ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2011, том 47, № 1, с. 64-72
УДК 551.510.4:551.588.7
ВАРИАЦИИ СОДЕРЖАНИЯ ОКИСИ УГЛЕРОДА В АТМОСФЕРЕ
МОСКОВСКОГО МЕГАПОЛИСА
© 2011 г. В. С. Ракитин, Е. В. Фокеева, Е. И. Гречко, А. В. Джола, Р. Д. Кузнецов
Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017Москва, Пыжевский пер., д. 3 E-mail: vadim@ifaran.ru, efokeeva@ifaran.ru, eigrechko@gmail.com Поступила в редакцию 10.12.2009 г., после доработки 15.03.2010 г.
Представлены результаты измерений общего содержания окиси углерода (CO) в центре Москвы в период 2005—2008 гг., которые сопоставляются с аналогичными данными, полученными в Москве в 1986—2005 гг. и Пекине в 1992—2007 гг. Использовались два одинаковых измерительных комплекса, состоящих из дифракционного спектрометра среднего разрешения (0.2 см-1) и следящей за солнцем системы. Измерения содержания проводились одновременно в двух пунктах, в городе и на Звенигородской региональной фоновой станции (ЗНС), расположенной в 54 км к западу от Москвы. Такой подход позволяет выделить городскую часть содержания CO. Непрерывные измерения параметров атмосферного пограничного слоя с помощью акустического локатора-содара ЛАТАН-3 позволили изучить влияние условий выноса примеси с поверхности на величины загрязнения. Получены коэффициенты корреляции городской части содержания со скоростью ветра для холодного и теплого сезонов. Наибольшее влияние на содержание примеси в городе оказывает скорость ветра в приземном слое воздуха 0-300 м. Городская часть общего содержания окиси углерода в Москве в период 1986-2005 гг. в целом не увеличилась, несмотря на более чем пятикратное увеличение числа автомобилей. Отмечавшийся в 70-80 гг. ХХ века рост фонового содержания окиси углерода в московском регионе сменился стабилизацией в период 2001-2006 гг. и спадом в 2007-2008 гг. Можно отметить 2008 г. как год наименьшего фонового содержания CO за последнее десятилетие. Влияние мегаполиса на формирование регионального фона на ЗНС оказалось незначительным, 3% от общего числа измерений. Для Москвы число дней с экстремальными значениями содержания CO составляет менее 6%, для Пекина - более 20%.
Ключевые слова: окись углерода, спектроскопический метод, городская часть содержания, фоновое содержание, временные тенденции.
ВВЕДЕНИЕ
Окись углерода (СО) является токсичным газом, присутствие которого в воздухе в высоких концентрациях оказывает отрицательное воздействие на здоровье людей. Крупные города, в которых окись углерода выделяется в основном автомобильным транспортом, являются источниками СО большой интенсивности. Под влиянием метеорологических и орографических факторов СО может накапливаться в городской атмосфере. Концентрации окиси углерода при этом могут достигать высоких значений не только у поверхности, но и на уровнях нескольких сотен метров.
Окись углерода играет важную роль в атмосферных фотохимических процессах [1, 2]. Вступая в реакции с окислами азота и гидроксилом, СО может приводить к образованию приземного озона [2, 3], но в то же время увеличение содержания СО приводит к разрушению гидроксила и озона в тропосфере в целом [3—5].
В настоящее время изучение загрязнения городского воздуха малыми газами, в том числе и СО, ведется в основном с помощью определения локальных концентраций примесей. Сложность данного подхода к оценке общегородского загрязнения состоит в необходимости измерений в большом количестве наблюдательных пунктов, поскольку величина измеренной концентрации примесей подвержена влиянию локальных источников.
Спектроскопический метод измерений содержания окиси углерода в атмосфере по поглощению проходящего солнечного излучения используется уже на протяжении нескольких десятилетий. Достоинство данного метода состоит в том, что полученные результаты являются усредненными по столбу атмосферы и мало зависят от локальных источников [6]. Кроме того, метод позволяет путем сравнения величин содержания окиси углерода в двух пунктах (в городе и на фоновой станции) определить городскую часть содержания СО в атмосфере [7, 8].
1E + 19 9E + 18
<2 8E + 18 -
> 7E + 18 о
^ 6E + 18 О
U 5E+18 § 4E + 18
та
! 3E + 18
3 2E + 18 1E + 18
2005
2006
2007 Годы
2008
2009
Рис. 1. Среднедневные значения содержания СО в Москве и среднемесячные значения содержания на ЗНС.
Представленная работа является продолжением серии статей по изучению городских и региональных вариаций содержания окиси углерода в воздушном бассейне московского мегаполиса, в которых был проведен анализ результатов измерений общего содержания СО в атмосфере г. Москвы и на Звенигородской научной станции (ЗНС) Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН [7, 8]. В ней анализируются тенденции поведения окиси углерода в воздушном бассейне Москвы в 1986— 2008 гг. и на ЗНС в 1974—2008 гг. Получен сезонный ход городской части содержания СО. Исследовано влияние Москвы на формирование регионального фона. Проведен сравнительный анализ содержаний окиси углерода в атмосфере мегаполисов Москвы и Пекина.
МЕТОДИКА И АППАРАТУРА
Для измерений в Москве и на ЗНС использовался дифракционный спектрометр, оснащенный следящей за солнцем системой. Разрешение спектрометра в области 2152—2160 см-1, где расположена основная полоса поглощения СО, составляет 0.2 см-1. Результаты измерений общего содержания СО в толще атмосферы выражаются в атм.см (1 атм.см = 2.687 х 1019 мол/см2). Приземная концентрация измерялась с помощью газоанализатора " Палладий-3" непосредственно в московском пункте наблюдений. Для определения профилей скорости ветра и анализа вертикальной структуры атмосферного пограничного слоя применялся разработанный в Институте физики атмосферы (ИФА) содар ЛАТАН-3, обладающий повышенной устойчивостью к акустическим шумам [9]. Диапазон высот принимаемого сигнала 20-600 м с разре-
шением 20 м по высоте. Для измерений содержания субмикронного аэрозоля и сажи применялись нефелометр и пробоотборники, осаждающие сажу на кварцевые фильтры. Вся эта измерительная аппаратура располагалась непосредственно на открытой измерительной площадке ИФА, спектрометр для измерений фонового содержания окиси углерода — на Звенигородской научной станции (ЗНС), расположенной в 54.3 км к западу от ИФА. Для оценки влияния промышленных регионов на фон и выявления случаев заноса загрязненного воздуха использовался метод расчета обратных траекторий движения воздушных масс (NOAA HYSPLIT MODEL: www.arl.noaa.gov/ready).
ВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ.
ОЦЕНКА ТРЕНДОВ
На рис. 1 представлены среднедневные значения общего содержания окиси углерода в Москве в период с 2005 по 2008 гг., а также для сравнения среднемесячные значения фонового содержания СО, полученные по результатам измерений в Звенигороде. Наиболее высокие (экстремальные) значения содержания СО в Москве наблюдаются, как правило, в холодное время года (с ноября по апрель) при продолжительных антициклональных ситуациях.
Период 2006-2008 гг. характеризуется постепенным уменьшением количества экстремальных значений содержания СО, а также некоторым спадом его среднегодовых значений содержания 6^ород и городской части содержания СО в толще атмосферы А и = игород — ифон в Москве (рис. 1, 2). На рис. 2 представлены результаты измерений содержания СО на ЗНС в 1974-2008 гг. и в Москве в период 1986—2008 гг. Несмотря на более чем пятикратное
0.12 ,0.10
^ 0.08
о"
о
§ 0.06 ни
а
е
д о
о
0.02
0
□ □ □
I-Городская часть
содержания СО, Москва, все значения
|==| Городская часть содержания СО, Москва, без экстр. значений п 3НС, содержание СО
J_I I I_1111_I......
г, П П □ □
□ -□
4000 3500 .
с ты
3000 1 й е
2500 ил
ю
о
2000 ом
т в
1500 £
в ст
1000 ес ч ли
500 ол
К
0
1972 1976 1980 1984 1988 1992 1996 2000 2004 2008
Годы
Рис. 2. Долговременные тенденции поведения окиси углерода. Городская часть содержания в Москве, общее содержание на ЗНС, и количество автомобилей в Москве.
увеличение количества автомобилей в Москве, содержание окиси углерода за это время не возросло. Обнаружен небольшой отрицательный тренд (для содержания СО на ЗНС около 0.4% в год, 1974— 2008 гг., для городской части содержания СО — 0.6% в год, 1986—2008 гг.), что также отмечается другими исследователями [10]. Следует отметить аномально низкое содержание СО в 2006—2008 гг., повлиявшее на оценку трендов.
В работе [7] приведены распределения по частотам повторяемости А и СО для холодного (с ноября по апрель) и теплого (с мая по октябрь) сезонов для 1993—2005 гг. По данным [7], повторяемость экстремальных, т.е. превышающих 0.110 атм.см, значений А идля холодного сезона более чем в 2 раза выше по сравнению с теплым (7% против 3%). Как видно из рис. 3, в последние годы (2005—2007) заметна тенденция к увеличению количества невысоких значе-
ний городской части содержания и уменьшению повторяемости экстремальных величин.
В связи с тем, что для определения городской части содержания СО используются данные измерений на ЗНС, расположенной в относительной близости от Москвы, возникает вопрос о правомерности использования этих данных в качестве регионального фона и о влиянии Москвы на формирование регионального фона окиси углерода. Для оценки этого влияния были выделены все дни 2006—2008 гг (рис. 4) с относительно высокими значениями фонового содержания СО (превышение над средними для соответствующего периода величинами на 20% и более), и для всех выделенных таким образом 28 дней проведен траекторный анализ. Расчет обратных траекторий проводился для уровней 100—200, 1000 и 3500 м над уровнем моря. Оказалось, что только в 8 случаях (из 250 измерительных дней) воздушные массы пришли
30 г
25
20
ем15
я р
тор10
в
о
С 5
0
□ 1993-
□ 2005-
2005 гг. 2007 гг.
1Пе
—■ ■■—■—■ ■—11
J_1ЕЫ_I-
0.01 0.04 0.07 0.10 0.13 0.16 0.19 Городская часть содержания СО, атм.см
07.02.2006
0.20 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04
Г/
т
а О,
С е и н
а жа
ер0.02
д
о0 С 2006
30.07.2006 /
Влияние Москвы Дальний перенос
2007
2008
2009
Годы
Рис. 3. Повторяемость городской части содержания СО в атмосфере г. Москвы.
Рис. 4
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.