УДК 1551.510.42:546.491.001.57(4)
Моделирование дальнего переноса ртути и ее соединений над территорией Европы
И. С. Ильин*
Разработана математическая модель, описывающая дальний перенос ртути и ее соединений в атмосфере. Осуществлены расчеты концентраций и потоков сухих и влажных выпадений, проведено сопоставление рассчитанных величин с данными измерений. Представлены результаты расчетов трансграничного переноса ртути над Европой.
Введение
В последние годы все большее внимание уделяется проблеме дальнего атмосферного переноса токсичных тяжелых металлов. Это нашло отражение в подписании в рамках Конвенции о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния ЕЭК ООН международного протокола об ограничении выбросов в атмосферу тяжелых металлов.
Среди многих тяжелых металлов особое место занимает ртуть. Она является одним из наиболее токсичных элементов и способна накапливаться в трофических цепях [8]. Некоторые ее химические соединения могут быть еще более токсичны, чем сама металлическая ртуть. Продолжительность нахождения в атмосфере ртути и ее соединений достаточно велика, чтобы обусловить дальний перенос на расстояния порядка сотен — тысяч километров. Наконец, ртуть — единственный из металлов, подвергающийся в атмосфере значительным физико-химическим трансформациям, резко меняющим ее основные свойства относительно процессов выведения из атмосферы.
Геохимический цикл ртути в атмосфере на протяжении исторического периода подвергся существенным изменениям. По существующим оценкам, выбросы антропогенных источников ртути в атмосферу в несколько раз превышают эмиссию природных [10]. Содержание элементарной формы ртути в атмосфере на глобальном уровне возросло, возможно, в 1,5—3,0 раза [10]. Экспериментально зафиксировано увеличение в 3—6 раз за последние 100—200 лет концентрации ртути в торфяниках и в донных осадках озер [11, 17].
Можно выделить несколько ключевых процессов, определяющих региональное (в масштабах континентов) и глобальное загрязнение окружающей среды ртутью: эмиссия в атмосферу, физико-химическая трансформация, перенос и выведение из атмосферы, цикл в почвах (водах) и ре-эмиссия в атмосферу. Столь сложный комплекс процессов, протекающих в
* Метеорологический синтезирующий центр "Восток ".
i i
масштабах целого континента, может быть изучен лишь с помощью математических моделей. Целью настоящей работы явилась разработка математической модели изменения содержания ртути в атмосфере. Результаты расчетов, предпринятых с помощью этой модели, отражают ситуацию в Европе в 1996 г.
Свойства ртути в атмосфере
Сложность моделирования переноса ртути в атмосфере связана, во-первых, с тем, что она может находиться в атмосфере как в газовой, так и в аэрозольной фазах. В газовой фазе имеют место элементарная (металлическая) и окисленная ртуть. В свою очередь окисленная форма ртути может быть представлена как органическими, так и неорганическими соединениями. При этом для каждой физико-химической формы ртути характерная продолжительность существования в атмосфере существенно разная, что влияет на характеристики переноса и выпадений. Основная масса ртути (более 95%) в глобальной атмосфере представлена элементарной формой, и ее средняя продолжительность существования в атмосфере составляет около года [8, 10]. Этот период достаточен, чтобы сформировалось сравнительно равномерное распределение элементарной ртути в тропосфере Земли. Средняя продолжительность существования в атмосфере аэрозольных и окисленных неорганических соединений ртути порядка нескольких дней [8, 10], что указывает на возможность их атмосферного переноса в региональном масштабе (десятки — сотни километров).
Как правило, при моделировании атмосферного переноса рассматривают три группы форм ртути [15, 18]: элементарную (Hg°), аэрозольную (Hg4) и неорганическую газообразную окисленную (Hg2+), Хотя содержание органических соединений ртути в атмосфере сравнительно невелико, они являются наиболее токсичными соединениями. Поэтому в данной модели рассматривается также органическая форма окисленной ртути — ди-метилртуть (ДМР).
Описание модели
Модель переноса ртути является плоской многослойной моделью эйлерова типа. Расчет ведется на сетке в полярной стереографической проекции с шагом 50 км на широте 60° с. Область расчета включает Европу, север Африки, Гренландию и частично Ближний Восток. По вертикали модель представлена пятью неравномерными по толщине слоями. Толщины слоев от нижнего к верхнему равны 100, 300, 700, 1000 и 1800 м.
Поступление ртути в атмосферу может происходить тремя путями — в результате природной эмиссии, прямой антропогенной эмиссии и вторичной реэмиссии. В качестве данных об антропогенной эмиссии в модели использовались оценки Дж. Пацины [12] для региона ЕМЕП (Co-operative Programme for Monitoring and Evaluation of the Long-Range Transmission of Air Pollutants in Europe) за 1990 г., скорректированные на 1996 г. При оценке пространственного распределения природной эмиссии ртути за основу было взято поле, представленное в [6]. Технология получения полей природной эмиссии ртути и реэмиссии представлена в [18], Соотношение сумм трех видов эмиссии, а также отдельных форм ртути в выбросах приведено в табл. 1. Как видно из данных таблицы, наряду с прямой ант-
Таблица 1
Эмиссия (т/год) различных форм ртути в регионе ЕМЕП в 1996 г.
Эмиссия Hg» Hg¥ Hg, ДМР ^ Все формы Hg
Суммарная 418 95 57 27 597
Природная 197 0 0 22 219
Прямая антропогенная 174 95 57 0 326
Реэмисси* 45 0 0 5 50
ропогенной эмиссией роль природной составляющей весьма велика, роль же реэмиссии заметно ниже.
В расчетах использовались метеорологические данные за 1996 г., подготовленные Гидрометцентром России [4]: компоненты скорости ветра и температура на стандартных изобарических поверхностях 1000, 925, 850 и 700 гПа, балл облачности и количество осадков. Данные о ветре и температуре представлены как мгновенные значения, определенные для середин интервалов между четырьмя основными метеорологическими сроками (3, 9, 15, 21 ч МСВ). Данные об осадках представлены как суммарные значения за 6 ч для тех же метеорологических сроков.
При адаптации этих данных принималось, что ветер и температура на поверхности 1000 гПа соответствует второму слою по вертикали (z = 250 м); на 925 гПа — третьему (z = 750 м); на 850 гПа —; четвертому (z = 1600 м); на 700 гПа — пятому слою (z = 3000 де). Ветер и температура на высоте 50 м рассчитывались путем экстраполяции их значений на изобарической поверхности 1000 гПа на высоту 50 м с использованием параметризации пограничного слоя, описанной в [14].
Для расчета атмосферного переноса в горизонтальном направлении была применена консервативная положительно определенная схема "против потока", разработанная М. Пекарь [14]. Диффузия в горизонтальном направлении описывается в соответствии с подходом Ю. Израэля и др. [1] и определяется через дисперсию примеси. Турбулентная диффузия в вертикальном направлении рассчитывалась с помощью неявной схемы.
Боковые и верхняя границы модельной области открыты для обмена с окружающим воздухом. Принимается, что приземная концентрация Hg0 на границе региона составляет 1,5 нг/м' [7], а Hg4 — 0,01 нг/м1 [8]. С высотой эти значения изменяются пропорционально изменению плотности воздуха.
В модели рассматриваются как газофазные, так и жидкофазные реакции ртути (рис. 1). Одним из процессов в газовой фазе является газофазное окисление элементарной ртути озоном с константой скорости второго порядка, равной 3 • 10~20 см3- молекГ1- с"] [16]. Продукт этой реакции HgO является слабо летучим соединением, поэтому принято, что в атмосфере он присутствует в аэрозольной фазе. Другой процесс — окисление ДМР в
реакции с радикалом ОН". Предполагается, что процесс идет со скоростью 2,3 • 10 5 с"' (продолжительность существования ДМР в атмосфере 12 ч) и его результатом является Hg4 [18].
Параметризация химических трансформаций ртути в жидкой фазе основана на представлениях, развитых Г. Петресеном и др. [16]. В соот-
шшшшЪтшшш/ш)тмшмшпш
Рис. 1. Модельная схема процессов выведения и химических трансформаций ртути.
ветствии со схемой из [16] Н§° растворяется в жидких каплях облаков (тумана) по закону Генри. Одновременно с процессом растворения в жидкой фазе идет процесс окисления ртути растворенным озоном. Продукты жид-кофазного окисления вступают в различные реакции с растворенными веществами, а также сорбируются твердыми нерастворенными частицами (например, частицами сажи). Реакция двухвалентной ртути с ионами сульфита ведет к образованию нестойких ртуть-сульфитных комплексов. Их распад приводит к восстановлению ртути до элементарного состояния. Следовательно, данная схема предполагает наличие отрицательной обратной связи, обусловливающей интенсивность процесса растворения паров Н8°.
Расчет скорости сухого поглощения ртути в аэрозольной фазе базируется на эмпирической модели Г. Семеля [19], на основании которой были выведены аналитические зависимости скорости сухого осаждения в зависимости от размера частиц, скорости ветра, типа подстилающей поверхности и параметра шероховатости [14]. Полученные типичные значения скоростей сухого осаждения лежат в диапазоне 0,02—0,2 см/с.
На основе обобщения литературных данных было принято, что над сушей в период с мая по октябрь включительно скорость сухого поглощения Н§° равна 0,03 см/с, в остальные месяцы — 0,01 см/с в том случае, если приземная температура воздуха положительна. В противном случае сухого поглощения не происходит. Над морской поверхностью скорость сухого поглощения всегда равна нулю, поскольку морская поверхность перенасыщена элементарной ртутью, и поэтому, скорее всего, является источником ртути. Для Нд2+ скорость сухого поглощения составляет 0,5 см/с вне зависимости от сезона и типа подстилающей поверхности. Для ДМР принято, что поглощение подстилающей поверхностью отсутствует.
Вымывание Н§, описывается как процесс первого порядка. Принимается, что ртутьсодержащие частицы ведут себя подобно сульфатным частицам, и отношение вымывания равно 5 • 105 [15]
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.