ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2010, № 8, с. 71-74
УДК 551.510.41+502.55:628.5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ЭМИССИИ МНОГОЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА АЭРОЗОЛЕЙ ОТ НОРИЛЬСКОГО ГОРНОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМБИНАТА
© 2010 г. К. П. Куценогий, С. А. Попова, О. В. Чанкина
Институт химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирск, Россия Поступила в редакцию 14.12.2009 г.
Приводятся результаты мониторинга временной изменчивости многоэлементного состава атмосферных аэрозолей, которые позволяют определять мощность эмиссии ряда элементов от удаленных источников.
ВВЕДЕНИЕ
Норильский горнометаллургический комбинат (НГМК) является одним из мощных источников загрязнения атмосферы и различных объектов окружающей среды. Так, его ежегодные выбросы составляют около 2 млн. тонн оксидов серы [1]. Это составляет около 7% мировой эмиссии и 30% эмиссий 802 с территории бывшего СССР [2]. С начала 90-х годов на территории Сибири проводится комплексный мониторинг атмосферных аэрозолей (АА) [3]. В рамках этих исследований был предложен метод оценки мощности выбросов от удаленных промышленных предприятий по данным о пространственно-временной изменчивости концентраций химических элементов. Этот метод позволил определить эмиссию ряда тяжелых металлов (Са, N1, Си, 8е) по известной мощности выбросов 802 НГМК [4]. В настоящей работе представлены результаты временной изменчивости многоэлементного состава АА весеннего периода 2007 года в пригородной зоне г. Новосибирска (п. Ключи), которые позволили по мощности эмиссии НГМК ранее определенных Са, №, Си, 8е определить мощность еще 18 элементов.
Рентгенофлуоресцентный анализ на пучках син-хротронного излучения (РФА СИ) дает возможность проводить мониторинг временной изменчивости многоэлементного состава АА, что, в свою очередь, позволяет изучать влияние дальнего переноса промышленных выбросов на формирование регионального и глобального загрязнения удаленных территорий.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Образцы АА отбирались в п. Ключи Новосибирской области с помощью фильтровентиляционной установки, в которой был укреплен фильтр типа АФА-ХА. Через него в течение суток просасывалось около 310 м3 воздуха. Помимо этого, для разделения
АА на грубодисперсную (d > 1 мкм) и субмикронную (d < 1 мкм) фракции использовался двухкас-кадный виртуальный импактор, где через фильтры АФА-ХА малого диаметра в сутки просасывалось около 24 м3 воздуха.
Определение многоэлементного состава проводилось методом РФА СИ на станции элементного анализа Сибирского центра синхротронного излучения ИЯФ СО РАН на накопителе ВЭПП-3, энергия возбуждения 23 кэВ. Метод позволяет с высокой чувствительностью в образцах аэрозолей малого веса (~3 мг) определять более 20 элементов [5].
Для выявления возможного источника загрязнения регионального и глобального масштаба использовалась модель расчета траекторий движения воздушных масс HYSPLIT (Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model — гибридная модель Лагранжа интегрированной траектории одиночной частицы). Пути перемещения воздушных масс рассчитывались по архивным метеорологическим данным (архив GDAS) National Oceanic and Atmospheric Administration (США) [6]. Архив GDAS включает основные метеопараметры на 14 уровнях от поверхности земли до 20 мбар, что позволяет строить траектории с учетом вертикальных перемещений. Детальное описание модели и алгоритм расчета траекторий движения воздушных масс представлены в [7].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
При мониторинге характеристик АА в весенний период 2007 года в п. Ключи было отмечено, что в определенные сроки наблюдения одновременно увеличиваются концентрации ряда элементов (рис. 1). Возможной причиной этого служит один и тот же источник эмиссии этих элементов. Из табл. 1 видно, что коэффициенты взаимной корреляции всех элементов достаточно высоки. У девяти из 14 представленных в таблице элементов
72
КУЦЕНОГИИ и др.
3 60 г
50 -
О
« 30
и я
св &
я
о Я
я
40 -
20 101-
К
0
^ ¿V ^ ^ ¿V ^ ¿V ^ ^ ¿V ^ ^ <$>' \Ч" <5-
\
э-
20
со
18 16 Й 14 ^^ 12 ^ 10 и
св
р
Н Я о Я
я
о
0К
-V
Сг
РЬ
Рис. 1. Среднесуточные изменения концентрации элементов в АА п. Ключи с 8 по 19 мая 2007 г.
коэффициенты взаимной корреляции выше 0.81. У других элементов эти параметры изменяются от 0.59 до 0.99. Исследования химического состава АА в Сибири показали, что частицы от антропогенных источников имеют коэффициент обогащения (EF) элементов более 10 и сосредоточены, главным образом, в субмикронной фракции [3]. Частицы субмикронной фракции переносятся на громадные расстояния, так как среднее время жизни этой фракции в атмосфере 10—15 суток. За это время частицы переносятся на расстояние свыше 1000 км, формируя глобальный фон. При измерении многоэлементного состава субмикронной фракции АА в выделенный нами период было показано, что величины EF для К, V, Сг, Мп, Со, N1, Си, Zn, Ga, Аз, Бе, Вг, Rb, Мо, РЬ составляют более десяти. Это означает, что в период с 8 по 19 мая в
пункт наблюдения могут попадать шлейфы антропогенных эмиссий от двух и более источников.
С помощью программы НУБРЫТ были построены обратные траектории движения воздушных масс (рис. 2), что позволило определить возможные региональные источники загрязнения. Так, рис. 2а показывает, что воздушные массы, пришедшие 13 мая в п. Ключи имеют северо-восточное направление и проходят вблизи Норильска, что, возможно, указывает на поступление загрязняющих веществ от НГМК. Повышение концентраций 16 мая возможно обусловлено приходом воздушных масс из района северного Казахстана (рис. 2б).
Чтобы подтвердить предположение о переносе загрязнений с севера Восточной Сибири и с территории Казахстана в п. Ключи, по модели НУБРЫТ
Таблица 1. Коэффициенты корреляции концентраций некоторых элементов
К V Сг Мп Бе Со N1 Zn Лз Бе Rb Zr № РЬ
К 1 0.91 0.90 0.98 0.98 0.96 0.97 0.78 0.85 0.88 1.00 0.97 0.98 0.75
V 1 0.89 0.85 0.89 0.97 0.88 0.70 0.97 0.76 0.92 0.84 0.92 0.84
Сг 1 0.84 0.85 0.84 0.86 0.59 0.77 0.92 0.90 0.80 0.90 0.59
Мп 1 0.99 0.93 0.97 0.87 0.77 0.84 0.98 0.99 0.98 0.72
Бе 1 0.96 0.97 0.87 0.82 0.81 0.99 0.98 0.99 0.75
Со 1 0.93 0.82 0.95 0.77 0.96 0.93 0.96 0.88
N1 1 0.83 0.79 0.87 0.97 0.95 0.95 0.70
Zn 1 0.65 0.65 0.82 0.82 0.85 0.79
Лз 1 0.63 0.85 0.78 0.85 0.90
Бе 1 0.87 0.79 0.83 0.58
Rb 1 0.97 0.99 0.76
Zr 1 0.96 0.69
№ 1 0.78
РЬ 1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ ЭМИССИИ МНОГОЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА 73
(а) (б)
- 1500 1000
1500 1000 500
12 06 00 18 12 06 00 18 12 06 00 18 12 06 00 18 05/13 05/12 05/11 05/10
12 06 00 18 12 06 00 18 12 06 00 18 12 06 00 18 05/13 05/12 05/11 05/10
Рис. 2. Обратные траектории движения воздушных масс: а — из Норильска, б — из района северного Казахстана.
(а)
(б)
Рис. 3. Области распространения выбросов: а — от Норильска, б — от Усть-Каменогорска.
рассчитывались области распространения выбросов на данный период (рис. 3а и 3б). Видно, что п. Ключи в соответствующие периоды попадает в след загрязнения от Норильска и района северного Казахстана, что подтверждает предположение об источнике определенных химических компонентов.
В работе [4] с учетом мощности годовой эмиссии 802 НГМК были определены годовые эмиссии Са, N1, Си, 8е. Используя эти значения, в данной работе
были оценены годовые эмиссии других элементов, у которых высокие коэффициенты корреляции с Са, N1, Си, 8е. Годовая аэрозольная эмиссия элементов субмикронной фракции от НГМК (табл. 2) оценивалась по соотношению (1):
а = Qe^ (СГ)/(СеГ), (1)
где 0/ — мощность эмиссии концентрации /-го элемента, 0е1 — мощность эмиссии Са, N1, Си, 8е, С™* —
74 КУЦЕНОГИЙ и др.
Таблица 2. Годовая аэрозольная эмиссия элементов Норильского горнометаллургического комбината
Элемент Ca* Ni* Cu* Se* K Ti V Cr Mn Fe
Q, тонн/год 120000 3000 8200 400 430000 44000 6900 16000 8700 120000
* — данные [4].
Элемент Co Zn Ga As Br Rb Sr Y Zr Nb Mo Pb
Q, тонн/год 850 69000 420 1300 17000 2900 1100 150 720 140 200 15000
максимальная среднесуточная концентрация /-го
Сшах
е1 — максимальная среднесуточная концентрация Са, N1, Си, Бе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Применение РФА СИ позволяет оперативно проводить мониторинг многоэлементного состава образцов АА. Использование экспериментальных данных о временной изменчивости многоэлементного состава АА и траекторий движения воздушных масс позволило идентифицировать расположение источников загрязнения. Показана возможность атмосферного переноса тяжелых металлов от района Норильска и северного Казахстана до территории юга Западной Сибири. Оценена мощность годовых выбросов элементов К, Т1, V Сг, Мп, Fe, Со, 2п, Ga, Аз, Вг, Rb, Бг, У, 2г, N5, Мо, РЬ Норильского горнометаллургического комбината.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Экология городских ландшафтов / Ред. Касимова Н.С. М.: Изд-во МГУ, 1995. C. 333.
2. Barrie L.A. // Atm. Environ. 1986. V. 20 P. 643.
3. Куценогий К.П., Куценогий П.К. // Аэрозоли Сибири. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2006. С. 11.
4. Куценогий К.П., Смирнова А.И., Смоляков Б.С. и др. // Химия в интересах устойчивого развития. 2002. Т. 10. № 5. С. 615.
5. Baryshev V., Bufetov N., Koutsenogii K. et al. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 1995. V. 359. P. 297.
6. HYSPLIT (Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory) Model. Wfeb address: http://www.arl.noaa.gov/HYSPLIT.php, NOAA Air Resources Laboratory.
7. Куценогий К.П., Смирнова А.И. // Оптика атмосферы и океана. 2001. Т. 14. № 6-7. С. 510.
Determination of the Emission Power of Multielement Aerosol Composition
from the Norilsk Metallurgical Plant
K. P. Koutsenogii, S. A. Popova, O. V. Chankina
The monitoring results of temporal variability of multielement composition of atmospheric aerosols are presented. They are used to determine the emission power of elements from distant sources.
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.