Статья: Озон, оксиды серы и азота в приземной атмосфере на Байкальской природной территории

Лимнологический институт СО РАН

Озон, оксиды серы и азота в приземной атмосфере на Байкальской природной территории

О.И. Хуриганова, В.А. Оболкин,

Л.П. Голобокова, Т.В. Ходжер,

В.Л. Потемкин

Иркутск

Аннотация

Приводятся результаты исследования пространственной и временной динамики концентраций основных загрязняющих газовых примесей (0₃, Б0₂, N0,,) в 2015-2016 гг. на трех постоянных станциях мониторинга атмосферы на Байкальской природной территории, которая расположена на юге Восточной Сибири. Измерения в режиме мониторинга выполнены пассивным (диффузный), принудительным (прокачивание через фильтры) и прямым (с использованием газоанализаторов) методами, между которыми наблюдается хорошая корреляция - в пределах от 0,7 и выше.

Результаты исследований подтвердили выявленные ранее тенденции годового хода в распределении озона в приземной атмосфере на станциях мониторинга: максимальные значения концентрации озона наблюдаются весной (март - апрель), минимальные - осенью (сентябрь - октябрь). Средние концентрации озона в городских условиях (Иркутск) существенно ниже, чем на станциях Монды и Листвянка. Кратковременные колебания концентрации приземного озона в городских условиях зависят от содержания оксидов серы и азота антропогенного характера, в отличие от фоновых районов, где концентрации озона в течение года высокие. Содержание диоксидов серы и азота в городских и сельских районах значительно подвержено сезонным и межгодовым колебаниям в зависимости от температуры воздуха, изменяясь как в течение года (зимой - выше, летом - ниже), так и от года к году (в холодные годы - больше, в теплые - меньше). На станции Листвянка повышенное содержание анализируемых газов определяется и в теплый период года. Это связано с высокой рекреационной нагрузкой поселка как одной из самых больших туристических зон на Байкале в Иркутской области.

Ключевые слова: озон, газовые примеси, методы измерения, станции мониторинга, атмосфера.

Annotation

Ozone and Oxides of Sulfur and Nitrogen in the Near-Surface Atmosphere above the Baikal Natural Territory

O. I. Khuriganova, V. A. Obolkin, V. L. Potemkin, P. Golobokova, T. V. Khodzher

Limnological Institute SB RAS, Irkutsk

Spatial and time dynamics of concentrations of the major gaseous impurities (O₃, SO₂ and NO_x) were studied in 2015-2016 at three monitoring sites located on the Baikal Natural Territory (BNT) in the south of East Siberia. The authors used passive (diffusive), forced (filtration) and direct (gas analyzers) methods in the investigations with the correlation of 0.7 and higher.

The results obtained confirmed patterns of annual trends in the ozone distribution in the nearsurface atmosphere at monitoring sites: maximal concentrations in spring (March-April) and minimal values in autumn (September-October). Mean concentrations of ozone were substantially lower at the urban site Irkutsk than at background site Mondy and rural site Listvyanka. Short-term fluctuations of ozone concentrations under urban conditions depended on the concentrations of sulfur and nitrogen oxides of anthropogenic character contrary to the background areas, where ozone concentrations were high during a year. The concentrations of sulfur and nitrogen dioxide in the urban and rural areas subjected significantly to seasonal and inter-annual fluctuations depending on air temperature varying during a year (in winter they were higher and in summer lower) and from year to year (in cold years higher and in warm years lower). At the site Listvyanka, the elevated concentrations of these gases were also recorded in the warm period. This is attributed to high recreational load of the settlement of Listvyanka as one of the largest tourist areas at Lake Baikal in the Irkutsk region.

Keywords: ozone, gas impurities, measurement methods, monitoring sites, atmosphere

Введение

Около 10 % содержания общего озона в атмосфере приходится на тропосферный слой атмосферы. Тропосферный озон обладает рядом свойств, негативно влияющих на биоту Земли [Котельников, 2015; Актуальность проблемы тропосферного..., 2015]. Эти свойства озона требуют детального исследования его пространственно-временной изменчивости и понимания механизмов генерации и деструкции в нижних слоях атмосферы (приземный, пограничный слои). В последнее время происходит повышение концентрации тропосферного (приземного) озона, что вызывает пристальное внимание исследователей различных стран к его анализу [Akimoto, 2006; Increasing background ozone..., 2000; Lin J.-T., Patten K. O., 2007; Eurasian continental background..., 2004]. Источниками генерации тропосферного озона принято считать интрузию из стратосферы; фотохимические реакции с вовлечением газов-предшественников, таких как оксиды углерода и летучие органические соединения; образование при молниевых разрядах. В длительном временном масштабе причиной роста концентраций тропосферного озона считается общее увеличение загрязненности атмосферы. Стоку озона в пограничном слое способствуют такие факторы, как фотолиз, взаимодействие с газовыми компонентами за счет окислительных свойств (озонолиз), взаимодействие с аэрозолем, сухое осаждение и вымывание осадками [Белан, 2010].

Актуальности проблемы тропосферного озона и малых газовых составляющих (МГС) на территории Российской Федерации уделяется большое внимание [Актуальность проблемы тропосферного..., 2015; Звягинцев, Ка- каджанова, Тарасова, 2010; Озон и окислы азота..., 2011]. Активные наблюдения за содержанием озона и МГС в приземном и пограничном слоях атмосферы проводятся на территориях Западной [Белан, 2010; Белан, Савкин, Толмачев, 2017] и Восточной [Исследование процессов распространения..., 2006; Измерения концентрации приземного..., 2011; Regional background ozone..., 2003] Сибири.

Также особое внимание уделяется исследованию Байкальской природной территории (БПТ), располагающейся на юге Восточной Сибири. БПТ включает в себя озеро Байкал - крупнейший резервуар пресной воды, объект Всемирного наследия ЮНЕСКО. В связи с этим важнейшей задачей является охрана оз. Байкал, воздушного бассейна озера и прилегающей территории. загрязнение атмосфера газовый озон

На БПТ находятся крупные промышленные центры, загрязняющие атмосферу различными выбросами от ТЭЦ, работающих на угле; предприятия нефтехимии, металлургии, целлюлозно-бумажной промышленности и другие производства, автотранспорт являются источниками SO₂ и NO_K. Как и озон, диоксид серы и окислы азота в приземном слое атмосферы обладают рядом негативных свойств, влияющих на живые организмы, растения и материалы различной природы.

Целью данной статьи стал анализ результатов измерений озона и МГС на станциях мониторинга атмосферы БПТ с использованием различных методов и средств измерений. Полученные результаты могут быть полезны для верификации и совершенствования методов математического моделирования загрязнения атмосферы на БПТ.

Объекты и методы исследования

На БПТ измерение концентраций озона и МГС атмосферы проводилось на трех станциях мониторинга атмосферы, существенно различающихся как по физико-географическим условиям, так и по степени антропогенного влияния. Все станции входят в международную азиатскую сеть мониторинга EANET (East Asia Network for Acid Deposition Monitoring).

Станция Иркутск (52,3° с. ш.; 104,4° в. д.) - крупный промышленный город Восточной Сибири, испытывающий все виды антропогенной нагрузки.

Станция Листвянка (51,9° с. ш.; 104,7° в. д.) расположена на западном побережье оз. Байкал в 60 км на юго-восток от г. Иркутска и представляет сельские районы, испытывающие как локальное, так и периодическое влияние промышленных источников (в частности, Иркутска, Ангарска). В последние годы пос. Листвянка широко используется в целях отдыха и туризма.

Станция Монды (51,6° с. ш.; 101,0° в. д.) входит в сеть фоновых станций России, расположена в высокогорном районе (2005 м над у. м.), в верховьях р. Иркута, и удалена от антропогенных источников на 200-300 км.

Отбор проб и измерения газов проводились по методике, принятой в международной сети EANET. Использовались три метода отбора газовых примесей: пассивный (диффузный), принудительный (прокачивание воздуха через импрегнированные фильтры) и прямой (автоматический анализ in situ).

Принцип работы пассивного пробоотборника заключается в накоплении загрязнителя в теле импрегнированного фильтра (табл. 1) путем химической или физической абсорбции.

Таблица 1

Поглотители для импрегнирования фильтров, определяемые ионы

Экспозиция фильтра осуществлялась в течение двух недель. Фильтры после отбора проб озона вынимали из пробоотборника, помещали в пластиковые пробирки, которые плотно закрывали крышками. Экстракцию экспонированного на фильтре вещества выполняли бидистиллированной водой. Экстракт фильтровали через мембранный фильтр с диаметром пор 0,45 мкм и методом ионной хроматографии определяли соответствующий ион. Расчет газов проводили по формулам, приведенным ниже:

Примечание. T - средняя температура за период экспозиции (°C); P - (2PN / (PT + PN))^2/3; PN - давление водяного пара при 20 °С (17,535 mmHg); Pt - давление водяного пара при средней температуре (mmHg); RH - относительная влажность (%); t - время экспозиции (мин)

Метод позволяет оценить интегральное содержание конкретного газа за весь промежуток отбора.

Принудительный метод осуществлялся согласно методике, разработанной в программе EANET (2003). Пробы отбирались на четыре типа фильтров. Первый, тефлоновый фильтр (PTFE) использовался для отбора аэрозольного вещества, свойства которого в данной работе не рассматриваются. Второй, нейлоновый (полиамидный) фильтр PALL ULTIPOR предназначен для адсорбции азотной кислоты и частично диоксида серы, хлористоводородной кислоты, аммиака. Третий, целлюлозный фильтр

ADVANTEC 51A, пропитанный карбонатом калия, применяется для нейтрализации диоксида серы и хлористоводородной кислоты, прошедших через второй фильтр. Четвертый, целлюлозный фильтр (ADVANTEC 51A) пропитан фосфорной кислотой для нейтрализации аммиака, прошедшего через 2- й-3-й фильтры, динамика концентраций которого, как и аэрозольного вещества, в данной работе не приводится. Экстракты веществ со 2-3-го фильтров, аналогично пассивному методу, определялись методом ионной хроматографии (табл. 2).

Таблица 2

Спецификация фильтров при прокачивании воздуха через фильтродержатель

Анализ проб выполняли на ионном хроматографе ICS-3000 (Dionex, США) с последующим расчетом концентрации озона и газовых примесей согласно табл. 1. Качество выполняемых анализов подтверждалось участием в международном контроле качества данных по программам WMO (World Meteorological Organization), EMEP (European Monitoring and Evaluation Programme) и EANET.

Прямое измерение озона на станциях Монды и Листвянка проводилось оптическим озонометром Dylec Model 1007 - AHJ (Япония) с временным разрешением 5 мин. Прямое измерение оксидов азота и серы осуществлялось только на станции Листвянка на газоанализаторах фирмы «ОПТЭК» Р-310-А и СВ-320-А (Россия). Используемые газоанализаторы ежегодно проходят поверку в Государственном региональном центре стандартизации, метрологии и испытаний в г. Санкт-Петербурге и Ленинградской области (ФБУ «Тест - С.-Петербург»). Параллельно велась автоматическая регистрация интенсивности суммарной солнечной радиации (как одного из основных факторов фотохимического образования озона), атмосферного давления, влажности, направления и скорости ветра.

Результаты

Озон. При сравнении результатов 2015-2016 гг. с ранее полученными данными [Концентрации озона в приземном..., 2015] на трех станциях мониторинга по данным пассивного и прямого измерений сезонный ход концентрации озона остается прежним: максимум весной, минимум осенью. Средние годовые концентрации приземного озона в городских условиях остаются более низкими по отношению к сельским и фоновым. В работах [Измерения концентрации приземного..., 2011] были показаны основные причины весеннего максимума и осеннего минимума на станциях наблюдения.