Атмосферные осадки над городами и регионами России
П.Ф.Свистов, А.И.Полищук
В крупных городах и промышленных центрах уже давно не выпадают естественные чистые атмосферные осадки. Дождь и снег несут в себе частицы самых разных химических элементов, в том числе опасных для человека. Атмосферная влага всего за 8—10 сут впитывает все, что выбросил большой город, и в определенный момент продукты антропогенной деятельности в виде сульфатов, нитратов и растворенного в воде аммиака проливаются на землю.
Данные о химическом составе осадков в различных регионах России публикуются уже более 50 лет. В нашей стране существует сеть специализированных станций, на которых регулярно отбираются пробы, и несколько лабораторий, где определяются кислотность, электропроводность и общее содержание макро- и микроэлементов в дождевой воде. Попытаемся разобраться, что же именно несут в себе дождь и снег в разных регионах и насколько они опасны.
Фоновые значения
Атмосферные осадки всегда имеют фиксированный нижний уровень минерализации, который определяется содержанием
© Свистов П.Ф., Полищук А.И., 2014
Петр Филиппович Свистов, кандидат географических наук, старший научный сотрудник отдела мониторинга и исследований химического состава атмосферы Главной геофизической обсерватории им.А.И.Воейкова (Санкт-Петербург), химик-аналитик. Многие годы занимается химической географией атмосферных вод.
Алла Ильинична Полищук, кандидат физико-математических наук, начальник информационно-аналитического центра той же обсерватории. Область научных интересов — мониторинг загрязнения атмосферы.
в воздухе углекислого газа. Чистая равновесная (находящаяся в равновесии с окружающим воздухом) вода при температуре 20°С имеет электропроводность около 1 мкСм/см, а ее минерализация (сумма ионов) составляет 0.5 мг/л. Растворенные в воде природные газы и аэрозоли доводят минерализацию осадков до 3 мг/л, а величину pH — до 5.6. По существу эти величины — климатические постоянные, т.е. устойчивые, консервативные характеристики состояния среды. Их можно считать глобальным фоном минерализации и кислотности атмосферных осадков. Повторяемость осадков с такими показателями в континентальной России не превышает 1%.
Изменение фоновых характеристик естественных осадков может происходить лишь в результате продолжительного воздействия природных и антропогенных факторов. В свою очередь оно способно влиять на развитие долгопериодных процессов в атмосфере, приводящих к климатическим эффектам. Изучением глобального фона минерализации и кислотности осадков занимается
международная сеть фонового мониторинга, в состав которой входят девять станций Российской Федерации.
Существует и региональный фон. Это характеристики осадков над конкретной территорией, они напрямую зависят от физико-географических условий и могут часто меняться в пространстве и времени под влиянием, например, циркуляционных процессов.
Каждое измеренное значение содержания примесей в осадках складывается из фоновой и добавочной частей. И именно добавочная концентрация, которая может значительно превышать фоновую, определяет большую изменчивость общего содержания различных примесей в дожде и снеге.
Урбанизированные осадки
Загрязненные (техногенные) осадки несут невероятное количество химических элементов, многие из которых опасны для всего живого (рис.1). В результате химических реакций почвы и воды обедняются полезными компонентами и обогащаются вредными. Деревья теряют часть листьев, становятся беззащитными против болезней, а их корни замедляют развитие из-за нехватки питательных веществ. Увеличение кислотности приводит к задержке в развитии или гибели водных и почвенных животных, растений и микроорганизмов. Кислотные дожди ускоряют коррозию строительных материалов и красок, разрушают здания и строения, в том числе объекты культурного наследия. Болезнетворные вирусы, попавшие в осадки, ухудшают санитарно-гигиеническое состояние окружающей среды.
Для определения химических показателей техногенных осадков используются данные наблюдений со станций, расположенных на урбанизированных территориях. К ним можно отнести все административные центры Российской Федерации, а также крупные населенные пункты и промышленные центры. Минерализация осадков в них обычно превышает 15 мг/л (а их проводимость выше 30 мкСм/см).
Доля осадков с минерализацией менее 15 мг/л в России составляет сегодня 40—45%, в 1995 г. этот показатель находился на уровне 23%, в годы перестройки достигал примерно 31%, а в 2005 г. приблизился к 50% (рис.2).
Около 30% станций на урбанизированных территориях России регистрируют в осадках
Рис.1. Загрязнение ландшафтов вблизи источника выбросов.
хотя бы один компонент, величина которого максимальна для региона и превышает среднее многолетнее значение примерно в три раза. К ним относятся и станции, фиксирующие среднюю за месяц (или неделю) величину рН < 5.0.
На европейской территории России в эту группу входит большинство станций Кольского п-ова — по причине высокого закисления осадков. В центральных областях — Брянск и Калач с максимальными концентрациями аммония (8.1 мг/л) и кальция (14.7 мг/л) соответственно, а также Липецк — с наиболее высоким в регионе содержанием калия. В Западной Сибири по многим компонентам лидирует Норильск. Концентрация сульфатов в осадках здесь может достигать 71.6 мг/л, кальция — 10.8 мг/л, магния — 22.6 мг/л*, а сумма
* Это редкий случай, когда концентрация магния в осадках выше, чем кальция.
Рис.2. Повторяемость осадков с разной минерализацией в среднем по России.
Рис.3. Повторяемость осадков с разной минерализацией на урбанизированных территориях России.
ионов в отдельных выпадениях близка к 500 мг/л. В Диксоне преобладают хлориды (48.9 мг/л), Ис-китим (Новосибирская обл.) отличается высоким содержанием гидрокарбонатов (104.8 мг/л) и значениями минерализации (139.2 мг/л), в Славгоро-де максимальна величина рН (8.0). По всему Приморью на Дальнем Востоке выпадают умеренно кислые осадки.
По сумме ионов (М) в атмосферных осадках урбанизированные территории европейской части России разделены на группы: М < 15, 15 < М < 30, 30 < М < 50 и М <50 мг/л. Но лишь внутри последних двух происходят заметные колебания минерализации (рис.3). В сильно загрязненных городах вероятность выпадения относительно чистых осадков с минимальной суммой ионов (М < 15 мг/л) не превышает 15%. Эту величину можно принять за региональный фон, который с 2008 г.
имеет слабую тенденцию к возрастанию. Повторяемость осадков с повышенным загрязнением (30 < М < 50 и М > 50 мг/л) близка к 65%.
Проводимость
Одна из важных функций атмосферных осадков — очищение атмосферы от вредных газов и аэрозолей. Оно становится очевидным при сравнении влажных выпадений веществ из воздуха с их выбросами в атмосферу (рис.4).
Сегодня огромные средства тратятся на оценку эффективности методов снижения антропогенных выбросов. Однако выполнить ее можно практически без затрат — анализируя изменение проводимости осадков (рис.5), ведь она напрямую зависит от суммы ионов в них (и в том числе от их кислотности). Так, в большинстве городов России, отнесенных по степени загрязнения воздуха к неблагополучным, выпадают осадки с повышенной проводимостью. Измеряя этот показатель, можно отслеживать изменения загрязнения атмосферы.
Если в растворе величина рН > 5.0, то минерализация осадков М (мг/л) в среднем по России связана с удельной электропроводностью £ (мкСм/см) соотношением: М = 0.6£ ± Ь, где величина коэффициента и знаки различаются в зависимости от места сбора осадков. Другими словами, сумма ионов близка к половине проводимости осадков (чем разбавленнее раствор, тем точнее). В одном из самых неблагополучных в России городов — Норильске — проводимость £ определяется следую-
2006 2007 2008 2009 2010 2011 2006 2007 2008 2009 2010 2011
Рис.4. Соотношение среднегодовых выбросов загрязняющих веществ (красные кривые) и их выпадений с осадками (синие кривые) в городах Братске (сплошная линия) и Чите (пунктирная линия) и по России в целом. Зеленым показаны выбросы от автотранспорта, черным — от стационарных источников [1].
щим уравнением: £ = 2.1М - 15-5. Здесь каждые три года загрязнение осадков и, по-видимому, воздуха уменьшается примерно в 1.5 раза, то есть с 2006 по 2012 г. оно снизилось в 8—10 раз.
Обращаем внимание на свободный член Ь, который указывает на отсутствие в Норильске осадков с низкой минерализацией. За семь лет средняя за год сумма ионов здесь изменилась с 220 до 100 мг/л. А в Архангельске, например, общее загрязнение осадков значительно меньше и колеблется в пределах 10—14 мг/л. В Новосибирске минерализация сначала уменьшилась с 21 до 10 мг/л, затем снова возросла до 23 мг/л.
Экологической нормой предложено считать значение проводимости осадков 60 мкСм/см (примерно соответствующее минерализации 30 мг/л). В случае его превышения осадки следует относить к промышленно загрязненным.
Сера в осадках и в воздухе
Логично ожидать, что качественный и количественный состав осадков в городах зависит от содержания ионов, газовых компонентов и аэрозолей в воздухе. Посмотрим на содержание, к примеру, диоксида серы в воздухе и сульфатов в атмосферных осадках Санкт-Петербурга (рис.6). Вопреки ожиданиям, их связь сложно назвать тесной. Так, начиная с 2008 г. содержание сульфатов стабилизировалось (как результат повсеместного использования природного газа), а концентрация сернистого газа продолжает снижаться.
Рис.5. Изменения проводимости осадков в Норильске, Новосибирске и Архангельске [1].
Рис.6. Изменение содержания сульфатов в атмосферных осадках (красная кривая) и диоксида серы (черная кривая) в воздухе Санкт-Петербурга [2].
По данным о содержании сульфатов в осадках несложно оценить полуколичественно концентрацию диоксида серы в свободной атмосфере.
В период выпадения осадков большая часть серы присутствует в виде сульфитов (БО^). Постепенно сульфиты и гидросульфиты переходят в сульфаты. Для облачных капель предложено выражение [3]:
С = (ККР50-У6 и далее Р = С2/КК = С0/0.0164,
где Са — концентрация сульфита
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.