УДК 551.510.42(517)
Химический состав аэрозолей в атмосфере Монголии
Г. С. Жамсуева*, А. С. Заяханов*, А. В. Стариков*, В. В. Цыдыпов*, А. А. Аюржанаев*, Л. П. Голобокова**, У. Г. Филиппова**, Т. В. Ходжер**
Представлены результаты исследований компонентного состава атмосферных аэрозолей в Монголии за период 2005—2010 гг. Показано, что в индустриальных городах (Улан-Батор, Сухэ-Батор) на состав аэрозолей основное влияние оказывают локальные выбросы, в то время как в небольших городах со слаборазвитой промышленностью (Баруун-Урт и Сайншанд) — дальний перенос загрязняющих веществ и ветровой режим местности, в частности пыльные бури. Выявлена зависимость состава и концентрации взвешенных частиц от метеорологических условий в районе исследования. Большие концентрации аэрозолей отмечались в дни с сильным ветром и при переносе воздушных масс из пустынь и индустриальных районов Китая, малые концентрации — в периоды с безветренной или маловетреной погодой, а также при переносе воздушных масс с территории России и Казахстана.
Введение
Атмосферный аэрозоль состоит из взвешенных в воздухе твердых или жидких частиц. В отличие от газов аэрозоли являются комплексными загрязняющими веществами, состоящими из многих химических компонентов [10]. Такие компоненты, как сульфат-ионы, нитрат-ионы и ионы аммония, наносят ущерб природным экосистемам, приводя к подкислению и эвтрофикации почв и водных бассейнов. Частицы аэрозоля находятся в тропосфере в большинстве районов Земли в течение 1—2 недель и могут переноситься на большие расстояния [5, 6]. Свойства атмосферных аэрозолей в значительной степени формируются под влиянием региональных факторов, поэтому большое значение имеют измерения параметров атмосферных аэрозолей в разных географических регионах [8]. Важным регионом для таких исследований является Монголия.
Территория Монголии располагается в центре Азиатского материка и является наиболее удаленной от океана среди других стран мира. Большая часть территории находится на высоте 1000—3000 м над уровнем моря и практически со всех сторон ограничена горными хребтами. На юге и юго-
* Институт физического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук; e-mail: lrf@pres.bscnet.ru.
**Лимнологический институт Сибирского отделения Российской академии наук; e-mail: khodzher@lin. irk. ru.
востоке Монголии располагается пустыня Гоби. Климат Монголии резко континентальный со средней температурой января -35 и 20—25°С в июле. Максимальные значения температуры воздуха летом (45—58°С) отмечаются в пустыне Гоби. При этом разность между температурой днем и ночью летом может доходить до 20°С [1, 3]. Монголия является крупным источником пылевого аэрозоля. Сильный дневной нагрев пустыни создает в нижней части тропосферы неустойчивый слой, в котором распространяются частицы пыли, образуя пылевой аэрозоль. Минеральная пыль, особенно щелочная и содовая, при старении сорбирует загрязняющие примеси, в том чис ле ни траты и суль фаты, и актив но учас твует в хи ми чес ких реакциях, оказывая таким образом влияние на состав воздуха [13].
На атмосферный аэрозоль в Монголии влияет ряд факторов. С одной стороны, возникающая инверсия температуры позволяет пылевому аэрозолю переноситься на большие расстояния. Этому переносу также способствуют частые ветры ураганной силы, возникающие в результате резкого перепада температуры воздуха на десятки градусов на фоне его малой относительной влажности. С другой стороны, на территорию Монголии при южном и юго-восточном переносе воздушных масс поступают загрязняющие примеси из наиболее промышленно развитых восточных районов Китая, включающих Шэньян, Шанхай, Пекин, а также из центральной части Китая [15]. Летом часто наблюдается прохождение циклонов, преимущественно с запада и северо-запада [2]. Монголия в это время года находится под вли яни ем поляр но го ат мосфер но го фрон та, разде ляю ще го уме рен ные и тропические воздушные массы, что приводит к активному циклогенезу в этом ре ги о не. С уче том осо бен нос тей кли мата, рель е фа, при род ных зон, наличия густозаселенных районов и слабо освоенных мест, которые можно рассматривать как фоновые территории, Монголия представляет большой интерес для изучения формирования на ее территории химического со ста ва аэ ро золей как в ло каль ных усло ви ях, так и под вли я ни ем даль не го переноса воздушных масс из промышленных регионов. Пылевые выносы из аридной зоны являются мощным фактором воздействия на характеристики радиационного баланса в Дальневосточном регионе и на морских акваториях Тихого океана [4]. В данной работе представлены результаты исследований аэрозолей, проведенных в Монголии летом 2005—2010 гг.
Материалы и методы
Пробы аэрозолей отбирали в июле и августе 2005—2010 гг. на станции Сайншанд (44°54' с. ш., 110°07' в. д.), располагающейся в пустыне Гоби (1000 м над уровнем моря), и в городах Улан-Батор (46°56' с. ш., 113°07' в. д., 1300 м над уровнем моря), Сухэ-Батор (50°14' с. ш., 106°12' в. д., 620 м над уровнем моря) и Баруун-Урт (46°4Г с. ш., 113°17' в. д., 980 м над уровнем моря). Улан-Батор — столица Монголии, крупнейший индустриальный центр страны, Сухэ-Батор — город на севере страны вблизи границы с Россией, транспортный узел, важный промышленный центр, Бару-ун-Урт — город, расположенный на юго-востоке Монголии в полуаридной степ ной зоне. Схе ма рас по ложе ния стан ций от бо ра проб пред став ле на на рис. 1.
Oтбop пpoб aэpoзoлeй пpoвoдили c пoмoщью выcoкooбъeмнoгo пpoбo-oтбopникa PM-10 фиpмы "Andersen Instruments Inc." (США) [12] нa филь-тpы АФА-ХП и Whatman-41. Для oпpeдeлeния иoннoгo cocтaвa aэpoзoлeй иcпoльзoвaли иx pacтвopимyю фpaкцию. Вeщecтвo c фильтpoв извлeкa-лocь извecтным oбъeмoм дeиoнизиpoвaннoй вoды. В чacти пoлyчeннoгo pacтвopa измepяли вeличинy pH, ocтaтoк pacтвopa фильтpoвaли чepeз a^-тaт-цeллюлoзный фильтp c диaмeтpoм пop 0,2 мкм. В фильтpaтe oпpeдeля-ли иoны aммoния (NH+), нaтpия (Na+), кaлия (K+), мaгния (Mg2+), кaльция (Ca2+), cyльфaт-иoны (SO^~), нитpaт-иoны (NO"), гидpoкapбoнaт-иoны (HCO"), xлopид-иoны (Cl ). Xимичecкий cocтaв pacтвopимoй фpaкции aэpoзoльнoгo вeщecтвa oпpeдeляли c пoмoщью coвpeмeнныx aнaлитичec-киx мeтoдoв aтoмнoй aдcopбции и иoннoй xpoмaтoгpaфии, peкoмeндoвaн-ньк для oбecпeчeния coпocтaвимocти c дaнными из дpyгиx paйoнoв миpa, нa aтoмнo-aдcopбциoннoм cпeктpoмeтpe фиpмы "Carl Zeiss Jena" (Гepмa-ния), выcoкoэффeктивнoм жидкocтнoм xpoмaтoгpaфe "Mилиxpoм А-02" (Poccия) и иoннoм xpoмaтoгpaфe ICS-3000 ("Dionex", США). Пoгpeшнocть oпpeдeлeния xимичecкoгo cocтaвa pacтвopимoй фpaкции aэpoзoльнoгo вe-щecтвa c пoмoщью дaннoгo oбopyдoвaния cocтaвилa 7—15% [9]. Kpoмe пoгpeшнocти в oпpeдeлeнии xимичecкиx элeмeнтoв нeoбxoдимo yчecть и oшибки в oпpeдeлeнии pacxoдa или oбъeмa пpoшeдшeгo чepeз фильтp вoз-дyxa, т. e. в oпpeдeлeнии вeca взвeшeнныx чacтиц, oceвшиx нa фильтpe. В пpoбooтбopникe мeлкoдиcпepcнoгo aэpoзoля PM-10 пpeдycмoтpeн элeктpoн-ный peгyлятop (кoнтpoлep), кoтopый ocyщecтвляeт кoнтpoль пocтoянcтвa cкopocти oбъeмнoгo пoтoкa пpи флyктyaцияx мeтeoвeличин (тeмпepaтypы, влaжнocти, дaвлeния) и нaгpyзки фильтpoв в пpeдeлax oт 0,4 дo 1,7 м3/мин c тoчнocтью ±0,03 м3/мин в диaпaзoнe тeмпepaтypы 0—45°С [12]. Для ган-тpoля тoчнocти oбъeмнoгo pacxoдa пpoвoдитcя peгyляpнaя кaлибpoвкa c иcпoльзoвaниeм кaлибpaтopa, вxoдящeгo в cocтaв кoмплeкca PM-10. Измe-нeния cкopocти пoтoкa в пpoцecce acпиpaции кoнтpoлиpyютcя и зaпиcывa-ются нa вcтpoeнный caмoпиceц. Пpи этом пoгpeшнocть в oпpeдeлeнии вeca aэpoзoльнoгo вeщecтвa, oтoбpaннoгo нa фильтp, ^ пpeвышaeт 4—5% пpи cpeднeм pacxoдe acпиpaции 0,9—1,0 м3/мин. Cлeдoвaтeльнo, cyммap-нaя oшибкa oпpeдeлeния xимичecкoгo cocтaвa aэpoзoльнoгo вeщecтвa нe пpeвышaeт 20%.
Для определения направлений переноса аэрозолей использовали модель HYSPLIT (Hybrid Single Particles Lagrangian Integrated Trajectory Model), разработанную NOAA (http://www.ready.noaa.gov/ready/hysplit4. html).
Результаты и обсуждение
Исследования химического состава аэрозолей, отобранных на территории Монголии в летний период 2005—2010 гг., выявили, что в одном и том же месте отбора проб концентрация веществ в разные годы может различаться на один-два порядка, содержание каждого вещества значительно варьируется в зависимости от конкретной синоптической ситуации.
Отбор проб аэрозолей в городах Сухэ-Батор, Улан-Батор и Баруун-Урт проводился в 2005—2007 гг. В формирование химического состава составляющих атмосферы в городах Сухэ-Батор и Улан-Батор, являющихся крупными транспортными и промышленными центрами Монголии, большой вклад вносят выбросы топливно-энергетического комплекса, промышленных предприятий и транспорта. Как показали исследования, основными ионами растворимой фракции аэрозолей в атмосфере этих пунктов являются ионы Са2+ (26—30%), HCO^ (25%), NH+ (14—16%), SO2~ (12%). Значительный вклад в состав вносят также ионы Cl- (7—8%; рис. 2а, б).
В г. Улан-Батор в июле 2005 г. исследования проводили в разных районах города: в районе Института метеорологии и гидрологии Монголии (центральная часть города), вблизи ТЭЦ и на двух метеостанциях: метеостанция 2 расположена на окраине города, в то время как метеостанция 1 расположена ближе к центру Улан-Батора. Наиболее загрязненной была атмосфера вблизи ТЭЦ-3. Суммарное содержание ионов здесь достигало 34,7 мкг/м3 на фоне 9,8—11,0 мкг/мъ в других районах (табл. 1).
По соотношению ионов в соединениях выявлено, что в составе аэрозолей преобладал гидрокарбонат кальция Са(НСО3)2, являющийся одним из продуктов выбросов ТЭЦ. Отмечалось, что в пробе, отобранной вблизи ТЭЦ, рН раствора веществ с фильтра из-за зольных частиц составляла 8,9, в осталь ных про бах — 6,3—6,8. Коли чес твен ный со став аэ ро золей в центральной и окраинной частях города сходен между собой по содержанию катионов, но сильно различается по содержанию анионов (табл. 1). На метеостанции 2 на окраине Улан-Батора наблюдается большее содержание нитрат- и хлорид-ионов и меньшая концентрация сульфат- и гидрокарбонат-ионов по сравнению с центром города. Проведенный корреляционный анализ показа
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.