26.01.2011 г.

  На главную раздела "Научные работы"


Безуглая Э.Ю., Смирнова И.В.




3.1.4 Прогнозирование концентраций озона

 

          Для анализа зависимости между средними концентрациями NO2 и O3 нами были использованы, помимо данных из Голландии и Германии, данные о средних за 1990 год концентрациях озона для 25 крупнейших городов Европы из Air Quality [61]. (В двух городах (Лиль, Лион) концентрации О3 были очень низкие и не учитывались.) Зависимость концентрации О3 от концентрации NO2, полученная по данным этих городов, показана на рисунке 3.13. Как видно из рисунка, корреляция здесь во всем диапазоне концентраций линейная и тесная. Коэффициент корреляции между концентрациями NO2 и O3 составляет 0,714. Этот рисунок показывает возможность достаточно надежного прогноза средних за год концентраций О3 при известных средних концентрациях NO2. Уравнение регрессии имеет вид: 


 

 Увеличить
 
1 – города Германии и Нидерландов; 2 – 25 крупнейших городов Европы
3 – линия регрессии
Рисунок 3.13 - Зависимость между средними концентрациями озона и диоксида азота


          Все результаты измерений находятся в пределах закономерностей изменения соотношений между озоном и диоксидом азота. Этот рисунок подтверждает выводы, полученные при рассмотрении других взаимосвязей между химическими компонентами. Озон практически отсутствует при концентрациях NO2, достигающих 40 частей на млн. (76 мкг/м3), и его содержание в воздухе максимально при низких концентрациях NO2.

          В работе R. Crouse and H. Jeffries [78] полагают, что наибольшее влияние (30–60%) на образование озона оказывают не оксиды азота, а летучие углеводороды. Однако приведенные выше факты говорят о другом. Возможно, что NO2 определяет среднюю концентрацию озона, а летучие углеводороды влияют на возникновение пиковых концентраций в отдельные дни.

          Изучение озона в приземном слое воздуха проводится достаточно активно во многих странах. Это позволяет установить возможные уровни концентраций озона и прогнозировать повышение уровня О3 в отдельные периоды. В России наблюдения за приземным озоном проводятся в небольшом количестве городов. Однако имеется обширная информация о концентрациях NO2 и NOх. Исходя из полученных выше уравнений и значений концентрации NO2 и NOх, можно определить районы, где ожидаемы наибольшие концентрации О3.

          Воспользовавшись зависимостями между О3, NO2 и O3 и NO/NO2, получим, что при минимуме NO2 и NO/NO2, когда в атмосфере преобладают условия, благоприятные для фотохимических реакций образования озона, можно ожидать наибольшие средние за месяц концентрации О3, которые будут в пределах 30 частей на 109.

          Проверить эти выводы возможно, лишь воспользовавшись данными наблюдений в 1991 году в Санкт-Петербурге в двух местах: на западной окраине города вблизи залива (Информационный центр) и в южной части города в 1994 году в районе тепловой электростанции (ТЭЦ); данные приведены в таблице 3.1.

 

 Таблица 3.1 – Средние концентрации О3 в Санкт-Петербурге по данным измерений (О3 1) и по данным расчета (О3 2), в частях на 109
 Месяц Местоположение Год О3 1
 О3 2
 Июль Информационный центр 1991 22 24
 Август  - " - 1991 19 12
 Сентябрь ТЭЦ 1991 18 20
 Март - " - 1994 28 24
 Апрель - " - 1994 32 25
 Май - " - 1994 32 28
 Июнь - " - 1994 27 28
 Июль   1994 28 26



          Средние за месяц концентрации О3, рассчитанные по уравнению (3.3), сравнимы с наблюдаемыми концентрациями в 1991 и 1994 годах. Как видно, данные расчета и наблюдений мало различаются.

          Средняя концентрация озона в июле была равна расчетному значению. В сентябре расчетная концентрация была выше наблюдаемой на 28%. В августе различие достигает 61%. В 1994 году (март–июль) наблюдаемые концентрации озона отличались от рассчитанных по уравнению значений не более чем на 20%.

          Как оказалось при тщательном анализе результатов наблюдений, в течение нескольких дней августа разовые измерения за 30 минут концентрации NO2 были очень высокими в ночное время (100–600 мкг/м3). Источники выбросов NO2 не были установлены. Для этих дней концентрации озона не соответствуют результатам расчетов. Без учета этих данных наблюдаемая концентрация О3 равна 19 частей на 109, а расчетная — 16 частей на 109, т.е. согласуются между собой.

          Как известно, озон в приземном слое атмосферы может формироваться только в дневное время под влиянием солнечной радиации. В темное время суток в августе он не мог бы образоваться. Однако довольно часто в ночное время наблюдались высокие концентрации О3, иногда даже более высокие, чем в период ее дневного максимума. Средние из наблюдаемых концентрации О3 за период, когда наблюдались всплески высоких концентраций в ночное время в июле, были выше расчетных на 7%, а в августе — на 31,6%. Как обращает внимание J.Calvert [76], химические процессы в ночное время могут играть важную роль. Озон производится диссоциацией молекул кислорода под влиянием ультрафиолетовой радиации в основном в тропических широтах. Наблюдения показывают его повышенные концентрации и в высоких широтах. В работе M. Geller [87] рассматривается возможность переноса озона из тропических широт в нижней тропосфере в стратосферу у полюса и вниз в тропосферу, создавая рост концентрации О3 на высоких широтах. Можно полагать, что в отдельные периоды в приземном слое атмосферы над Санкт-Петербургом происходит именно такое явление, озон приходит из стратосферы и вызывает повышение приземного озона иногда незначительно, иногда довольно существенно. Возможно, этим и объясняется несовпадение расчетных и наблюдаемых концентраций О3 в августе 1991 г.

          Выше мы говорили о более высоких концентрациях О3 летом в Голландии при тех же концентрациях NO2, что и в Германии. Это также может указывать на возможность поступления стратосферного озона.

          Таким образом, имеются возможности прогноза среднемесячных концентраций О3 по данным о концентрациях оксидов азота.

          В таблице 3.2 для ряда городов России приведены средние за год концентрации NOx , NO, NO2, (NO2 1), минимальные средние за летний месяц в целом по городу (NO2 2) и на станции с минимальной концентрацией NO2 (NO2 3). Прогнозные средние за год концентрации О3 рассчитывались по формулам (3.4) и (3.5), а для летних месяцев — по формуле (3.4). В графах О3 1, О3 2 и О3 3 приведены соответственные прогнозные оценки концентрации озона. Исходя из прогноза, можно ожидать средние за год концентрации О3 от минимальных — от 10 частей на 109 до максимальных — 27 частей на 109, т.е. от 20 мкг/м3 до 54 мкг/м3. Наибольшие различия в О3 1 отмечены в тех случаях, когда средняя за год концентрации NO2 была выше 30 частей на 109, т.е. выше 57 мкг/м3. Такая ситуация возможна в некоторых городах.

          Летом средние за месяц концентрации О3 могут изменяться от 12–15 частей на 109 в Москве, Саратове и Владивостоке до 23–26 частей на 109 в Екатеринбурге, Кемерово, Красноярске, Мурманске, Новокузнецке, Омске, Петропавловске-Камчатском и Якутске. В каждом городе на одной из станций летом можно ожидать средние месячные концентрации до 26–30 частей на 109, т.е. 52–60 мкг/м3 (2 ПДК).

          Максимальные концентрации с осреднением за 20–30 мин. обычно выше средней за месяц в 3–5 раз и зависят от типа города и от метеорологических условий, определяющих рассеивание примесей [5]. В городах, где средние за месяц концентрации О3 равны 26–30 частей на 109, максимум концентрации О3 может достигать 80–150 частей на 109, т.е 160–300мкг/м3. Согласно американскому отчету [101], в городах США наибольшие значения второго максимума концентрации О3 обычно составляют 100–120 частей на 109, т.е. соответствуют полученным нами оценкам. По последним данным измерений в городах России максимум концентрации озона достигал 90–160 мкг/м3, а на одной из станций в Санкт-Петербурге отмечено значение, равное 300 мкг/м3. Как видим, расчетные данные соответствуют наблюдаемым.

 

 Таблица 3.2  – Средние за год и за летний месяц концентрации примесей, части на 109
NO2 1 и O3 1– средняя годовая концентрация;
NO2 2 и O3 2 — средняя по городу для летнего месяца;
NO2 3 — средняя наименьшая для летнего месяца;
O3 3 — средняя наибольшая для летнего месяца.
 Город Средняя годовая
концентрация
 Средняя
за месяц
концентрация
 Прогнозные концентрации
  NОx NONO2
1
 NO2
2
 NO2
3
 O3 1
 O3  
2
O3   
3
 по NOxпо NO2
 Владивосток 124
 75
 49
 27
 5
 12
 1
 15
 30
 Екатеринбург 68 43
 25
 12
 5
 18
 16
 25
 30
 Иркутск 66 38
 28
 -
 10 19
 15
 -
 26
 Калининград 27 8
 19
 16
 10
 23
 20
 22
 26
 Кемерово 32 13
 19
 12
 5
 22
 20
 25
 30
 Красноярск 85
 53
 32
 15
 5
 17
 12
 23
 30
 Краснодар 44  23
 21 -
 10
 21
 19
 -
 26
 Москва 71
 38
 33
 29
 16
 18
 11
 14
 22
 Мурманск 41
 22
 19
 12
 10
 21
 20
 25
 26
 Новокузнецк 36
 12
 24
 14
 5
 22
 17
 24
 30
 Новосибирск 41 20
 21
 17
 5
 21
 19
 22
 30
 Норильск 100 78
 22
 18
 5
 15
 18
 21
 30
 Омск 64
 47
 17
 10
 5
 19
 22
 26
 30
 Оренбург 50
 25
 25
 18
 10
 20
 16
 21
 26
 Пермь 56
 30
 26
 16
 5
 20
 16
 22
 30
 Петропавловск-
 Камчатский
 32 16
 16
 11
 5
 22
 22
 26
 30
 Ростов-на-Дону 119
 82
 37
 16
 5
 13
 9
 22
 30
 Самара 36
 17
 19
 18
 10
 22
 20
 21
 26
 Санкт-Петербург 67
 35
 32
 16
 5
 19
 12
 22
 30
 Саратов 66 33
 33
 32
 10
 19
 12
 12
 26
 Хабаровск 64
 35
 29
 22
 10
 19
 14
 18
 26
 Челябинск 49
 28
 21
 22
 10
 21
 19
 18
 26
 Якутск 64
 43
 21
 13
 10
 19
 19
 24
 26

 

          Выполненное нами исследование концентраций диоксида азота на основе экспериментальных данных позволяет говорить о том, что при значительных выбросах NОх, когда наземные концентрации их превышают 100 частей на 109, значительное уменьшение NOх будет приводить к слабому уменьшению концентрации NO2 и, следовательно, мало изменит среднюю концентрацию озона. При концентрациях NOх менее 50 частей на 109 уменьшение выбросов NОх будет приводить к одновременному уменьшению NO и NO2 и росту концентраций О3.

          Полученные выводы согласуются с прогнозными сценариями расчета концентраций О3 при различных сочетаниях NOх и летучих органических компонент, выполненные Leeuw [95]. По прогнозным сценариям получено, что при уменьшении выбросов органических компонент на 50% будет значительно уменьшена пиковая величина О3. Эффективность уменьшения NOх увеличивается только при значительном (на 70% и более) снижении их выбросов.

          По данным отчета [103], в ряде крупнейших городов США за десять лет установлено: чем выше дневная температура воздуха, тем выше 1-часовой максимум О3. В работе [115] показано наличие высокой положительной корреляции между концентрациями О3 и температуры воздуха. Это естественно, поскольку фотохимические реакции ускоряются при повышении температуры.

          Используя данные о количестве дней с температурой воздуха более 30°C, можно предсказать, где ожидаются наиболее часто высокие концентрации озона. Среди крупнейших городов России с температурой воздуха в теплый период года более 30°С высокие концентрации озона возможны в Волгограде, Краснодаре, Оренбурге, Ростове-на-Дону, Самаре. В этих городах можно прогнозировать эпизоды, когда максимальная концентрация озона достигнет 2 ПДК.

          Российский стандарт (ПДК) для среднесуточных концентраций озона составляет 30 мкг/м3. Как видно из таблицы, он может быть превышен в 2 раза средними за месяц концентрациями в половине рассматриваемых городов, но не более. Данные измерений в Екатеринбурге, Дзержинске, Новосибирске и Санкт-Петербурге показывают среднемесячные значения менее 60 мкг/м3, т.е не превышают 2 ПДК. ВОЗ рекомендовала в качестве критерия величину 100 мкг/м3 среднюю за 8 часов.

          Все города, где прогнозируются концентрации О3, превышающие ПДК, расположены южнее 55° с.ш., многие — в зоне высокого и очень высокого потенциала загрязнения атмосферы. Поэтому с учетом климатических условий можно полагать, что концентрации озона не могут быть более 3 ПДК. Особого внимания заслуживает Владивосток — самый южный крупный город России. Он расположен в очень сложных орографических условиях в муссонном климате и, возможно, это определяет активные фотохимические процессы в атмосфере. Но и там, вероятно, не будут измерены более высокие концентрации этой примеси. Во всяком случае, при существующих средних концентрациях диоксида азота в городах России средние концентрации озона не ожидаются выше указанных.

          Представленные выше результаты позволяют сделать важный вывод. Атмосферные условия таковы, что определяют численные соотношения составляющих фотохимических реакций. Они показывают пределы возможных изменений концентрации озона в атмосфере.

          С помощью математических моделей разрабатываются методы прогноза озона в городах. Но прогнозируемые величины всегда будут для средних концентраций в пределах 60–70 мкг/м3, а для максимальных - в пределах 300 мкг/м3. С учетом действующих в России ПДК это означает, что уровни загрязнения воздуха этим веществом не будут превышать 2–3 ПДК. Для городов России, где измеряются максимумы других примесей до 10 ПДК, это не очень большие значения.
 

В начало                              Продолжение

 

 

Добавить комментарий Сообщение модератору


Защитный код
Обновить