Эмиссия, химическая трансформация, образование из газов-предшественников и осаждение атмосферных аэрозолей в Московском регионе
Описание проекта
Цели и основные задачи проекта на период, на который предоставлен грант
Цель проекта состоит в комплексном исследовании атмосферных микрочастиц (аэрозолей) в условиях Московского мегаполиса, включающем натурные наблюдения микрофизических, химических и оптических характеристик аэрозолей и численное моделирование процессов поступления микрочастиц в воздушную среду через эмиссии от различных антропогенных и природных источников, образования из газов-предшественников непосредственно в атмосфере, трансформации и осаждения с учетом современных изменений городской структуры и климатического фона. Полученные в ходе выполнения проекта новые знания позволят значительно улучшить понимание роли атмосферных аэрозолей в формировании городского климата и экологической среды мегаполиса (атмосферный воздух и подстилающая поверхность), их влияния на качество атмосферного воздуха в различных условиях и здоровье населения, а также будут использованы при оценке экологических рисков.
Для достижения цели проекта было запланировано решение таких фундаментальных задач, как:
- установление закономерностей пространственно-временной изменчивости параметров аэрозольных микрочастиц диаметром до 10-15 мкм (морфологическая структура, химический и дисперсный состав, оптические характеристики, счетная и массовая концентрация), а также содержания неорганических и органических газов-предшественников в приземном воздухе г. Москвы и Звенигородской научной станции (ЗНС) ИФА РАН (Московская обл., Одинцовский р-н) с учетом метеорологических и синоптических условий;
- корреляционный анализ полученных экспериментальных результатов об элементном составе аэрозольных микрочастиц размером до 10-15 мкм, опубликованных данных других авторов о химическом составе дорожной пыли и почв городских ландшафтов с учетом локализации их антропогенных и природных источников в Московском регионе;
- определение и дифференциация различных источников аэрозольных микрочастиц в приземном слое атмосферы Московского региона на основе данных наблюдений на станциях ИФА РАН и сети московских станций мониторинга состава атмосферы ГПБУ «Мосэкомониторинг»;
- оценка экологических рисков и выявление степени влияния аэрозольных микрочастиц на здоровье населения в условиях городской среды, в том числе с учетом возможного влияния ограничительных мер по сдерживанию пандемии COVID-19 на эмиссии и изменчивость характеристик аэрозольных микрочастиц, а также уровень аэрозольного загрязнения.
Аннотация проекта (актуальность, уровень значимости и научная новизна исследования; результаты и их значимость
Проект посвящен экспериментально-теоретическому исследованию физико-химических характеристик микрочастиц аэрозолей в условиях городской среды и пригородной зоны с целью уточнения их роли в атмосферных процессах, обуславливающих изменение состава атмосферы, и, как следствие, состояния и качества окружающей среды и климата. Задачи включают комплексные натурные наблюдения микрофизических характеристик, элементного и морфологического состава приземного аэрозоля и содержания газов-предшественников аэрозоля (ГПА) в Московском мегаполисе и пригороде, а также численное моделирование полей концентрации атмосферных примесей (на примере московского мегаполиса), оценку и коррекцию их эмиссий с целью описания процессов поступления микрочастиц аэрозолей в воздушную среду от различных антропогенных и природных источников, образования из ГПА непосредственно в атмосфере, трансформации и осаждения с учетом современных изменений городской структуры и климатических условий.
Впервые при решении задач проекта был использован уникальный банк данных о характеристиках аэрозольных микрочастиц и их предшественников – газовых примесей, включающий результаты собственных натурных экспериментов в рамках проекта и полученных ранее, а также измерений на сети станций ГПБУ «Мосэкомониторинг» (МЭМ) за 2005-2022 годы, спутниковых данных и данных реанализа.
При реализации проекта созданы и адаптированы экспериментальные комплексы для синхронных наблюдений физико-химических характеристик микрочастиц приземного аэрозоля и концентрации газовых примесей атмосферы. Оригинальность аэрозольного и газоаналитического комплексов заключается в их многофункциональности, позволяющей проводить непрерывные наблюдения многих параметров аэрозольных микрочастиц и содержания малых газовых составляющих, синхронно в московском мегаполисе и пригороде.
Получены новые данные непрерывных трехлетних (2020-2022 гг.) натурных наблюдений физико-химических характеристик (морфологическая структура, элементный и дисперсный состав, счетная и массовая концентрация) микрочастиц приземных аэрозолей и приземной массовой концентрации малых газовых примесей, включая газы-предшественники аэрозолей (NOx, ЛОС). Уникальность этих данных связана не только с комплексностью исследований параметров аэрозольных микрочастиц и газов-предшественников, но и с проявлением специфических условий наблюдения за составом атмосферы в крупном городе, обусловленных как неблагоприятными метеорологическими процессами, так и особым режимом функционирования локальных антропогенных источников в условиях ограничений из-за пандемии COVID-19. Установлено не только влияние локальных антропогенных источников на состав атмосферы, но и более сильное воздействие метеорологических и синоптических условий, особенно в период их неустойчивости и изменчивости при переходе от холодного к теплому сезону и наоборот.
Исследована изменчивость концентрации приземного аэрозоля с учетом синоптико-метеорологических условий и специфики природных и локальных антропогенных источников аэрозолей. За весь период наблюдений выявлено 10 эпизодов длительностью 2-10 суток с аномальным ростом массовой концентрации приземного аэрозоля в Москве и 5 эпизодов – в пригороде (5,7 и 1,6 % случаев от всех данных измерений соответственно). Показано, что эти эпизоды характеризуются величинами среднесуточной массовой концентрации частиц РМ 10 , превышающими ПДК (60 мкг/м 3 ). Для более мелкой фракции аэрозольных частиц РМ 2.5 случаев с превышением ПДК (35 мкг/м 3 ) достоверно не выявлено.
Установлены основные типы источников аномально высокого уровня аэрозольного загрязнения приземного воздуха Московского мегаполиса: региональный перенос аэрозолей горения или смешанных аэрозолей горения и пыли из районов с очагами пожаров биомасс; дальний и региональный перенос пылевого аэрозоля из юго-восточной и южной части ЕТР, включая пустынные и засушливые территории Нижнего Поволжья, Прикаспия и Приаралья, подверженные пыльным и песчаным бурям; интенсивные локальные антропогенные источники (участки демонтажа и разрушения старых зданий и сооружений, строительства новых зданий, дорог и др.). Показано, что мощные локальные антропогенные источники сопоставимы по продолжительности и интенсивности воздействия с эффектом от пыльных бурь в засушливых районах юга ЕТР. Выполнены грубые оценки дальности воздействия таких антропогенных источников.
Изучена пространственно-временная изменчивость элементного состава приземного аэрозоля с учетом различия сезонов, синоптико-метеорологических условий и специфики различных аэрозольных источников, включая эпизоды экстремально высокого аэрозольного загрязнения атмосферы. Установлена природа химических элементов в составе приземного аэрозоля вне периодов сильного аэрозольного загрязнения: терригенные – Th, Al, U, La, V, Li, Sr, Ba, Mg, Fe, Cs, Co, Mn, Cr, K, Ca – для мегаполиса и пригорода (+ P, Hf, Na для мегаполиса); нетерригенные - Mo, Cu, Zn, Pb, Sn, S, Sb, Cd, Se, Bi – для мегаполиса (+ As) и пригорода (+ Hg); смешанного происхождения - Ni, Hg, W – в мегаполисе, только летом; Na, Ni, P, Hf, As, W – в пригороде в разные сезоны. С использованием атмогеохимического подхода выполнен сравнительный анализ геохимических спектров почв, дорожной пыли и приземного аэрозоля в Москве с использованием данных собственных натурных наблюдений и результатов других исследователей, опубликованных в открытых источниках. Установлено, что приземные аэрозоли Московского мегаполиса сильно обогащены тяжелыми металлами, металлоидами и серой не только относительно почв фоновых ландшафтов, но и относительно загрязненных городских почв и дорожной пыли.
Впервые накоплены обширные данные о морфологической структуре микрочастиц приземного аэрозоля в Москве в разные сезоны. Установлены основные морфологические типы аэрозольных частиц в составе городского приземного воздуха.
С использованием результатов собственных натурных наблюдений и многолетних (2005-2020 гг.) рядов данных МЭМ исследована динамика атмосферного загрязнения воздушного бассейна Москвы. Установлены закономерности суточной, недельной и сезонной цикличности массовой концентрации приземного аэрозоля РМ 10 и основных газовых примесей, включая газы-предшественники аэрозолей.
Для численного моделирования полей концентрации аэрозольных микрочастиц и газовых примесей, а также для исследования процессов эмиссии, химической трансформации, образования из газов-предшественников и осаждения микрочастиц аэрозолей предложена химико-транспортная модель (ХТМ) SILAM. В рамках проекта решена новая задача усовершенствования и коррекции химического блока ХТМ SILAM, описывающего гетерогенные и гетерофазные процессы трансформации загрязняющих примесей. В частности, достигнуто согласование моделируемых процессов образования и разрушения озона, оказывающего большое влияние на концентрации газов-предшественников аэрозолей. Получены новые данные о характеристиках пространственной и временной недельной цикличности приземных аэрозольных частиц и некоторых газовых примесей, включая газы-предшественники аэрозолей (NOx, ЛОС) в приземном слое атмосферы Москвы по результатам численных экспериментов с применением ХТМ SILAM. Выполнена численная оценка и коррекция эмиссий микрочастиц РМ 10 и некоторых газовых примесей, включая газы-предшественники аэрозолей, на основе данных на станциях наблюдения МЭМ. Детализированы транспортные источники в московском мегаполисе, необходимые для коррекции пространственного распределения эмиссий примесей, включая аэрозольные микрочастицы. Получены новые результаты валидации данных численных модельных расчетов с применением ХТМ SILAM по данным натурных комплексных экспериментов, выполненных в рамках настоящего проекта, а также по многолетним рядам данных о составе атмосферы на станциях МЭМ. Эти результаты использованы при коррекции распределения и интенсивности источников аэрозольных микрочастиц в Московском регионе. Новизна заключается как в постановке модельной задачи, так и в полученных результатах численного моделирования.
В целом основные задачи проекта успешно решены. Полученные в рамках проекта новые результаты будут способствовать улучшению понимания роли атмосферных аэрозолей в формировании городского климата и экосистем мегаполиса, влияния аэрозолей на качество атмосферного воздуха и здоровье населения.
Аннотациянаанглийскомязыке
The project is devoted to the experimental and theoretical study of the physicochemical characteristics of aerosol microparticles in urban and suburban environments in order to clarify their role in atmospheric processes that cause changes in the composition of the atmosphere, and, as a consequence, the state and quality of the environment and climate. The tasks include complex field observations of microphysical characteristics, elemental and morphological composition of near-surface aerosol and the content of aerosol precursor gases (APG) in the Moscow metropolis and suburbs, as well as numerical modeling of atmospheric impurity concentration fields (using Moscow metropolis as an example), assessment and correction of their emissions in order to describe the processes of aerosol entering from various anthropogenic and natural sources, formations from APG directly in the atmosphere, transformation and deposition taking into account modern changes in urban structure and climatic conditions.
For the first time in solving the project tasks, a unique data bank on the characteristics of aerosol gas impurities was used, including the results of our own field experiments within the project and those obtained earlier, as well as measurements on the network of stations of the State Budgetary Institution "Mosecomonitoring" (MEM) for 2005-2022, satellite data and reanalysis data.
During the implementation of the project, experimental complexes were created and adapted for synchronous observations of physicochemical characteristics of aerosol microparticles and the concentration of atmospheric gas impurities. The originality of the aerosol and gas monitoring complexes lies in their versatility, which allows continuous observations of many parameters of aerosols and small gas components, including G, synchronously in Moscow and suburb.
New data of continuous three-year (2020-2022) field observations of physicochemical characteristics (morphological structure, elemental and dispersed composition, number and mass concentration) of near-surface aerosols and mass concentration of small gas impurities, including aerosol precursor gases (NOx, VOCs), have been obtained. The uniqueness of these data is connected not only with the complexity of studies, but also with the manifestation of specific conditions for monitoring the atmospheric composition in a large city, due to both unfavorable meteorological processes and/or the specific functioning of local anthropogenic sources under restrictions due to the COVID-19 pandemic. It is established not only the influence of local anthropogenic sources on the atmospheric composition, but also a stronger impact of meteorological and synoptic conditions, especially during their instable and variable transition seasons from cold to warm and vice versa.
The variability of near-surface aerosol concentration is studied taking into account the synoptic and meteorological conditions and the specifics of natural and local anthropogenic sources of aerosols. Over the entire observation period, 10 episodes lasting 2-10 days with an abnormal increase in the mass concentration of near-surface aerosol in Moscow and 5 episodes in the suburb were detected (5.7 and 1.6% of cases from all measurement data, respectively). It is shown that these episodes are characterized by the values of the average daily mass concentration of PM 10 particles exceeding the MPC (60 micrograms/m 3 ). For a smaller aerosol particles PM 2.5 , no cases with an excess of MPC (35 micrograms/m 3 ) were reliably detected.
The main types of sources of abnormally high level of aerosol pollution in Moscow metropolis have been identified: regional transfer of fire aerosols or mixed them with dust from areas with biomass fires; long-range and regional transport of dust aerosol from the south-eastern and southern parts of ETR, including desert and arid areas of the Lower Volga region, the Caspian and the Aral Sea region, subjected to dust and sand storms; intensive local anthropogenic sources (dismantling and destruction of old buildings and construction of new buildings, roads, etc.). It is shown that powerful local anthropogenic sources are comparable in duration and intensity of impact with the effect of dust storms in the arid areas of the south of ETR. Rough estimates of the impact range of such anthropogenic sources have been made.
The spatial and temporal variability of elemental composition of near-surface aerosol has been studied, taking into account the differences in seasons, synoptic and meteorological conditions and the specifics of various aerosol sources, including episodes of extremely high aerosol pollution of the atmosphere. The nature of the chemical elements in the aerosol composition outside the periods of high aerosol pollution has been established: terrigenous – Th, Al, U, La, V, Li, Sr, Ba, Mg, Fe, Cs, Co, Mn, Cr, K, Ca – for the metropolis and suburb (+ P, Hf, Na for megalopolis); non-terrigenous – Mo, Cu, Zn, Pb, Sn, S, Sb, Cd, Se, Bi – for megapolis (+ As) and suburb (+ Hg); of mixed origin –Ni, Hg, W – in megapolis, only in summer; Na, Ni, P, Hf, As, W – in the suburb in different seasons. Using the atmogeochemical approach, a comparative analysis of the geochemical spectra of soils, road dust and near-surface aerosol in Moscow was performed using data from our own field observations and the results of other researchers published in open sources. It has been established that the aerosols of Moscow metropolis are highly enriched with heavy metals, metalloids and sulfur not only with respect to the soils of background landscapes, but also with respect to polluted urban soils and road dust.
For the first time, extensive data on the morphological structure of near-surface aerosol microparticles in Moscow in different seasons have been accumulated. The main morphological types of aerosol particles have been established.
Using the results of our own field observations and long-term (2005-2020) MEM data series, the dynamics of atmospheric pollution of the Moscow air basin was studied. The regularities of the daily, weekly and seasonal cycling of the mass concentration of near-surface aerosol PM 10 and the main gas impurities, including the APG, have been established.
For numerical simulation of the concentration fields of aerosols and gas impurities, as well as for the study of the processes of their emission, chemical transformation, formation from APG and deposition, the chemical transport model (HTM) SILAM is proposed. Within the framework of the project, a new task of improving and correcting the chemical block HTM SILAM, describing heterogeneous and heterophase processes, has been solved. In particular, coordination of the simulated processes of ozone formation and destruction, which has a great influence on the concentrations of APG, has been achieved. New data on the characteristics of the spatial and temporal weekly cyclicity of surface aerosol particles and some gas impurities, including APG (NOx, VOCs) in Moscow atmosphere have been obtained based on the results of numerical experiments using HTM SILAM. Numerical estimation and correction of emissions of PM 10 microparticles and some gas impurities, including APG, based on data at MEM observation stations was performed. Transport sources in the Moscow megalopolis necessary for correction of spatial distribution of emissions of impurities, including aerosol microparticles, are detailed. New results of validation of the calculation data of the model HTM SILAM have been obtained based on full-scale complex experiments carried out within the framework of this project, as well as on long-term data series on the composition of the atmosphere at MEM stations. These results were used to correct the distribution and intensity of aerosol microparticle sources in the Moscow region. The novelty lies both in the formulation of the model problem and in the obtained results of numerical modeling.
In general, the main tasks of the project have been successfully solved. The new results obtained within the framework of the project will contribute to understanding the role of atmospheric aerosols in the formation of urban climate and ecosystems of metropolis, the impact of aerosols on atmospheric air quality and public health.