08.01.2011 г.

  На главную раздела "Научные работы"


Безуглая Э.Ю., Смирнова И.В.




2.1.3 Зависимость концентрации диоксида азота от широты места
 
 
          Основой для первого изучения распределения концентраций оксидов азота в атмосфере послужили результаты регулярных измерений концентраций NO2 в 170 городах и NO в 132 городах России [8].

          Чтобы исключить влияние изменяющихся от года к году погодных условий, использованы данные измерений на одних и тех же станциях в течение пятилетнего периода (1988–1992 гг.). Города, которые были выбраны для исследования и которые позволили получить интересные результаты, различаются по численности населения, объемам промышленных выбросов NOx и метеорологическим условиям, определяющим перенос и рассеивание примесей в атмосфере [8]. Выбранные города расположены на территории России в пределах 43 – 72 ° с.ш..

          Между концентрациями оксидов и диоксида азота существуют тесные связи. Мы предположили, что при одной и той же концентрации NO2 отношение NO/NO2 может изменяться с изменением широты и величины концентрации NOх. Для изучения этих связей было выделено две группы городов, расположенных в разных широтных зонах: 40 – 50° с.ш. (группа 1) и 60 – 70° с.ш. (группа 2).

          Исследовалась зависимость отношений NO/NO2 от концентрации NОx для этих двух групп городов. Во всех случаях использовались объемные концентрации примесей в частях на 109. Как видим из рисунка 2.2, существует тесная связь между этими параметрами. Коэффициент корреляции между отношением концентраций NO/NO2 и NOх для первой группы равен 0,777, для второй — 0,885. Из рисунка видно, что при равных концентрациях NOx в первой группе отношение NO/NO2 ниже, чем во второй почти на 60 %. Это означает, что в первой группе южных городов в NO2 переходит большая часть NОx, чем в северных.

Увеличить
Рисунок 2.2 ─ Зависимость отношения концентраций NO/NO2 от концентрации NOx (частей на 109) в двух широтных зонах.
1 – 40–50° с.ш., 2 – 60–70° с.ш., 3 и 4 – линии регрессии.

          Как известно, кроме фотохимических процессов перехода NO в NO2 и наоборот, значительную роль в формировании уровня загрязнения оксидами азота играет скорость их осаждения на поверхность. Находясь в атмосфере, NO2 окисляется за счет влаги облаков, туманов и дождевых капель с образованием азотной кислоты, которая поступает на Землю в виде осадков. Скорость осаждения зависит от размеров образующихся капель, от естественной чувствительности почв и вод к поглощению. Важную роль играет также сухое осаждение азотных соединений. Поэтому в районах с влажным климатом, вблизи крупных водных объектов средние концентрации NO2 и, следовательно, NO могут оказаться более низкими, чем можно было бы ожидать из общих оценок. Это объясняет, например, очень низкие концентрации NO2 в городах Индии с муссонным климатом [59].

          Исследована также непосредственная зависимость концентрации диоксида азота от суммы оксидов азота на разных широтах в различных физико-географических районах России. Выбранные города были подразделены на три группы. В первую вошли города, расположенные на 40–50° с.ш., во вторую — города на 60–70° с.ш., в третью — на 50–60° с.ш..

          Как видно из рисунка 2.3, наблюдаются хорошо выраженные изменения концентраций NO2 в зависимости от концентрации NOx, а также от широты места. В каждой группе городов при увеличении концентрации суммы оксидов азота вначале происходит пропорциональное увеличение концентрации NO2, и далее она меняется слабо.
 
 Увеличить
 
Россия: 1 – 40–50° с.ш., 2 – 60–70°с.ш., 3 – 50–60°с.ш.;
Рисунок 2.3 ─ Зависимость средних концентраций NO2 от концентрации NOx
 
          Чем больше концентрации NOx, тем меньшая часть NOх переходит в NO2. В северных городах, в пределах 60–70° с.ш., наибольшая концентрация NO2 при NOx всегда меньше, чем в других районах. При концентрации NOx больше 100 частей на 109 концентрация NO2 в городах северных районов составляет всего 25 частей на 109, а в городах, расположенных в пределах 41–50° с.ш., она достигает уже 46 частей на 109, т.е. существенно выше, чем в северных городах.

          Дополнительно использованы данные измерений в городах Германии [105], Голландии [97] и США [104] и исследована зависимость NO2 от NOх для городов этих стран (рисунок 2.4).

          Для Германии и США характерно слабое уменьшение концентрации диоксида азота к югу. При концентрации NOx больше 100 частей на млн. максимум NO2 равен приблизительно 32 части на млн. В Голландии наибольшая концентрация NO2 при таких же условиях превышает 25 частей на млн. только на двух станциях.
Таким образом, можно говорить об установленных устойчивых закономерностях изменения средних за год концентраций NO2 при заданных NОx. Увеличение концентрации NOх приводит к увеличению концентрации NO2, но с разной скоростью в зависимости от концентрации суммы оксидов азота, создаваемой выбросами источников загрязнения воздуха, и от широты места.
 
 
 Увеличить
 
 4 –Голландия, 5 –Германия, 6 – США
Рисунок 2.4 ─ Зависимость средних концентраций NO2 от концентрации NOx

 
          Отношение NO2/NOх зависит от интенсивности солнечной радиации, от локальных климатических условий, т.е. условий переноса и рассеивания примесей в данных физико-географических условиях, а также от величины выбросов NOx (NO + NO2).

          Почти во всех странах Европы концентрации NО2 измеряются с помощью непрерывно работающих газоанализаторов. В России концентрации этой примеси определяются путем отбора проб воздуха на станции и химического анализа проб в лаборатории. Пробы воздуха отбираются в сорбционные трубки с хемосорбентом в течение 30 мин 3–4 раза в сутки (в 01, 07, 13 и 19 ч.). Концентрация NO2 определяется методом, основанным на реакции Грисса. В диапазоне 20–1400 мкг/м3 суммарная погрешность не превышает 18 %. Методика определения NO основана на его окислении до NO2 [50]. В совместной работе российских и американских ученых [68] было показано, что использование четырех сроков наблюдений в сутки для определения среднесуточных концентраций создает погрешность всего на 5% от концентрации, полученной из непрерывных измерений.

          Чтобы расширить наши знания о распределении в атмосфере концентрации диоксида азота, был выполнен регрессионный анализ связи средних концентраций NO2 (QNO2) с широтой места (L) по данным за пятилетний период в городах России, расположенных на разных широтах между 50° и 70° с.ш. [8]. Уравнение регрессии имеет вид

          В таблице 2.1 приведены средние концентрации NO2 для разных широт, полученные из уравнения (2.6). Разброс средних концентраций NO2 может составлять 20–65 % от средней широтной концентрации в диапазоне широт 30–60° с.ш. и несколько больше — на 70° с.ш. Заметим, что на 70° с.ш. в основном расположены небольшие города, средние концентрации NO2 в них часто ниже 10 мкг/м3. Поэтому средние широтные концентрации NO2 севернее 60° с.ш. оцениваются с большей погрешностью, чем на юге. Как следует из таблицы 2.1, средние широтные концентрации NO2 на 50° и 70° с.ш. различаются между собой более чем в 3 раза.

 

Таблица 2.1 – Средние концентрации, мкг/м3, NO2 (Q) и их средние квадратические отклонения (σ) по данным 157 городов России, рассчитанные по уравнению (2.6)
Qσσ/Q
70   
60   
50  

12   
30   
47   

22   
21   
20   
1,83
0,70
0,42

 

          Эти результаты были проверены с использованием упомянутых данных из 9 городов Германии [105]. Различия между рассчитанными и наблюдаемыми значениями концентрации NO2 составляют для городов Германии от 2 до 20 % (для Дюссельдорфа 25 %).

          Далее были рассчитаны средние широтные концентрации NO2 для каждого градуса широты с использованием данных городов России и городов США (для южных районов). Дополнительно были привлечены аналогичные данные наблюдений на станциях в городах Узбекистана за тот же период из Ежегодников и Обзоров УзУГМС [33, 34] (рисунок 2.5).

 

 Увеличить
1 – Россия, 2 – США, Узбекистан, 3 – линия регрессии
Рисунок 2.5 ─ Средние широтные концентрации NO2 (части на 109) в зависимости от широты места

 Уравнение связи для среднеширотных концентраций NO2 (части на 109) имеет вид

 

         
          Наблюдаемое увеличение концентрации диоксида азота с севера на юг (от 60° с.ш. до 40° с.ш.) связано с различиями в интенсивности солнечной радиации, температуре воздуха, а также различиями в концентрациях NOх, выбрасываемых в атмосферу многочисленными источниками на территории города. Увеличение концентрации NOх приводит к увеличению концентрации NO2.

          Данные городов США и Узбекистана, расположенных южнее, чем города России, хорошо проявились в левой нижней части рисунка 2.4. В целом хорошо видно, что концентрации диоксида азота увеличиваются с широтой места от 12 частей на млн. на 70° до 33 частей на млн. на 30° с.ш. Коэффициент корреляции между широтой места и концентрацией NO2 равен 0,789 [70].

          Данные о средних концентрациях NO2 за 1992 год для городов США [101], использованные для проверки, показали почти те же значения, что были получены по формуле.

          Корректность использования этой формулы была также проверена по данным крупнейших европейских городов, взятых из AirQuality [61], по городам России и США. Из всех используемых данных выбраны города с наибольшими концентрациями диоксида азота. В таблице 2.2 приведен список крупнейших городов, где в 1990 году наблюдались самые большие концентрации диоксида азота на данной широте.

          Наибольшие величины четко увеличиваются с севера на юг, от 8 частей на млн. около 64° с.ш. в Рейкьявике до 60 частей на млн. на 35–46° с.ш. в Милане и Донецке. Коэффициент корреляции между такими концентрациями и широтой равен 0,79. Минимальные значения концентраций на каждой широте были близки к пределу чувствительности метода измерения.

          Энергия Солнца является основным источником физико-химических процессов в атмосфере Земли. Для выявления степени влияния интенсивности солнечной радиации Q на концентрацию NO2 в атмосфере выбраны города, характеризующиеся примерно одинаковым уровнем промышленного развития [20]. Суммарные выбросы NOx в них составляли 5–12 тыс. т. в год. Города расположены на разных географических широтах: от 65° с.ш. до 38° с.ш. Для каждого города были рассчитаны средние концентрации NO2 и средние значения суммы солнечной радиации за 1983–1985 гг. Зависимость средней за год концентрации NO2 (q) от Q показана на рисунке 2.6.
 

 Таблица 2.2 – Наибольшие средние концентрации NO2 (части на 109) в городах
 L° Город Средняя концентрация L° Город Средняя концентрация
34
41
41
42
43
45
45
46
46
47
48
48
49
50
Лос-Анджелес
Ташкент
Нью-Йорк
Чикаго
Владивосток
Милан
Турин
Одесса
Донецк
Кривой Рог
Хабаровск
Запорожье
Штутгардт
Катовицы
56
53
46
31
43
60
44
51
60
40
36
44
30
42
51
51
52
52
52
53
54
55
57
58
59
59
64
70
Лондон
Саратов
Варшава
Амстердам
Липецк
Манчестер
Ульяновск
Москва
Рига
Пермь
Санкт-Петербург
Стокгольм
Рейкьявик
Мурманск
37
37
28
27
44
30
32
40
32
21
31
15
8
16

 

 Коэффициент корреляции между этими величинами равен 0,81.
Зависимость концентраций NO2 от Q определяется выражением

 

 

 

 Увеличить
 
Рисунок 2.6 ─ Средние концентрации NO2 (q, мкг/м3) при различной суммарной солнечной радиации (Q, ккал/см2)


 В начало                              Продолжение
 

Добавить комментарий Сообщение модератору


Защитный код
Обновить