 1.1 –0.50
Fe 1.2 83 1.2 –0.32
Co 0.00058 79 1.5 –0.36
Ni 0.0019 92 1.6 0.02
ТМА Cu 0.013 102 13 –0.02 Элементы преимущественно антропогенного происхождения с КО > 10.
Zn 0.040 70 23 –0.39
Se 0.00029 74 272 0.27
Mo 0.00036 111 15 0.07
Cd 0.00020 98 70 0.34
Sn 0.0018 130 33 0.26
Sb 0.0013 137 129 0.48
W 0.00066 87 23 0.17
Pb 0.0078 104 22 0.47
Bi 8.3E–05 126 429 0.18
РЭ Th 0.00014 82 0.5 0.31 Радиоактивные элементы.
U 5.1E–05 80 0.9 0.20

Примечание. Шрифтом выделены КО > 10 и достоверные величины R для 40 пар величин.

Исследуемые 25 элементов условно разделены нами на 4 группы (табл. 2): элементы глобального распространения (ЭГР), тяжелые металлы и металлоиды преимущественно терригенного (ТМТ) или антропогенного происхождения (ТМА), радиоактивные элементы (РЭ). В первичном анализе еще рассматривались несколько радиоактивных элементов, лантаноиды, редкоземельные элементы и другие. Вариации концентраций всех этих элементов от пробы к пробе были аналогичны терригенным ЭГР (Al и La).

Разделение элементов по группам осуществлялось на основании известных данных о происхождении различных химических элементов, находящихся на частицах атмосферного аэрозоля [9, 41, 42], а также в соответствии с их коэффициентами обогащения КО по отношению к составу земной коры [43–45] (опорный элемент терригенного происхождения La, данные о среднем составе земной коры взяты из [46]). Напомним, что коэффициент обогащения элемента КОэл рассчитывается по концентрациям С следующим образом: КОэл = (Сэл/СLa)проба/(Сэл/СLa)зем.кора. Элементы с КО > 10 в городском аэрозоле обычно относят к антропогенным. Отнесение серы (S) к группе ЭГР обусловлено масштабом ее экологического воздействия на окружающую среду [42], а также высоким содержанием этого элемента в атмосфере над Европой в связи с эмиссиями от промышленных предприятий в виде газообразной двуокиси серы SO2, быстро превращающейся в различные сульфаты на аэрозольных частицах [45].

Несколько контрастных временных зависимостей за период наблюдений величин концентрации элементов из разных выделенных групп приведены на рис. 3. Элементы на диаграммах объединены не по сходству зависимостей, а просто по величине концентрации – для удобства представления. Видно, что все зависимости имеют максимумы в первые 5 сут (эпизод максимального загрязнения) и могут сильно различаться в остальные дни рассматриваемого весеннего интервала.

Рис. 3.

Вариации среднесуточных концентраций некоторых элементов от дня ко дню в период наблюдений.

Корреляция величин концентраций разных элементов в аэрозоле Москвы. Наличие значимых корреляций между величинами концентрации элементов от пробы к пробе может указывать на общее происхождение этих элементов. Однако при этом может отражаться как общее образование элементов в каких-то процессах (общий генезис), так и сходство направлений переноса элементов совершенно разной природы в воздушных потоках, приходящих к пункту наблюдений (общий атмосферный перенос и близкое расположение источников).

Порог статистической значимости коэффициента корреляции N пар значений на уровне 95%-ной достоверности определяется по формуле RN = 2(N – 2)–0.5 [47] (для 40 пар значений R40 = 0.32). Анализ попарной корреляции среднесуточных концентраций элементов показал возможные связи между элементами, представленные схемами на рис. 4.

Рис. 4.

Схемы связей между элементами по величине коэффициента парной корреляции Пирсона R межсуточных вариаций их концентраций. Толстая линия R > 0.95, тонкая – R ≈ 0.85, двойная пунктирная 0.85 < R < 0.95.

ЭГР: Al, Mg, K, Ca, La связаны сильно (R > > 0.95); P связан с Al (0.9 < R < 0.95); S и Na связаны с этой группой слабее (R < 0.9). По характеру межсуточной изменчивости концентрации в воздухе к группе ЭГР примыкают также РЭ с коэффициентами корреляции R > 0.9.

ТМТ: Все элементы, кроме Ni, связаны сильно, что может быть обусловлено их преимущественно терригенной природой (пыль, почва). Ni связан с ними слабее, особенно с Mn (R < 0.9).

ТМА: Cu, Mo, Sn, W, Bi связаны сильно (R > > 0.95); в эту группу с меньшими коэффициентами корреляции входят Zn и Sb (0.9 < R < 0.95). Pb образует группу с Cd и Sb с коэффициентами корреляции (0.82 < R < 0.85); Se практически ни с чем не связан (R < 0.4). Bi и Sn образуют сильно связанную группу с Fe (R > 0.9), к ним примыкает также Ni (R чуть выше 0.9) и связанная с ним сера.

РЭ: связаны сильно между собой (R > 0.98) и, как уже отмечалось, с основной группой ЭГР.

Распределение элементов по размерам аэрозольных частиц. При атмосферном переносе аэрозольные частицы оседают на поверхность под действием механизмов сухого осаждения, а также при вымывании осадками. При этом наиболее крупные и тяжелые частицы удаляются из воздушного потока быстрее, чем мелкие. Поэтому, в общем случае, КО элементов, переносимых преимущественно на мелких аэрозолях, должны быть больше в глобальном масштабе, что и отмечалось еще в [41, 48]. Значения КО могут стать выше для антропогенных элементов, источники которых находятся вблизи пункта наблюдений, в частности в городах и в крупных промышленных районах. Для анализа элементного состава аэрозольных частиц разных размеров на протяжении всего периода интенсивного мониторинга проводился сбор проб аэрозоля 6-каскадным импактором с размерами частиц по каскадам: <0.5; 0.5–1.5; 1.5–2.5; 2.5–4.0; 4.0–6.5; >6.5 мкм. Распределение массы изучаемых элементов по размерам аэрозольных частиц (в целом за весь период наблюдений) показано на рис. 5. Элементы выстроены по увеличению их массы на аэрозолях РМ2.5 (сумма массы на трех каскадах импактора с наиболее мелкими частицами, см. легенду на рис. 5).

Рис. 5.

Распределение массы элементов по размерам аэрозольных частиц. Легенда – диапазоны размеров частиц аэрозоля в каскадах импактора, мкм. Горизонтальная линия соответствует уровню половины массы каждого элемента.

Видно, что элементы делятся на те, у которых меньше (слева от Bi) или больше (вправо, начиная с Bi) 50% массы сосредоточено на аэрозолях РМ2.5. Соответственно, в левой части диаграммы расположены почти все ЭГР, РЭ и ТМТ, а в правой – преимущественно ТМА. Исключение составляют W, Sn (на более крупных частицах) и K, S (на мелких частицах). Можно предположить наличие местных локальных источников вольфрама и олова в городе и, наоборот, преимущественно дальний перенос в атмосфере серы и калия или образование их в городской атмосфере при газофазных реакциях.

2.3. Элементный состав аэрозоля и метеопараметры

Недельный цикл. Как в любом большом мегаполисе, в Москве существуют свои ритмы жизни, самый заметный из которых определяется режимом работы основной массы населения, многих промышленных предприятий и учреждений – это недельный цикл. В данном случае в рассматриваемый период наблюдений вписалось только 5 полных недель. При таком малом их количестве мы исключили из расчетов первые 5 проб аэрозоля с аномально высокими концентрациями практически всех составляющих, чтобы попытаться выявить средние (по 5 значениям) зависимости концентраций элементов от дня недели в наименее “возмущенных” условиях. В результате обнаружено несколько характерных временных зависимостей концентраций элементов в воздухе Москвы в течение недели: Ni, Al, P, убывающие от понедельника к воскресенью, с минимумом в субботу; Sn, S без тренда, с максимумом в пятницу; Th, Se без тренда, но повышающиеся в среду и в пятницу; Pb, Sb с положительным трендом и минимумом в среду. На рис. 6а показаны пять характерных видов недельных зависимостей концентраций элементов.

Рис. 6.

Недельные циклы (за 5 нед.): (а) – концентраций некоторых элементов (для Se и Pb масштабированы под рисунок); (б) – давления p и относительной влажности U воздуха.

Даже на примере показанных на рис. 6а недельных циклов концентраций ряда элементов хорошо видно, что относительный состав аэрозоля в разные дни недели совершенно разный. Возможно, что таким образом аэрозольный состав формируют источники рассматриваемых элементов, как локальные, так и удаленные. Однако следует отметить, что на временные вариации концентраций как аэрозолей в целом, так и отдельных элементов влияют также метеоусловия. Известно, что в Москве характерный период смены барических образований равен 5–7 дням, и на рассматриваемом отрезке наблюдений (40 сут) повышенное давление (p) приходилось как раз на воскресенье, понедельник и вторник (рис. 6б). При этом антициклональные условия соответствовали более высокой температуре и низкой влажности воздуха (U) и, кроме того, способствовали накоплению примесей в нижнем слое атмосферы. Падение давления, приходившееся на середину недели, влечет за собой усиление вертикального перемешивания атмосферы, увеличение влажности и осадки, что способствует очищению атмосферы (табл. 3 и рис. 7). Довольно высокая отрицательная корреляция массы аэрозоля и влажности указывает (табл. 3) на определяющую роль процесса осаждения аэрозоля в изменении его концентрации. Так на рис. 6а все кривые имеют повышенные значения в воскресенье по сравнению с субботой, а влажность воздуха в эти дни меняется как раз наоборот (рис. 6б).

Таблица 3.

Коэффициенты парной корреляции Пирсона давления воздуха р, относительной влажности U, температуры воздуха Т и общей массы аэрозоля М (по всем 40 среднесуточным значениям каждой величины)

  р U Т М
р 1      
U –0.57 1    
Т 0.10 –0.52 1  
М 0.53 –0.70 0.57 1
Рис. 7.

Зависимости массовых концентраций аэрозоля РМ10 и РМ2.5 от влажности воздуха в течение рассматриваемых 40 сут. Выделены точки аномально высокого загрязнения городской атмосферы, соответствующие 27, 28 и 29 марта.

Выделенные на рис. 7 по три точки на графиках РМ10 и РМ2.5 соответствуют пробам за 27–29 марта, когда, как говорилось выше, воздух в Москве был максимально загрязнен выносами из районов весенних травяных пожаров (рис. 2). При этом в Москве наблюдались так называемые неблагоприятные метеорологические условия (НМУ) – высокое давление и низкая влажность, количество отмеченных штилевых условий за эти 5 сут составило 35% (при 15% за все рассматриваемые 40 сут). В это время загрязнения накапливались в приземном воздухе, и повышался индекс загрязнения атмосферы.

Отметим, что в воскресенья и понедельники, при практически постоянном давлении (высоком) и влажности (низкой), некоторые элементы меняют свои концентрации: повышаются концентрации Ni, Al, P и понижаются у Pb, Sb. Это можно трактовать следующим образом: элементы глобального распространения при НМУ накапливаются в воздухе, а элементы местного происхождения могут и снижать свое содержание при ослаблении выбросов источников. Именно для антропогенных Pb и Sb, основным источником которых в городе является транспорт [30], ослабление этого источника в выходные дни естественно. Пока это только гипотеза.

Итак, за столь короткий период наблюдений (пять недель) анализ формирования недельного хода загрязнения атмосферы в городе не позволил достоверно разделить влияние метеоусловий и локальных источников на формирование элементного состава. Необходимо проведение дальнейших наблюдений и анализ элементного состава аэрозоля в Москве в другие сезоны и в другие годы, когда часть антропогенных источников загрязнений в городе не была заведомо ослаблена (транспорт, промышленные предприятия) искусственными ограничениями их деятельности в связи с обеспечением мероприятий по предотвращению распространения вирусной инфекции.

Корреляция между концентрациями элементов и их КО. Интересно, что для некоторых элементов выявлены значимые коэффициенты корреляции между среднесуточными величинами концентрации и КО (выделены шрифтом в табл. 2), рассчитанные по 40 пробам аэрозоля. При этом корреляция положительная для нескольких ТМА – Pb, Sb, Cd (чуть ниже порога значимости коэффициенты корреляции для Se и Th) и отрицательная для некоторых ТМТ и ЭГР – Mn, Mg, Zn, Co (чуть ниже порога значимости корреляции для Fe, Al и Cr). На рис. 8 эти пары для большей наглядности показаны на недельных зависимостях концентраций и КО для соответствующих элементов.

Рис. 8.

Средние недельные зависимости концентрации С (мкг/м3, сплошная линия) и коэффициента обогащения КО (безразм., пунктир) для разных элементов. Коэффициенты корреляции (по всем рассматриваемым 40 пробам) между С и КО меньше нуля для Al, Mn, Zn и больше нуля для Cd, Sb, Pb.

Тем самым еще раз подтверждается преимущественное происхождение соответствующих элементов в городе весной – антропогенное/локальное или терригенное/глобальное (при положительной или отрицательной корреляции между концентрацией и КО). Можно предположить, что элементы, для которых не обнаружены достоверные корреляции концентрации и КО, имеют смешанное происхождение от естественных и антропогенных источников, вклады которых сопоставимы друг с другом и конкурируют в разные дни.

Концентрации элементов, направление ветра и перенос воздушных масс. Поскольку одним из механизмов формирования аэрозольного поля в приземной атмосфере является атмосферный перенос разных масштабов, рассматривались зависимости элементного состава аэрозоля от направления ветра. Для некоторых элементов такие зависимости приведены на рис. 9. Среднесуточное направление ветра рассчитано по стандартным метеоизмерениям на станции Балчуг через каждые 3 часа.

Рис. 9.

Зависимости концентрации (мкг/м3) отдельных элементов от направления ветра: верхний ряд – ЭГР и ТМТ; нижний ряд – ТМА. Сутки со средним ветром направлений ЮВ и ЮЮЗ за период наблюдений не были отмечены.

Подчеркнем, что направление ветра – это не направление, где формируется воздушная масса и ее состав. В данном случае это просто направление ветра, при котором средняя концентрация элемента имеет определенное значение. Воздушная масса обычно переносится не по прямым траекториям, что хорошо видно на рис. 2, поскольку поле ветра в региональном масштабе формируется распределением атмосферных циклонов/антициклонов. При анализе возникновения тех или иных примесей в атмосфере по направлению ветра можно ориентироваться только на ближайшие локальные источники загрязнения. Поэтому на рис. 9 для ЭГР и ТМТ распределение элементов по скорости ветра более равномерное, чем для ТМА, точечные источники которых могут быть на территории самого мегаполиса. Распределение по направлению ветра общей массы аэрозоля, которая фактически определяется элементами с максимальной массой (табл. 2), качественно соответствует распределениям ЭГР (это, например, распределение Mg на рис. 9).

При сопоставлении направления ветра с результатами анализа дальнего переноса воздушных масс по их обратным траекториям можно выделить следующие закономерности для рассматриваемых 40 сут весной 2020 г. В зависимости от скорости ветра, ветры северных румбов могут переносить в Москву воздушные массы из районов вплоть до Кольского п-ова и Скандинавии, а также до Архангельской области и далее на северо-восток. Восточный ветер при циклоне приносил воздух из южных и юго-восточных районов, а при антициклоне – из районов от северо-восточных до северо-западных. Ветры южного и юго-восточного направлений могут нести воздух из юго-восточных районов вплоть до Калмыкии и Прикаспия. А при юго-западных и западных ветрах в Москву могли поступать воздушные массы из западных и северо-западных районов, включая Беларусь, Прибалтику и Санкт-Петербург. Также очень широкий сектор возможных областей влияния охватывается ветрами западного и северо-западного направлений – от северо-запада России до Украины, Беларуси, Прибалтики. Выявление влияния различных территорий и их источников на состав аэрозоля в Москве – одна из задач дальнейших исследований элементного состава аэрозоля в городе.

На элементный состав аэрозоля в Москве весной 2020 г. должны были повлиять ограничения, введенные в городе для противодействия распространению коронавирусной инфекции, и связанная с ними дезинфекция поверхностного слоя почв, дорог, дворов и улиц. В частности, снижение антропогенной нагрузки могло привести к изменению соотношения массы антропогенных и терригенных элементов в аэрозолях, а ежедневная неоднократная промывка и увлажнение городских улиц могли понижать уровень аэрозольного загрязнения приземного слоя атмосферы в дневное время, влияя на среднее содержание аэрозоля. Однако рассмотренный короткий ряд данных пока не позволил достоверно выявить эти эффекты. Для обнаружения надежных изменений в составе аэрозоля необходимо сопоставление с другими сезонами (чтобы учесть внутригодовые вариации) и другими годами (без ограничительных и дезинфекционных мероприятий).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выявлена сильная зависимость физико-химических параметров аэрозолей в приземном воздухе Москвы от синоптических и метеорологических условий, что особенно проявилось в условиях весны 2020 г. при снижении антропогенной нагрузки во время ограничительных мероприятий по нераспространению коронавирусной инфекции. Среднесуточные концентрации частиц РМ10 и РМ2.5, как и всех 65 рассматриваемых химических элементов, не превышали ПДК для жилых территорий, за исключением концентрации частиц РМ10 27–29 марта во время эпизода повышенного загрязнения в городе.

В конце марта 2020 г. аномально высокие значения массовой концентрации различных фракций частиц и всех элементов, аккумулированных в аэрозолях, связаны с неблагоприятными метеорологическими условиями, господством над Московским регионом антициклона, принесшего воздушные массы из соседних областей с очагами пожаров биомассы. В остальное время, в апреле 2020 г., изменчивость состава атмосферного аэрозоля в Москве также была обусловлена в основном природными факторами. Наибольший рост общей массовой концентрации аэрозолей и содержания в них элементов происходил в антициклональных условиях при штиле или тихом ветре южного и юго-юго-восточного направлений.

Данные корреляционного анализа между концентрацией и коэффициентами обогащения элементов подтвердили антропогенное/локальное происхождение ряда тяжелых металлов (Cd, Sb, Pb, Se, Th) и терригенное/глобальное происхождение таких элементов, как Mn, Mg, Zn, Co, Fe, Al, Cr в Москве весной в приземном аэрозоле. Ряд элементов (S, P, K, Na, Ca, Ni, Cu, Mo, Sn, W, Bi, U), для которых не установлены достоверные корреляции между концентрацией и коэффициентами обогащения, видимо, имеет смешанное происхождение от естественных и антропогенных источников, вклады которых сопоставимы друг с другом и конкурируют в разные дни.

Получены первые результаты исследования недельного цикла концентраций элементов в приземном аэрозоле Московского мегаполиса, которые показали изменчивость относительного элементного состава в разные дни недели, что, возможно, обусловлено не только природными факторами, но и влиянием локальных и региональных источников. Влияние метеорологических условий, вариации которых также имели характерный период около недели, проявилось не только в изменчивости массовой концентрации аэрозолей разных размеров, но и в недельном цикле элементного состава. В антициклональных условиях при более высокой температуре и низкой влажности происходило накопление аэрозольных частиц в приземном слое атмосферы, а при падении давления и увеличении относительной влажности воздуха – очищение атмосферы за счет вымывания осадками или коагуляции и осаждения аэрозольных частиц на подстилающую поверхность. Для достоверного разделения влияния источников и метеопараметров на формирование недельного цикла элементного состава будут проведены в дальнейшем более глубокие исследования при сравнении результатов наблюдений за более длительный срок в разные сезоны.

Список литературы

  1. Seinfeld J.H., Pandis S.N. Atmospheric chemistry and physics: from air pollution to climate change, 2nd Edition. New York: Wiley, USA, 2006. 1232 p.

  2. Кондратьев К.Я, Ивлев Л.С., Крапивин В.Ф. Атмосферные аэрозоли: Свойства, процессы образования и воздействия. От нано- до глобальных масштабов. СПб.: ВВМ, 2007. 858 с.

  3. Гинзбург А.С., Губанова Д.П., Минашкин В.М. Влияние естественных и антропогенных аэрозолей на глобальный и региональный климат // Рос. хим. журн. 2008. Т. LII. № 5. С. 112–119.

  4. Schroeder W.H., Dobson M., Kane D.M., Johnson N.D. Toxic trace elements associated with airborne particulate matter: A review // JAPCA. 1987. V. 37. № 11. P. 1267–1285.

  5. Rasmussen P.E. Long-range atmospheric transport of trace metals: the need for geoscience perspectives // Environ. Geology. 1998. V. 33. № 2/3. P. 96–108.

  6. Остромогильский А.Х., Петрухин В.А. Тяжелые металлы в атмосфере: источники поступления и методы оценки их влияния // Мониторинг фонового загрязнения природных сред. Вып. 2. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. С. 56–70.

  7. Barrie L.A. Aspects of atmospheric pollutants origin and deposition revealed by multielemental observations at a rural location in Eastern Canada // J. Geophys. Res. 1988. V. 93. № D4. P. 3773–3788.

  8. Maenhaut W., Cornille P., Pacyna J.M., Vitols V. Trace element composition and origin of the atmospheric aerosol in the Norwegian Arctic // Atm. Environ. 1989. V. 23. № 11. P. 2551–2569.

  9. Pacyna J.M. Source inventories for atmospheric trace metals // Atmospheric Particles, Ed. by R.M. Harrison, R. Van Grieken, 1998. P. 385–423.

  10. Vinogradova A.A. Anthropogenic pollutants in the Russian Arctic atmosphere: sources and sinks in spring and summer // Atmos. Environ. 2000. V. 34. № 29–30. P. 5151–5160.

  11. Salvador P., Artíñano B., Pio C., Afonso J., Legrand M., Puxbaum H., Hammer S. Evaluation of aerosol sources at European high altitude background sites with trajectory statistical methods // Atmos. Environ. 2010. V. 44. P. 2316–2329.

  12. Губанова Д.П., Кудерина Т.М., Чхетиани О.Г., Иорданский М.А., Обвинцев Ю.И., Артамонова М.С. Экспериментальные исследования аэрозолей в атмосфере семиаридных ландшафтов Калмыкии. 2. Ландшафтно-геохимический состав аэрозольных частиц // Геофизические процессы и биосфера. 2018. Т. 17. № 3. С. 18–44.

  13. Трефилова А.В., Артамонова М.С., Кудерина Т.М., Губанова Д.П., Давыдов К.А., Иорданский М.А., Гречко Е.И., Минашкин В.М. Химический состав и микрофизические характеристики аэрозоля г. Москвы и Подмосковья в июне 2009 г. и на пике пожаров 2010 г. // Геофизические процессы и биосфера. 2012. Т. 11. № 4. С. 65–82.

  14. Абдуллаев С.Ф., Маслов В.А., Назаров Б.И., Мадвалиев У., Давлатшоев Т. Содержание элементов в пробах почв и пылевого аэрозоля в Таджикистане // Оптика атмосферы и океана. 2015. Т. 28. № 2. С. 143–152.

  15. Артамонова М.С., Губанова Д.П., Иорданский М.А., Лебедев В.А., Максименков Л.О., Минашкин В.М., Обвинцев Ю.И., Чхетиани О.Г. Вариации массовой концентрации и состава приземного аэрозоля степной зоны юга России в летний период // Геофизические процессы и биосфера. 2016. Т. 15. № 1. С. 5–24.

  16. Виноградова А.А., Малков И.П., Полиссар А.В., Храмов Н.Н. Элементный состав приземного атмосферного аэрозоля арктических районов России // Изв. АН. Физика атмосферы и океана. 1993. Т. 29. № 2. С. 164–172.

  17. Vinogradova A.A., Malkov I.P., Polissar A.V. Investigation of the Arctic aerosol pollution // Optical Monitoring of the Environment. SPIE. 1993. V. 2107. P. 203–211.

  18. Shevchenko V., Lisitzin A., Vinogradova A., Stein R. Heavy metals in aerosols over the Seas of the Russian Arctic // Sci. of the Total Environ. 2003. V. 306. P. 11–25.

  19. Куценогий К.П., Куценогий П.К. Аэрозоли Сибири. Итоги семилетних исследований // Сибирский экологический журн. 2000. № 1. С. 11–20.

  20. Аршинов М.Ю, Белан Б.Д., Рассказчикова Т.М., Симоненков Д.В. Влияние города Томска на химический и дисперсный состав атмосферного аэрозоля в приземном слое // Опт. атмос. океана. 2008. Т. 21. № 6. С. 487–491.

  21. Бортников В.Ю., Букатый В.И., Рябинин И.В., Семенов Г.А. Микрофизические параметры и элементный состав атмосферного аэрозоля в г. Барнауле в 2006–2008 гг. // Изв. Алтайского госуниверситета. 2009. Т. 61. № 1. С. 106–110.

  22. Ровинский Ф.Я., Петрухин В.А. Фоновое содержание металлов в приземном слое атмосферы // Ядерно-физические методы анализа в контроле окружающей среды. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. С. 8–19.

  23. Лукашин В.Н., Новигатский А.Н. О химическом составе аэрозолей в приводном слое атмосферы Среднего Каспия зимой и осенью 2005 г. // Океанология. 2013. Т. 53. № 6. С. 813–824.

  24. Волох А.А., Журавлева М.Г. Оценка техногенного загрязнения воздуха в г. Москве // Изв. АН. Физика атмосферы и океана. 1994. Т. 30. № 2. С. 182–188.

  25. Огородников Б.И. Характеристики аэрозолей пограничного слоя атмосферы над Москвой // Изв. АН. Физика атмосферы и океана. 1996. Т. 32. № 2. С. 163–171.

  26. Andronova A.V., Iordanskii M.A., Trefilova A.V., Lebedev V.A., Minashkin V.M., Obvintsev Yu.I., Artamonova M.S., Granberg I.G. Comparative Analysis of Pollution of the Surface Atmospheric Layer in Such Megalopolises as Moscow and Beijing // Izv., Atmos. Ocean. Phys. 2011. V. 47. № 7. P. 25–33.

  27. Губанова Д.П., Беликов И.Б., Еланский Н.Ф., Скороход А.И., Чубарова Н.Е. Изменчивость приземной концентрации аэрозолей РМ2.5 в г. Москве по наблюдениям в Метеорологической обсерватории МГУ // Опт. атмос. океана. 2017. Т. 30. № 12. С. 1033–1042.

  28. Gubanova D.P., Iordanskii M.A., Anikin P.P., Kuderina T.M., Skorokhod A.I., Elansky N.F. Elemental composition and mass concentration of near surface aerosols in Moscow region during unusual weather conditions in the fall 2019 // Proc. SPIE. 2020. 11560, 26th International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics, Atmospheric Physics, 115604M (12 November 2020). https://doi.org/10.1117/12.2575578

  29. Gubanova D.P. Elansky N.F., Skorokhod A.I., Kuderina T.M., Iordansky M.A., Sadovskaya N.V., Anikin P.P. Physical and chemical properties of atmospheric aerosols in Moscow and its suburb for climate assessments // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2020. 606 012019. https://doi.org/10.1088/1755-1315/606/1/012019.

  30. Власов Д.В., Касимов Н.С., Кошелева Н.Е. Геохимия дорожной пыли (Восточный округ Москвы) // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2014. № 3. С. 23–33.

  31. Кошелева Н.Е., Дорохова М.Ф., Кузьминская Н.Ю., Рыжов А.В., Касимов Н.С. Влияние автотранспорта на экологическое состояние почв в западном административном округе Москвы // Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 5. География. 2018. № 2. С. 16–27.

  32. Kasimov N.S., Vlasov D.V., Kosheleva N.E. Enrichment of road dust particles and adjacent environments with metals and metalloids in eastern Moscow // Urban Climate. 2020. V. 32. P. 100638. https://doi.org/10.1016/j.uclim.2020.100638

  33. Карандашев В.К., Туранов А.Н., Орлова Т.А., Лежнев А.Е., Носенко С.В., Золотарева Н.И., Москвина И.Р. Использование метода масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой в элементном анализе объектов окружающей среды // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2007. Т. 73. № 1. С. 12–22.

  34. https://rp5.ru.

  35. https://www.windy.com/ru.

  36. Draxler R.R., Hess G.D. An overview of the HYSPL-IT_4 modeling system for trajectories, dispersion, and deposition // Aust. Met. Mag. 1998. V. 47. P. 295–308.

  37. https://fires.ru.

  38. https://mosecom.mos.ru/spiridonovka/

  39. Губанова Д.П., Скороход. А.И., Минашкин В.М., Иорданский М.А. Изменчивость приземного аэрозоля в Москве при снижении антропогенной нагрузки весной 2020 года // Турбулентность, динамика атмосферы и климата. Всероссийская конференция, посвященная памяти академика Александра Михайловича Обухова. 10–12 ноября 2020 года. Сборник тезисов докладов. М.: Физматкнига, 2020. С. 108.

  40. www.arl.noaa.gov.

  41. Milford J.B., Davidson C.I. The sizes of particulate trace elements in the atmosphere – A review // JAPCA. 1985. V. 35. № 12. P. 1249–1260.

  42. Иванов В.В. Экологическая геохимия элементов: Справочник в 6 кн. М.: Недра, 1994. Кн. 2: Главные р-элементы. 303 с.

  43. Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. М.: Астрея-2000, 1999. 610 с.

  44. Петрухин В.А., Бурцева Л.В., Лапенко Л.А., Чичева Т.Б., Виженский В.А., Комарденкова И.В. Фоновое содержание микроэлементов в природных средах по мировым данным. Сообщение 5 // Мониторинг фонового загрязнения природных сред. Вып. 5. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. С. 4–27.

  45. Касимов Н.С. Экогеохимия.ландшафтов. М.: ИП Филимонов М.В., 2013. 208 с.

  46. Добровольский В.В. Биогеохимия мировой суши / Избр. Труды. Т. III. М.: Научный мир, 2009. 440 с.

  47. Пановский Г.А., Брайер Г.В. Статистические методы в метеорологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1972. 209 с.

  48. Pacyna J.M., Bartonova A., Cornille P., Maenhaut W. Modeling of long-range transport of trace elements. A case study // Atmos. Environ. 1989. V. 23. № 1. P. 107–114.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Физика атмосферы и океана

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал