28.01.2011 г.

  На главную раздела "Научные работы"


Безуглая Э.Ю., Смирнова И.В.




3.2.3 Влияние метеорологических факторов

 
 

          Как любое другое вещество, формальдегид, попав в атмосферу, находится под влиянием метеорологических условий, определяющих в дальнейшем его существование. Он переносится воздушными потоками, накапливается при слабых ветрах, застоях и приземных инверсиях до высоких концентраций.

          Чтобы выявить влияние скорости и направления ветра на концентрацию формальдегида, были использованы данные измерений концентрации этой примеси в Норильске, расположенном на 69° с.ш., где длительное время отмечались очень высокие концентрации формальдегида. Это крупный промышленный центр, в котором находятся такие предприятия как Медный, Никелевый, Металлургический заводы, Аглофабрика и несколько крупных ТЭЦ, окружающие город практически со всех сторон. В данных о выбросах указанными предприятиями это вещество отсутствует. Создалась довольно странная ситуация. Население страдает от значительных концентраций формальдегида, которые неизвестно откуда поступают. В связи с этим было проведено исследование, задача которого состояла в выяснении источников возникновения примеси. Они обязательно должны существовать.

          Для выполнения работы использованы данные ежедневных наблюдений за концентрацией формальдегида на двух станциях за 2002 год. Одна станция наблюдений (№3) расположена в северной части города и подвержена влиянию предприятий на западной окраине города. Другая станция (№10) находится в южной части, что позволяет оценивать влияние выбросов предприятий на ЮЗ, Ю и ЮВ. Всего использовано 1800 данных наблюдений. Из них получено, что средняя концентрация формальдегида за данный год составила 24 мкг/м3, а максимальная — 393 мкг/м3, т.е. превысила ПДК в 11 раз.

          Предварительно было уточнено расположение предприятий, возможных источников загрязнения воздуха, по отношению к станциям в городе. В северо-западном направлении от города находится Медный завод, в западном — Надеждинский металлургический завод, в юго-западном — Никелевый завод и Аглофабрика. Вокруг города расположены три ТЭЦ. ТЭЦ-1 вблизи границы города к ЮВ, ТЭЦ-2 расположена к ССВ от города на расстоянии более 15 км., в городе Талнах, она влияет, вероятно, слабо. ТЭЦ-3 находится к ЮЗ на значительном удалении от города. Поэтому ТЭЦ-2 и ТЭЦ-3 слабо влияют на состояние загрязнения в городе.

          Как показал анализ данных изменений в годовом ходе концентраций формальдегида, максимум отмечается в теплое полугодие (рисунок 3.17).

          В годовых изменениях показателя загрязнения в 2002 году в Норильске наблюдается четкий максимум в августе. В другие годы сезонные изменения происходят иначе, что, вероятно, обусловлено действием многих причин, в том числе и влиянием источников поступления формальдегида в атмосферу.

          Мы предположили, что высокие концентрации формальдегида не обязательно связаны с выбросами этого вещества, но могут создаваться в атмосфере в результате фотохимических реакций на фоне очень высокого общего загрязнения воздуха города.

          Так анализ годового хода концентраций формальдегида в Санкт-Петербурге показал, что концентрации его практически повторяют годовой ход концентрации озона, обнаруживая связь изменений в концентрациях формальдегида с теми же причинами, что изменения в концентрациях озона.

          Анализ годового хода концентрации формальдегида в городах России показывает, что, вероятно, формальдегид образуется в процессе реакции с углеводородами в атмосфере [13]. В ряде случаев его образованию способствует наличие в атмосфере высоких концентраций оксида азота. Однако возможно, что формальдегид хотя и не содержится в выбросах предприятия, но может создаваться в процессе выбросов металлургических предприятий при высокой температуре выходящих газов и наличии веществ, которые могут способствовать его образованию.

 

 Увеличить
 
Рисунок 3.17 - Годовой ход концентрации формальдегида в Норильске, 2002 год


          Результаты анализа зависимости концентрации формальдегида от метеорологических факторов заимствованы из дипломной работы Воробьевой И.А.

          Рассмотрено влияние направления ветра на концентрацию формальдегида в городе. Как сказано выше, промышленные предприятия размещены практически во всех направлениях от города. Поэтому в зависимости от того, при каких направлениях чаще всего возникают высокие концентрации, можно узнать, откуда он поступает. Для выяснения этого были выделены случаи с концентрацией формальдегида выше 50 мкг/м3 и рассчитано количество случаев с такими концентрациями при каждом направлении ветра на станции. За год на станциях 3 и 10 отмечено 85 таких случаев, из которых 25% составили концентрации при штилях.

          На станции 10, расположенной в южной части города, наибольшее число случаев высоких концентраций формальдегида отмечено при ЮЗ направлении ветра, т. е. со стороны Никелевого завода. Несколько меньшее число случаев высокой концентрации отмечено при ЮВ направлении со стороны ТЭЦ-1. Можно было бы сомневаться в источниках высоких концентраций формальдегида, если бы их появление не было четко связано с направлением ветра. Направленность воздушного потока с концентрациями формальдегида выше 50 мкг/м3 со стороны источников загрязнения не вызывает сомнения.

 

 Увеличить
 
Рисунок 3.18 - Количество случаев, при которых наблюдались
концентрации формальдегида выше 50 мкг/м3 на станции 10 (а)
и на станции 3 (б) в Норильске за 2002 год


          На станции 3 наибольшее число случаев таких концентраций отмечено при СЗ и З ветре со стороны Надеждинского металлургического завода. Повышено число случаев при ЮВ ветре и на станции 10. Четкое проявление связи высоких концентраций формальдегида с направлениями ветра со стороны крупных источников загрязнения воздуха указывает на то, что концентрации формальдегида приносятся от промышленных предприятий и ТЭЦ. Возможно, они образуются в результате фотохимических процессов в атмосфере, но не в городе, а в районе источников загрязнения воздуха, вблизи крупных промышленных предприятий, где высокотемпературные выбросы могут этому способствовать.

          Наибольшие средние концентрации на станции 3 наблюдались при З и ЮЗ. При этом концентрации формальдегида, наблюдаемые при ветре со стороны ТЭЦ, были не столь высокими, как при ветре со стороны Никелевого завода. ТЭЦ, расположенные на значительном удалении от города, не оказывают такого влияния. Четкое выделение повышенных концентраций формальдегида при западных и юго-западных направлениях ветра со стороны Металлургического, Никелевого заводов и Аглофабрики является подтверждением того факта, что формальдегид не является продуктом выбросов при производственных процессах на Металлургическом заводе, но создается, как вторичный продукт выбросов. Это становится возможным, поскольку выбросы указанных предприятий имеют высокую температуру и содержат углеводородные газы, оксиды азота и другие вещества, которые могут способствовать фотохимическому процессу. В результате происходящего процесса при З и ЮЗ направлениях ветра в городе отмечаются высокие концентрации формальдегида, которые не могли бы возникнуть в городе, расположенном в северных широтах, без существенного вклада выбросов промышленных предприятий в загрязнение воздуха.

          Далее было рассмотрено влияние температуры воздуха на формирование концентрации формальдегида в атмосфере города. Для этого использованы ежедневные данные о температуре воздуха и концентрациях формальдегида. Вначале была рассмотрена зависимость концентраций формальдегида от температуры в холодное время года. В Норильске зимой температура воздуха достигает -45°С, но может подниматься до 0°С. Совершенно определенно обнаружено, что зимой при отрицательной температуре концентрации формальдегида низкие, редко превышают 0,004 мг/м3 и не зависят от температуры воздуха. Весной с повышением температуры воздуха до 10°С концентрации начинают увеличиваться.

          Для дальнейшего анализа использованы результаты наблюдений за период с мая по октябрь 2002 года. Чтобы исключить погрешности, возникающие при определении низких концентраций примеси, были использованы лишь значения концентрации более 50 мкг/м3. Одновременно были исключены из обработки все данные с отрицательной температурой воздуха, которая возможна в начале и конце теплого периода. Зависимость концентрации формальдегида от температуры воздуха в теплое время года рассмотрена отдельно по данным каждой станции.

          При положительной температуре воздуха наблюдается заметная связь между температурой воздуха и концентрацией формальдегида. Чем выше температура, тем выше концентрации формальдегида. Связь между указанными параметрами нелинейная, вначале при низкой температуре воздуха рост концентрации формальдегида почти не происходит. Только при температуре выше 10°С начинается образование формальдегида (рисунок 3.19).

          Коэффициент корреляции между концентрацией и температурой воздуха составляет 0,67 по данным станции 3 и 0,6 по данным станции 10.

          Для станции 10 уравнение связи между концентрацией формальдегида (Q) и температурой воздуха (T) имеет вид:


 


          Характер связи представлен на рисунке 3.19.

Увеличить
 
Рисунок 3.19 - Зависимость концентраций формальдегида от температуры
воздуха в теплое время года 2002 года на станции 10 в Норильске
при исключении значений концентраций формальдегида ниже 50 мкг/м3

          Для станции 3 уравнение связи имеет вид:


 

          Характер связи показан на рисунке 3.20.

          Однако зависимость концентрации формальдегида от температуры воздуха хотя и наблюдается, но она не столь тесная, какой могла бы быть, если бы формальдегид образовывался непосредственно в условиях городского воздуха. Кроме того, отмечено, что основная масса низких концентраций формальдегида вообще слабо изменяется под влиянием температуры. Происходит это по той причине, что температура 20–25°С является еще недостаточной для протекания реакции.

Увеличить
 
Рисунок 3.20 - Зависимость концентраций формальдегида от температуры
воздуха в теплое время года 2002 года на станции 3 в Норильске
при исключении значений концентраций формальдегида ниже 50 мкг/м3


          Норильск расположен на севере Азиатского материка, где светлое время суток продолжается длительное время. И в этот период возможны фотохимические реакции даже при сравнительно невысокой, но положительной температуре воздуха. Об этом свидетельствуют результаты анализа.

          На станции 3 отмечено несколько случаев с концентрацией формальдегида выше 300 мкг/м3. Такие высокие концентрации не могут образовываться в условиях города. Вероятно, они возникли непосредственно в факеле выбросов предприятия, характеризующихся очень высокой температурой. Если имеются соответствующие химические соединения, которые способствуют процессу фотохимической реакции, то реакция может ускоряться. В выбросах металлургических предприятий содержатся оксиды азота, оксид углерода, углеводородные газы и металлы, которые являются катализаторами реакций. К сожалению, нельзя точно определить температуру выбрасываемых газов, поскольку весь объем газов очень быстро рассеивается и температура резко снижается.

          Был также выполнен сходный анализ зависимости концентрации формальдегида от температуры воздуха в городе вблизи мест добычи нефтяного топлива. По данным более  полутора тысяч разовых наблюдений в 2006 году  установлена четкая зависимость концентраций формальдегида от температуры воздуха. Это хорошо видно из рисунка 3.21. При отрицательной температуре воздуха концентрации формальдегида лишь варьируют в небольших пределах. С повышением температуры воздуха происходит рост концентраций. Коэффициент корреляции равен 0,76.

          Проверка влияния температуры воздуха на концентрацию формальдегида является задачей дальнейших исследований по данным наблюдений в других городах, расположенных в более южных широтах, где температура воздуха достигает больших значений. В условиях температурного потепления атмосферы, наблюдаемого в последнее время, особенно важно выяснить роль температуры воздуха в формировании концентраций формальдегида.

 

Увеличить
 
Рисунок 3.21 – Распределение концентраций формальдегида (Q, мкг/м3)
в зависимости от температуры воздуха (Т, °С) в 2006 году, г. Белоярский

 

В начало                              Продолжение

 

 

Добавить комментарий Сообщение модератору


Защитный код
Обновить