ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 3, с. 337-347
УДК 551.510
УГЛЕВОДОРОДЫ В ГОРОДСКОЙ АТМОСФЕРЕ
© 2009 г. Г. И. Горчаков*, Е. Г. Семутникова**, Б. А. Аношин*, А. В. Карпов*, А. Б. Колесникова*
*Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 3 E-mail: gengor@ifaran.ru **Мосэкомониторинг 119019 Москва, Новый Арбат, 11, строение 1 Поступила в редакцию 17.01.2008 г., после доработки 10.04.2008 г.
Выполнено сопоставление статистических характеристик вариаций в приземном слое атмосферы концентраций метана, неметановых и ароматических углеводородов, углекислого газа и формальдегида с характеристиками вариаций концентрации угарного газа в воздушном бассейне г. Москвы. Выявлены различия в годовом ходе концентраций матана, углекислого газа, неметановых углеводородов и угарного газа. Установлено, что для большинства постов с повышенным уровнем загрязнения приземного воздуха и для города в целом максимальная концентрация угарного газа, как правило, наблюдается в летний сезон. Проанализирована сезонная изменчивость среднего суточного хода концентраций метана, углекислого газа, неметановых и ароматических углеводородов в г. Москве.
введение
Исследование состава летучих органических соединений (ЛОС) представляет большой интерес для химии атмосферы. Многие ЛОС относятся к опасным химическим соединениям [1] и контроль за их содержанием в атмосфере является предметом экологического мониторинга [2]. Загрязнение воздушных бассейнов городов России до сих пор изучено недостаточно. В г. Москве на сети автоматических постов контроля качества атмосферного воздуха в настоящее время измеряется суммарная концентрация неметановых углеводородов (далее обозначаемых символом СН), концентрация метана (СН4), концентрации ароматических соединений, включая бензол, толуол, метаксилол и нафталин, а также концентрация формальдегида (Н2СО), который относится к классу карбонильных соединений [1]. Метан, наряду с углекислым газом (СО2) и водяным паром, относится к числу основных парниковых газов. Некоторые результаты измерений концентрации парниковых газов на территории Метеорологической обсерватории МГУ представлены в работе [3].
В данной работе проанализированы вариации концентраций неметановых углеводородов, метана, ароматических углеводородов, а также углекислого газа по данным измерений в различных районах г. Москвы на сети постов контроля качества атмосферного воздуха [4-6].
мониторинг газовых компонент загрязнения воздушного бассейна г. москвы
В настоящее время регулярные измерения концентраций газовых компонент загрязнения атмосферного воздуха выполняются на 30 постах [5].
Суммарная концентрация углеводородов и концентрация метана измеряются на 10 постах, а также в Зеленограде с помощью автоматических газоанализаторов "Гамма ЕТ" (фирма ЭТЭК, г. Санкт-Петербург) с погрешностью единичного измерения ±0.01 мг/м3, а концентрация углекислого газа -с помощью газоанализаторов 0ПТ0ГАЗ-500.4 ("ОПТЭК", г. Санкт-Петербург). Измерение концентраций ароматических углеводородов и формальдегида осуществляется с помощью оптического трассового газоанализатора фирмы ОР818 [6] на Кутузовском проспекте (две трассы).
Результаты непрерывных измерений концентраций газовых примесей осредняются за 20-минутные интервалы и заносятся в базу данных ГПУ "Мосэкомониторинг".
Примеры результатов измерений суммарной концентрации углеводородов (без метана), концентраций метана, толуола и углекислого газа представлены на рис. 1. Из рис. 1 следует, что указанные концентрации варьируют в широких пределах и для всех рассматриваемых примесей существенную роль играют суточный ход и межсуточная (синоптическая) изменчивость концентраций. В частности, размах внутрисуточных вариаций концентраций углекислого газа достигает 150 ррт
[СН4], мг/м3
- Марьино, 2005
(а)
1.07 1.08 1.09 1.10
3
1.11
Дата
[С7Н8], мкг/м3
20 Кутузовский пр., 2006 (в)
15 10 5
20.07
20.08
20.09 Дата
[СН], мг/м3 4 г
Марьино, 2005
3
И
(б)
0
01.09 15.09 29.09 13.10 27.10 10.11
Дата
[СО2], ррт
600 пр. Вернадского, 2006
550 500 450 400
350
(г)
15.05 30.05 15.06 30.06 16.07
Дата
Рис. 1. Вариации концентраций метана (а), неметановых углеводородов (б), толуола (в) и углекислого газа (г).
2
1
(рис. 1г) при шумовой составляющей примерно ±5 ррт.
статистичекие характеристики вариаций концентраций малых газовых примесей в городской атмосфере
В [6] был выполнен статистический анализ вариаций концентраций угарного газа и оксидов азота по данным измерений на сети постов контроля качества атмосферного воздуха в 2003 г. В настоящей работе представлены результаты статистиче-
Таблица 1. Среднегодовые статистические характеристики вариаций суммарной концентрации углеводородов
Год Пост <[СИ]> а У А Е
мг/м3
2004 МАДИ 0.45 0.28 0.62 2.0 7.9
2005 Балчуг 0.34 0.28 0.83 4.4 31.0
2005 ул. Казакова 0.29 0.21 0.72 4.3 30.4
2005 МАДИ 0.42 0.34 0.80 4.3 34.4
2006 Балчуг 0.31 0.18 0.58 2.6 14.8
2006 ул. Казакова 0.24 0.15 0.63 3.8 24.8
2006 Марьино 0.30 0.29 0.99 3.7 19.7
ского анализа концентраций неметановых углеводородов, метана, углекислого газа и некоторых ароматических углеводородов. Были рассчитаны среднегодовые концентрации примесей (С > =
= п-1 £кС ¿к (¿ - номер примеси, к - номер измерения и щ - число измерений ¿-ой примеси), соответствующие стандартные отклонения аг, коэффициенты вариаций у- = а/О и значения параметров [7] асимметрии А{ = п-1 а-3 £ кс 3к и эксцесса
р О , -1 ■-4^ 4
Е = -3 + щ аI £кск, где отклонения от средних ск = Ск - О. Расчеты статистических характеристик вариаций концентраций газовых компонент загрязнения атмосферного воздуха проводились с помощью специально разработанного в ИФА РАН программного обеспечения.
Неметановые углеводороды. В табл. 1 приведены статистические характеристики вариаций суммарной концентрации неметановых углеводородов, обозначаемой далее как [СН] на некоторых постах в г. Москве. Согласно данным измерений, в 20032006 гг. среднегодовые концентрации не превышали 0.5 мг/м3. Коэффициент вариаций у для [СН] меняется примерно от 0.5 до 1.0. Напомним, что в случае угарного газа, оксида и диоксида азота максимальные значения у в 2003 г. [6] достигали 1.87, 2.08 и 2.25 соответственно. Распределения вероятностей
w, %
w, %
33 29 25 21 17 12 8 4 0
w, % 30
- Балчуг, 2005
(а) 35 26 17 9
20
10
-4 -3 -2 -1
Кутузовский пр., 2006
■
Бирюлево, 2004
1
01 ln[CH]
(в)
0.2 0.4 0.6 0.8
w, % 20
15
10
пр. Вернадского, 2006
§§
(б)
1.0 1.2 ln[CH4]
(г)
-8 -7 -6 -5 -4
-3 -2
ln[C7H8]
350
400 450
500 550 [CO2], ppm
Рис. 2. Эмпирические функции распределения концентрации неметановых углеводородов (а), метана (б), толуола (в) и углекислого газа (г).
0
5
0
[СН] заметно асимметричны: для случаев, представленных в табл. 1, параметр А меняется от 2.0 до 4.4. Для сравнения укажем, что для угарного газа в 2003 г. [6] А = 1.30-5.27, для оксида азота А = 0.555.54 и для диоксида азота А = 0.60-3.81. Анализ показал, что эмпирические функции распределения (ЭФР) концентрации СН удовлетворительно аппроксимируются логонормальными распределени-
ями. Пример ЭФР для 1п[СН] представлен на рис. 2а. Наиболее изменчивы указанные ЭФР в области больших концентраций СН. В частности, наблюдаемые максимальные разовые концентрации СН от поста к посту в разные годы варьируют в пределах примерно от 3 до 9 мг/м3. В табл. 2 для некоторых годовых реализаций приведены вероятности превышения "пороговых" концентраций СН (1, 2, 3,
Таблица 2. Вероятности превышения "пороговых" концентраций для суммы углеводородов
Год Пост "Пороговая" концентрация, мг/м3
1 2 3 4 5 6 7 8
2004 Балчуг 4 х 10-2 2 х 10-3 - - - - - -
2004 Шаболовка 5 х 10-2 7 х 10-3 4 х 10-3 3 х 10-3 2 х 10-3 1 х 10-3 2 х 10-4 -
2005 Балчуг 2 х 10-2 6 х 10-3 1 х 10-3 - - - - -
2005 ул. Казакова 2 х 10-2 2 х 10-3 8 х 10-5 - - - - -
2005 МАДИ 4 х 10-2 8 х 10-3 2 х 10-3 1 х 10-3
2005 Черемушки 3 х 10-2 7 х 10-3 3 х 10-3 8 х 10-4 8 х 10-5
2005 Бирюлево 2 х 10-2 6 х 10-3 2 х 10-3 1 х 10-3 7 х 10-4 2 х 10-4 2 х 10-4 8 х 10-5
Таблица 3. Среднегодовые статистические характеристики вариаций концентрации метана
Год Пост ([СЩ]) о У А Е
3 мг/м3
2003 Бирюлево 1.36 0.12 0.09 1.8 13.2
2004 МАДИ 1.40 0.14 0.10 2.9 31.7
2005 Балчуг 1.42 0.17 0.12 3.3 28.3
2005 ул. Казакова 1.38 0.17 0.12 2.1 10.2
2006 ул. Казакова 1.42 0.15 0.11 2.5 10.2
2006 Марьино 1.57 0.22 0.14 3.9 25.9
4, 5, 6, 7 и 8 мг/м3). Превышения пороговой концентрации 1 мг/м3 наблюдаются на разных постах с вероятностью от 2 до 5%. Заметно реже (от 0.2 до 0.8%) встречаются превышения пороговой концентрации 2 мг/м3 и 3 мг/м3 (от 0 до 0.4%). Превышения пороговых концентраций от 4 до 8 мг/м3 встречаются очень редко (не чаще 0.1%) и не на всех постах. Напомним о том, что в 2002 г. в задымленной городской атмосфере наблюдались концентрации углеводородов, достигающие 7 мг/м3 [8].
Метан. Исследования вариаций концентрации метана представляют интерес как для химии атмосферы, так и для теории климата [9-12]. Наблюдавшийся последние 200 лет рост среднеглобальной концентрации метана в конце 20-го столетия замедлился [13, 14]. В [14] показано, что в 1999-2002 г. среднеглобальная концентрация метана менялась незначительно и составила 1.751 ррт, что объясняется вариациями мощности источников и стоков метана. Нуждается в уточнении антропогенная составляющая метана и, в частности, эмиссия метана в мегаполисах, включая московский мегаполис [11-14].
В данной работе выполнен статистический анализ вариаций концентрации СН4 в г. Москве по данным экологического мониторинга на нескольких постах контроля качества атмосферного воздуха в 2003-2006 гг. Отметим, что измерения концентра-
ции СН4 проводились синхронно с концентрацией неметановых углеводородов.
Среднегодовые концентрации метана для некоторых постов приведены в табл. 3. Они варьируют в пределах примерно от 1.35 до 1.60 мг/м3. Фоновая концентрация метана равна примерно 1.25 мг/м3 [3, 13, 14]. Следовательно, городская соста
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.