Природные и антропогенные воздействия на состав атмосферного аэрозоля в мегаполисе (на примере Москвы)

Описание проекта

Приземный аэрозоль – многокомпонентная составляющая атмосферы, непосредственно влияющая на качество жизни населения. Состав и свойства атмосферного аэрозоля определяются источниками (природными и антропогенными) и стоками (из атмосферы) его составляющих, взаимодействием их между собой и с атмосферными газами. В разные сезоны года вклад и интенсивность этих процессов различны. Дальний и региональный атмосферный перенос примесей различного генезиса также должен рассматриваться как природное воздействие на состав воздуха в городе. Специфическим маркером источников аэрозолей и динамики экосистем служит элементный состав аэрозольных частиц, однако его изменчивость в городах и пригородных районах изучена недостаточно.

Цель проекта – решение фундаментальной проблемы идентификации механизмов формирования состава атмосферного аэрозоля в мегаполисе и оценки их вкладов – для разных сезонов.

При реализации проекта планируется решение новой задачи, связанной с разработкой и апробацией методических подходов для выделения условно фоновых уровней (несмотря на антропогенную нагрузку) массовой концентрации аэрозолей различных размерных фракций и отдельных химических элементов в атмосфере города в разные сезоны.

Актуальность исследования обусловлена климатическими и экологическими вызовами современности.

(1) Климатические изменения на планете проявляются в атмосфере все более часто и контрастно в аномальных погодных (температура воздуха, ветры, осадки) и синоптических (атмосферные блокинги, способствующие высокой устойчивости нетипичных направлений переноса воздушных масс и загрязнений) условиях. Регистрация откликов на такие явления и оценка их значимости для приземного воздуха города являются ключевой научной задачей данного проекта.

(2) Изменчивость состава приземного воздуха определяет состояние городских экосистем и, следовательно, их воздействие на качество жизни населения.

Проект направлен на изучение состава и свойств аэрозоля в приземном воздухе мегаполиса (Москва) и влияния на него антропогенных и природных факторов в разные сезоны и в разных метеорологических и синоптических условиях. Это комплексное исследование по результатам непрерывных наблюдений, проводимых с конца 2019 года в центре города на территории ИФА им. А.М. Обухова РАН и на подмосковной научной станции Института вблизи Звенигорода. Будут анализироваться данные, уже накопленные в этих двух пунктах и получаемые в годы выполнения проекта (если он будет поддержан), о дисперсном, массовом и элементном составе приземного аэрозоля города и пригорода в разные сезоны.

Новизна предлагаемой работы состоит:

(1) в создании базы данных непрерывных многолетних результатов наблюдений за составом приземного аэрозоля в центре города и в пригороде;

(2) в разработке и апробации методических подходов для выделения условно фоновых уровней концентрации различных составляющих аэрозоля в Москве;

(3) в анализе эпизодов максимального аэрозольного загрязнения атмосферы в Москве, их происхождения и процессов очищения городского воздуха в разные сезоны.

Использование регулярного, достаточно длительного ряда исходных данных (до 5 лет ежедневных измерений), единообразных методов и подходов к их получению и анализу позволит достичь результатов высокого качества, надежности и статистической значимости.

Ожидаемые результаты

Разработанная современная база данных о составе приземного аэрозоля в центре Москвы (пункт наблюдения ИФА РАН) и в пригороде (пункт наблюдения ЗНС ИФА РАН).

Выявленные сезонные особенности и, наоборот, общие черты сезонов в дисперсном, массовом и элементном составе аэрозоля Москвы и ее пригорода в изучаемые годы, включая распределения элементов по размерам частиц.

Эмпирические оценки скоростей осаждения/накопления аэрозолей разной дисперсности и отдельных химических элементов при изменении метеопараметров атмосферы в разные сезоны – для Москвы и пригородного района.

Выявленные случаи повышения аэрозольного загрязнения воздуха, связанного с дальним/региональным атмосферным переносом из других районов, источники загрязнения и генезис переносимых примесей. Оценка масштабов и значимости таких событий по сезонам и в целом за год (частично по литературным данным).

Результаты анализа эпизодов влияния локальных антропогенных источников на состав приземного аэрозоля в мегаполисе.

Разработанные подходы к выявлению условных фоновых характеристик аэрозольного состава. Выполненные оценки условных фоновых уровней аэрозольного загрязнения разной дисперсности и фоновых профилей концентрации химических элементов для разных сезонов в Москве и в Подмосковье.

Оценки значимости природных и антропогенных воздействий на состав аэрозоля в городе и в пригороде в разные сезоны и в целом за год – при сравнении рассмотренных сезонов с многолетней статистикой метео- и синоптических условий в Московском регионе.

Все результаты анализа современных непрерывных наблюдений за составом аэрозоля в приземном воздухе Москвы и ее пригорода будут уникальны, поскольку межгодовые вариации атмосферных условий велики. Значимость и надежность результатов обеспечивается длительностью ряда исходных данных (до 5 лет непрерывного мониторинга подряд), а также единообразием современных методов и подходов к их получению и анализу. Эти данные позволят выделить эпизоды повышенного аэрозольного загрязнения в городе и в пригороде, а также определить условно фоновый уровень концентрации аэрозоля разных размеров и отдельных химических элементов в его составе – для дальнейшего сопоставления с аналогичными данными для всего природно-территориального комплекса (ПТК) центра ЕТР. Разработанные методики и походы могут быть адаптированы и применены для анализа данных других регионов и других антропогенных источников.

Результаты проекта будут полезны при решении фундаментальных задач в области климатологии и физикохимии атмосферы, в том числе для уточнения и повышения достоверности климатических и транспортно-химических моделей. Кроме того, результаты проекта важны для решения прикладных проблем, связанных с оценкой и прогнозом состояния экосистем, и будут востребованы службами мониторинга окружающей среды и органами регионального управления с целью контроля, прогнозирования и предупреждения чрезвычайных экологических ситуаций в условиях развития и реконструкции городской инфраструктуры.

Полученные в ходе выполнения проекта новые знания будут способствовать улучшению понимания роли атмосферных аэрозолей в формировании городского климата и экологической среды мегаполиса (атмосферный воздух и подстилающая поверхность), влияния различных атмосферных условий на качество воздуха и здоровье населения.

В рамках 1-го этапа проекта все запланированные работы выполнены.

1. Определены структура, параметры и функциональные возможности для формирования базы данных (БД) результатов наблюдений характеристик приземного аэрозоля в Москве и пригороде. Разработано программное обеспечение БД. Выполнена структуризация БД, включающая описание её схемы и структуры взаимосвязанных таблиц. Оригинальной особенностью предложенной структуры является логическое разбиение БД на 2 части: оперативную базу данных (ОБД) и справочную базу данных (СБД или Справочник). Таблицы Справочника заполнены исходными данными наблюдений в Москве и пригороде за 2019-2022 г. и выполнена их конвертация в ОБД.

2. По результатам анализа непрерывного временного ряда (2019-2022 гг.) концентрации приземного аэрозоля установлены сезонные особенности и общие черты сезонов в массовом и элементном составе приземного аэрозоля в Москве и пригороде. Выявлена природа химических элементов в составе аэрозольных частиц разных фракций. По величине коэффициента обогащения (КО) по сравнению с составом земной коры выделены две группы элементов: преимущественно терригенные (КО≈1) – Th, Al, U, La, V, Li, Sr, Ba, Mg, Fe, Cs, Co, Mn, Cr, K, Ca и нетерригенные (КО>10) – Mo, Cu, Zn, Pb, Sn, S, Sb, Cd, Se, Bi. Эти группы одинаковы для аэрозолей города и пригорода во все сезоны. Ещё 7 элементов (As, W, Ni, Hf, Sn, Hg, Na) могут принадлежать то к первой, то ко второй группе, что косвенно указывает на их различный генезис в разные сезоны в городе и пригороде.

3. Изучены связи величины концентрации приземных аэрозолей разной дисперсности со значениями метеорологических параметров, получены достоверные корреляционные соотношения между изменением концентрации аэрозольных частиц фракций РМ2.5 и РМ10 и атмосферным давлением и относительной влажностью воздуха. Выполнена предварительная оценка скорости осаждения/накопления аэрозольных частиц фракций РМ2.5 и РМ10. Определены эмпирические выражения для средней скорости изменения концентрации приземного аэрозоля в зависимости от атмосферного давления и относительной влажности воздуха. Осуществлен набор статистики метеорологических данных для Московского региона за последние 10 лет.

4. Выявлены случаи аномально высокого аэрозольного загрязнения воздуха, связанного с дальним/региональным переносом из других районов и с влиянием на состав приземного аэрозоля интенсивного локального антропогенного источника по данным наблюдений в 2019-2022 г. Выполнен анализ источников переноса и генезиса переносимых примесей. Начат подбор данных и анализ статистики явлений, связанных с дальним переносом воздушных масс в Московский регион (по сезонам за последние 10 лет).
Установлено, что непродолжительные эпизоды (2-10 дней) экстремально высокого роста среднесуточной массовой концентрации аэрозольных частиц РМ10 с превышением ПДК (60 мкг/м3) наблюдались при НМУ, были обусловлены региональным или дальним переносом аэрозолей горения и пыли, а также интенсивным локальным источником. За исследуемый период такие эпизоды составили не более 9% дней в году. В остальное время года как в мегаполисе, так и в пригороде уровень аэрозольного загрязнения приземного слоя атмосферы не превышает ПДК. Среднесуточная концентрация более мелких частиц РМ2.5 в течение всего года изменяется мало, и ее величина лишь в отдельные дни превосходит среднесуточную ПДК (35 мкг/м3).
В период действия локального источника, связанного с интенсивной фазой работ по демонтажу и сносу зданий научно-производственного назначения, неоднократно регистрировались экстремально высокие значения концентрации приземного аэрозоля РМ10, превышавшие среднесуточную ПДК в 2-3 раза, а максимально разовую ПДК в 3-10 раз. Грубая оценка мощности локального антропогенного источника пылевого аэрозоля показала, что при скорости оседания частиц на поверхность для аэрозолей РМ10, принятой 3 см/с, после прекращения работ очищение до уровня ПДК за счёт оседания примесей происходит примерно за 0.5 – 1.5 часа. За это время загрязнение разойдется на расстояние до 3-5 км в зависимости от направления и устойчивости ветра. Сложность рельефа городской застройки может как замедлять, так и ускорять процесс распространения примеси в городе.

5. Разработан методический подход к выявлению условно фоновых характеристик аэрозольного состава приземного воздуха в Москве. В рамках этого подхода введено понятие условно фонового аэрозольного загрязнения (УФАЗ) приземного слоя атмосферы, критерием которого является значение среднесуточной массовой концентрации аэрозольных частиц РМ10 < ПДК (60 мкг/м3). Такие дни составили более 91% за три года наблюдений в центре Москвы.
Условно фоновое аэрозольное загрязнение воздуха формируется как природными, так и антропогенными источниками не только локального, но и удаленного происхождения. В нем проявляется влияние метеорологических параметров на источники и стоки аэрозолей, а также адвективного переноса аэрозоля воздушными массами к пунктам наблюдений и от них.
Этот критерий выделения условно фонового уровня аэрозольного загрязнения можно вводить при оценке качества воздуха и в других городах. Однако он применим только в том случае, если среднесуточная концентрация частиц РМ10 < ПДК будет характеризовать значимо большую часть дней в году.
Проведен анализ уникального трехлетнего ряда элементного состава и массовой концентрации приземного аэрозоля в центре Москвы и в пригороде при УФАЗ. Оценка качества приземного воздуха в Московском мегаполисе с применением разработанного методического подхода к выявлению условно фоновых характеристик аэрозольного состава (по данным наблюдений 2019-2022 г.) позволила определить при УФАЗ среднегодовое значение концентрации частиц РМ10, составившее в центре Москвы 24±20 мкг/м3, а в среднем по всем АСКЗА ГПБУ «Мосэкомониторинг» - 27±21 мкг/м3, не превышая соответствующий российский стандарт ПДК (40 мкг/м3). По уровню аэрозольного загрязнения приземного слоя атмосферы Москва сопоставима с многими крупными городами Европы и Северной Америки и гораздо чище мегаполисов Юго-Восточной Азии, Латинской и Южной Америки.

6. Осуществлены предварительные оценки частоты и масштабов природных и антропогенных воздействий на состав приземного аэрозоля в Московском регионе (по результатам наблюдений в 2019-2022 гг.). Установлено, что изменчивость состава аэрозоля в Московском регионе не велика. Следует различать регулярные (периодические) изменения, внутрисуточные и сезонные, вызываемые периодическими колебаниями природных условий, и непериодические, вызванные различными внешними природными и антропогенными воздействиями (перенос в атмосфере из районов пожаров или пыльных бурь, местное локальное воздействие городских источников). Регулярные сезонные вариации обусловлены сезонными различиями процессов эмиссии и стоков приземного аэрозоля. Непериодические эпизоды длительностью от 2 до 10 суток редки (12 случаев за весь исследуемый период, составивших менее 7 % дней в году в мегаполисе и еще меньше – в пригороде) формируются при сильных природных и антропогенных воздействиях. Определены соотношения масштабов воздействия наиболее интенсивных разных источников (перенос дымового аэрозоля и пыли, местный локальный источник) на приземный аэрозоль в Московском мегаполисе.

Достигнутые в ходе реализации 1-го этапа проекта результаты обсуждались на российских и международных научных конференциях и описаны в опубликованных статьях участников проекта:

1) Gubanova D.P., Vinogradova A.A., Lezina E.A., Iordanskii M.A., Isakov A.A. Conditional background level of aerosol pollution in surface air in Moscow and one of its suburbs: seasonal variations. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2023. Nо 6, Vol. 59, P. 667-684). DOI: 10.1134/S0001433823060051.

2) Gubanova D.P., Iordanskii M.A., Vinogradova A.A., Belikov I.B., Belousov V.A. Particle density values for numerical estimation of mass concentration of near-surface submicron and micron aerosol. Atmospheric and Oceanic Optics. 2023. No. 6, Vol. 36, P. 670–684. DOI: 10.1134/S102485602306009X.

3) Vinogradova A.A., Antonova V.M., Talovskaya A.V., Gubanova D.P. Elemental composition of near-surface aerosol in Moscow under different winter conditions in 2020 and 2021. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2023, 127802R. DOI: 10.1117/12.2690248.

4) Gubanova D.P., Vinogradova A.A., Isakov A.A., Iordanskii M.A. Seasonal variability of near-surface aerosol composition in Moscow and one of its suburbs over three years of observations. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2023, 127802J. DOI: 10.1117/12.2690083.

5) Виноградова А.А., Губанова Д.П., Иорданский М.А. Сезонная изменчивость элементного состава приземного аэрозоля в крупном городе Мониторинг состояния и загрязнения окружающей среды: приземный климат, загрязняющие и климатически активные вещества. / В сб. Материалы III всероссийской научной конференции с международным участием. Москва, 15-17 ноября 2023 г. М.: ФГБУ «ИГКЭ», 2023. 480 с. (C. 82-86). ISBN 978-5-6046393-0-6.

6) Губанова Д.П., Виноградова А.А., Лезина Е.А., Иорданский М.А. Состав приземного аэрозоля в Москве как показатель чистоты воздуха мегаполиса Мониторинг состояния и загрязнения окружающей среды: приземный климат, загрязняющие и климатически активные вещества. / В сб. Материалы III всероссийской научной конференции с международным участием. Москва, 15-17 ноября 2023 г. М.: ФГБУ «ИГКЭ», 2023. 480 с. (C. 106-111). ISBN 978-5-6046393-0-6.

7) Губанова Д.П., Копейкин В.М., Виноградова А.А. Изменчивость содержания минеральной и сажевой компонент приземного аэрозоля в Москве в 2022 году. / Атмосферная радиация и динамика (МСАРД–2023). Сборник трудов Международного симпозиума, ООО "Издательство ВВМ", Санкт-Петербург, 2023 г. С. 137-141. ISBN 978-5-9651-1509-9.

8) Антонова В.М., Губанова Д.П., Виноградова А.А., Таловская А.В. Результаты анализа элементного состава аэрозольных частиц многомерными статистическими методами. / Геология морей и океанов: Материалы XXV Международной научной конференции (Школы) по морской геологии. Т. IV. – М.: ИО РАН, 2023. – 287 с. (C. 162-166). ISBN 978-5-6051054-3-5.