Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние изученности атмосферных аэрозолей
1.1. Состав, физико-химические свойства атмосферных аэрозолей 9
1.2. Влияние разных размерных фракций атмосферных аэрозолей на здоровье человека
1.3. Исследование атмосферных аэрозолей над БПТ 24
Глава 2. Район исследования и методы 30
2.1. Физико-географическая характеристика исследуемой территории 30
2.2. Станции мониторинга состояния атмосферы 34
2.3. Методы отбора и анализа атмосферных аэрозолей 41
Глава 3. Химический состав растворимой фракции атмосферных аэрозолей в отдельных районах байкальской природной территории
3.1. Массовая концентрация и ионный состав растворимой фракции атмосферных аэрозолей в различных районах БПТ
3.2. Сравнительная характеристика химического состава атмосферных аэрозолей в.разные периоды исследований
Глава 4. Химический состав аэрозолей разных размерных фракций над акваторией оз. Байкал
4.1. Массовая концентрация и общий химический состав растворимой фракции аэрозолей в атмосфере над оз. Байкал
4.2. Химический состав растворимых аэрозолей разных размеров в атмосфере над оз. Байкал
4.3. Состав индивидуальных аэрозолей различных форм в атмосфере над оз. Байкал
Глава 5. Влияние метеорологических параметров и синоптических условий на химический состав атмосферных аэрозолей разных размерных фракций над БПТ
5.1. Городская станция мониторинга атмосферы (г. Иркутск) 68
5.2. Сельская станция мониторинга атмосферы (п. Листвянка) 85
5.3. Фоновая станция мониторинга атмосферы (ст. Монды) 94
5.4. Элементный состав твердых аэрозолей разных размерных 96 фракций в городах Байкальской природной территории
Заключение 110
Список литературы 1
- Влияние разных размерных фракций атмосферных аэрозолей на здоровье человека
- Станции мониторинга состояния атмосферы
- Сравнительная характеристика химического состава атмосферных аэрозолей в.разные периоды исследований
- Сельская станция мониторинга атмосферы (п. Листвянка)
Введение к работе
Актуальность. Атмосферные аэрозоли являются неотъемлемой частью воздушной среды и играют важную роль во многих природных процессах, а также в формировании среды обитания человека. При этом химический состав, происхождение и поведение в атмосфере (дальность переноса, степень воздействия на человека и природу и др.) существенным образом связаны с их размерами (Rudell et all 1994, 1996, Nordenhall et all 2001, Исидоров, 2001, Прохоров, 2001). С уменьшением размера аэрозольных частиц, резко возрастает относительная площадь контакта находящегося в них вещества с окружающей средой, в результате они становятся химически более активными и могут вступать в химические реакции, которые невозможны для веществ в обычных газообразных жидких или твердых состояниях
Размером и химическим составом аэрозолей определяется и степень их участия во многих атмосферных процессах: в конденсации облачных капель; в отражении и рассеивании энергии солнечного излучения; в переносе атмосферного электричества, радиоактивности и др. Качество вдыхаемого человеком воздуха также в значительной мере определяется размером и составом взвешенных в нем жидких и твердых частиц.
На состав атмосферы Байкальской природной территории (БПТ) оказывает влияние крупный Иркутско-Черемховский промышленный узел с городами Иркутск, Шелехов, Ангарск, Усолье-Сибирское, Черемхово, Саянск. Кроме того, на побережье Южного Байкала имеются локальные источники загрязнения атмосферы (г. Байкальск, г. Слюдянка, п. Листвянка, п. Култук, п. Выдрино, п. Танхой и др.), которые также увеличивают общее количество аэрозольных частиц в атмосфере ее южной части. Рост загрязнения воздушного бассейна на БПТ представляет собой реальную угрозу экосистеме озера и окружающим его природным комплексам. Согласно Федеральному закону «Об охране озера Байкал», Байкальская природная территория определена как территория, в состав которой входят озеро Байкал, водоохранная зона, прилегающая к озеру Байкал, его водосборная площадь в пределах территории Российской Федерации, особо охраняемые природные территории, прилегающие к озеру Байкал, а также прилегающая к озеру территория шириной до 200 километров на запад и северо - запад от него.
Изучение химических компонентов в аэрозольных частицах разного размера в атмосфере над БПТ, вклада локальных и региональных источников в их составе является актуальным для оценки современного и прогнозирования будущего состояния воздушной среды над уникальным природным объектом - оз. Байкал.
Учитывая, что дальность переноса частиц в атмосфере зависит от их размеров, объектами наших исследований стали аэрозоли разных размерных фракций. Работа была выполнена с применением современного оборудования для отбора проб аэрозольных частиц и новых, более совершенных методов химического анализа микропримесей. Ранее подобного рода исследования на БПТ не проводились.
Цель работы: Выявить закономерности распределения химических компонентов в аэрозольных частицах разного размера, определить источники их происхождения в атмосфере над Байкальской природной территорией.
Задачи исследований: 1. Определить массовую концентрацию и химический состав аэрозольных частиц разного размера в отдельных районах БПТ
2. Изучить пространственно-временную изменчивость химического состава аэрозольных
частиц
Оценить влияние климатических параметров и синоптических процессов на формирование химического состава аэрозольных частиц разного размера
Выявить элементы-трассеры переноса атмосферных примесей от промышленных источников БПТ и оценить их поступление на акваторию Южного Байкала
Научная новизна:
Впервые в атмосфере над Байкальской природной территорией исследован ионный и элементный состав аэрозольных частиц в семи размерных фракциях > 10,2 мкм; 10,2-4,2; 4,2-2,1; 2,1-1,3; 1,3-0,69; 0,69-0,39 и < 0,39 мкм
Установлены различия в химическом составе аэрозольных частиц разного размера от климатических параметров, синоптических условий, степени антропогенной нагрузки.
Впервые определена совокупность элементов (Fe, Мп, Си, Zn, Br, Pb) в мелкодисперсной фракции атмосферных аэрозолей (< 1 мкм), которые могут служить трассерами регионального атмосферного переноса примесей на акваторию Южного Байкала.
Впервые оценено поступление тяжелых металлов (Fe, Мп, Си, Zn, Pb) с аэрозольными примесями от промышленных комплексов Прибайкалья на акваторию Южного Байкала.
Достоверность полученных результатов подтверждена большим объемом исходных экспериментальных данных, применением современных методов анализа, статистической обработкой результатов. Систематическая ошибка для каждого определяемого элемента методами ВЭЖХ, ионной хроматографии и ИСП-МС составила 5-10%. Ошибка определения концентраций микроэлементов в твердой фазе аэрозольного вещества, анализируемых методом РФА-СИ, не превышала 15-20%.
Правильность выполнения анализов определяемых элементов подтверждена также участием в международных программах по контролю качества данных. Контроль качества данных осуществлялся по программе Глобальной Химии Атмосферы (GAW) под эгидой ВМО, программе «Сеть станций мониторинга кислотных выпадений в Восточной Азии» (EANET), программе мониторинга и оценки дальнего атмосферного переноса загрязняющих веществ в Европе (ЕМЕР).
Практическая значимость. Материалы, полученные в работе на сети станций мониторинга атмосферы, ежегодно передавались в базу данных Иркутского УГМС, Институт Глобального климата и экологии (г. Москва) при Росгидромете РФ, для использования в ежегодных отчетах по оценке состояния окружающей природной среды на РФ, для отчетов по международной программе EANET. Они могут быть использованы другими природоохранными ведомствами для оценки современного состояния атмосферы на БПТ, прогноза вероятных изменений в будущем, при составлении карт экологического районирования исследуемой территории.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на российских и международных конференциях и совещаниях: XIV, XV, XVI, XVII рабочих группах «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2007, 2008, 2009, 2010), Всероссийской конференции «Развитие системы мониторинга состава атмосферы» (Москва, 2007), 6-м Международном симпозиуме «Контроль и реабилитация окружающей среды» (КРОС-2008,Томск, 2008), VII Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды «ЭКОАНАЛИТИКА - 2009» (Йошкар-Ола, 2009), IX научном совещании по прикладной
географии «Региональная политика России в современных социально-экономических условиях: географические аспекты» (Иркутск, 2009), XVIII Международной школе по морской геологии «Геология морей и океанов» (Москва, 2009), Международной научной конференции «Актуальные вопросы деятельности академических естественно-научных музеев» (п. Листвянка, Иркутской области, 2010), Ежегодной международной научно-практической конференции «География: проблемы науки и образования» (Санкт-Петербург, 2010), Седьмой международной конференции «Естественные и антропогенные аэрозоли» (Санкт-Петербург, 2010), Пятой Верещагинской Байкальской конференции (Иркутск, 2010).
Публикации и личный вклад автора. По теме диссертации опубликованы три статьи в рецензируемых журналах, одна в материалах международной научной конференции, 14 тезисов. При участии в конференциях, автор награжден тремя дипломами за «лучший устный доклад». Работа вьшолнена в лаборатории гидрохимии и химии атмосферы Лимнологического института СО РАН в соответствии с планами НИР по Программе СО РАН 7.9.1.2. «Поступление и динамика вещества в водной толще, ледовом покрове и на границе раздела вода-атмосфера в условиях глобального изменения климата на примере озера Байкал»; интеграционному проекту СО РАН № 75 «Пространственно-временная изменчивость основных радиационно-активных компонентов атмосферы в переходной зоне материк-океан и континентальных районах, их роль в формировании региональных климатических особенностей Дальнего Востока и Сибири»; по Программе 4 ОНЗ РАН «Окружающая среда в условиях изменяющегося климата: экстремальные природные явления и катастрофы», проект № 4.13. «Экспериментальные исследования фоновых и экстремальных природных процессов (песчаные бури, вулканическая деятельность, лесные пожары), влияющих на изменчивость аэрозольных и газовых примесей атмосферы на основе средств дистанционного зондирования и локального контроля»; по Международной программе EANET в рамках Национального центра данных России.
Автором самостоятельно отобраны пробы атмосферных аэрозолей и проведен их химический анализ, вьшолнена статистическая обработка и интерпретация полученных данных. Автор участвовал в подготовке публикаций, что отображено в совместных статьях и тезисах коллектива авторов.
Основные положения и результаты исследования, выносимые на защиту:
Химический состав аэрозолей над акваторией оз. Байкал сравнительно однороден: основная масса (около 60%) растворимых компонентов находится в диапазоне частиц с размерами менее 1 мкм, главными ионами в которых являются гидрокарбонаты, сульфаты, водород, кальций и аммоний. Различия в составе аэрозольных частиц разного размера над озером обусловлены локальными и региональными источниками загрязнения атмосферы, как природного, так и антропогенного происхождения.
Пространственно-временная изменчивость химического состава аэрозольных частиц и распределение их по размерам в отдельных районах Байкальской природной территории определяются направлением переноса воздушных масс и метеорологическими условиями. При северо-западном переносе в составе мелкодисперсной фракции аэрозолей увеличивается содержание сульфатов, нитратов и кальция, при южном и юго-восточном -хлоридов, гидрокарбонатов, натрия, и кальция.
3. Трассерами регионального атмосферного переноса примесей от промышленных источников Прибайкалья на акваторию Южного Байкала являются химические элементы, содержащиеся в мелкодисперсной фракции атмосферных аэрозолей. Из 20 проанализированных элементов наиболее информативной стала совокупность элементов Fe,Mn,Cu,Zn,Br,Pb.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы. Текст изложен на 131 странице, содержит 74 рисунка, 10 таблиц. Список литературы включает 181 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность д.г.н. Т.В. Ходжер за научное руководство, кт.н. Л.П. Голобоковой, кг.н. В.А. Оболкину, кт.н. Е.В. Чипаниной за содействие в выполнении исследований, а также другим сотрудникам лаборатории гидрохимии и химии атмосферы за оказанную помощь при выполнении работы и обсуждении результатов.
Влияние разных размерных фракций атмосферных аэрозолей на здоровье человека
Наука- об аэрозолях еще относительно молода. Исследование аэрозолей, как самостоятельное направление, началось в конце 60-х -начале 70-х гг. XX столетия. Именно в эти годы появились специализированные научные журналы, такие как Journal of Aerosol Science (издается с 1970 г.) и Aerosol Science and Technology (издается с 1982 г.). В настоящее время перечень наук, которые, так или иначе, связаны с исследованиями атмосферных аэрозолей, значительно расширился. Несмотря на то, что в последние десятилетия знания о роли аэрозолей в атмосферных процессах заметно возросли, не все фундаментальные закономерности поведения аэрозольных частиц до конца изучены и описаны, особенно их жизнь в реальной атмосфере.
Наиболее изученными являются аэрозольные частицы, размеры которых превышают 0,1 мкм в силу их доступности для исследования. Прежде всего, это возможность отбора их на фильтры для последующего микроскопического и химического анализа. Появление в свое время надежных оптико-электронных приборов позволило получать в реальном времени информацию о дисперсном составе и рассеивающих характеристиках атмосферных, аэрозолей, (Зуев и др., 1996; Прибылов и др., 2001).
По мере накопления знаний, об аэрозолях все больше и больше появлялось вопросов о природе и поведении в атмосфере частиц различного размера. Возникали различные классификации атмосферных аэрозолей в зависимости от их происхождения ифазмеров.
Происхождение и химический состав аэрозольных частиц
Свойства атмосферных аэрозолей определяются! спектром размеров, концентрацией, химическим составом и структурой частиц (Фукс, 1955). До настоящего времени нет единой общепринятой классификации частиц атмосферных аэрозолей. Основной набор классифицирующих признаков заключается в следующем (Грин, 1969): 1. Способ образования аэродисперсной системы, их два: конденсационный и диспергационный способ; 2. Тип аэрозоля - пыль, дым и туман; 3; Степень дисперсности - наночастицы, высокодисперсные, тонкодисперсные и грубодисперсные аэрозоли; 4. Плотность дисперсной фазы - аэрозоли и аэровзвеси; "разбавленные", либо "сильно нагруженные" системы; 5. Соотношение внутренних структурных элементов дисперсионной и дисперсных фаз. определяет выбор физико -математической модели для описания аэродисперсной системы; 6. Другие классифицирующие признаки, которые могут быть рассмотрены и учтены при необходимости. По происхождению различают: а) диспергированные аэрозоли, образующиеся путем дробления твердого или жидкого вещества в промышленных процессах (антропогенный аэрозоль) или в окружающей, природной среде — на поверхности суши и океана (природный аэрозоль); б) конденсационные аэрозоли,,образующиеся из газообразных веществ. С учетом фазового состояния выделяются (Грин, 1969): пыль — частицы в диспергированнойтвердой фазе, водная пыль — частицы в диспергированной жидкой фазе, дым — вещество в конденсированной твердой фазе, туман — вещество в конденсированной жидкой фазе, смог — смешанные аэрозоли, состоящие из частиц дыма и тумана; В химии атмосферы в зависимости от размеров различают три класса аэрозольных частиц (Фукс, 1955) мелкодисперсные (транзитные) — r 0.1 мкм; среднедисперсные (аккумулятивные, большие) -0.1 г 1 мкм; грубодисперсные (гигантские) — г 1 мкм.
Часть мелкодисперсной фракции, которая обладает гигроскопическими свойствами и регистрируется с помощью счетчиков Айткена, называется ядрами конденсации. Кроме того, в качестве ядер конденсации выступают так же крупные и гигантские растворимые частицы морской соли (Whitby, 1975, Мазин, 1983). Для частиц меньше 1 мкм в литературе также употребляются термины субмикронная или тонкодисперсная фракция. (Ивлев, 2009)
Существует два главных источника аэрозольных частиц в атмосфере: выбросы в атмосферу в результате природных или антропогенных процессов (первичный аэрозоль); трансформация- газов природного и антропогенного происхождения в атмосфере (вторичный аэрозоль).
Химический состав аэрозолей s в любом конкретном месте и в любое время определяется источниками и типом химических превращений, которым подвергается аэрозольное вещество (Бримблкумб, 1983, Исидоров, 2001). В настоящее время накопилось немало сведений о составе атмосферных аэрозолей. Большая часть ионов, преобладающих в составе атмосферных аэрозолей, имеет как природные, так и антропогенные источники происхождения. По происхождению различают морской, континентальный, фоновый, антропогенный аэрозоль. В атмосфере эти аэрозоли различного происхождения, как правило, находятся в смешанном состоянии.
В отдельный класс аэрозолей можно выделить биологические частицы (пыльца растений, споры, бактерии, вирусы и т.д.), которые переносятся воздушными потоками в неизменном виде (Янике, 1990, Mattias-Maser and et all., 2000)
Станции мониторинга состояния атмосферы
Байкальская природная территория (БПТ) — это территория, общей площадью 386 тыс. км2. Структурно БПТ состоит из двух частей Прибайкалья и Забайкалья и самостоятельного центрального компонента — оз. Байкал (Галазий, 1987).
Уникальным» природным объектом данного региона является озеро Байкал, длина которого 636 км, с площадью бассейна более 500 тыс. км2 и объемом водных масс - 23 000 км . Котловина/озера вытянута с юго-запада на северо-восток. Среди озер земного шара озеро» Байкал является самым глубоким. В морфологическом отношении оз. Байкал представляет три самостоятельных котловины — Южную с наибольшей отметкой глубины 1461 м, Среднюю - 1642 м и Северную — 904 м-(Озеро Байкал, 1996).
Байкальская, природная территория характеризуется значительной приподнятостью над уровнем моря и преимущественно горным рельефом. Поверхность самого озера, находится на высоте 456 м. над уровнем моря, наиболее высокая вершина территории — г. Мунку-Садык в Восточном Саяне — 3460 м. Равнинные поверхности встречаются лишь в днищах тектонических впадин.
Большинство хребтов Забайкалья и Прибайкалья имеют сравнительно мягкие очертания и плоские формы вершин, выровненные процессами длительной денудации. Почти все горные хребты вытянуты параллельно котловине оз. Байкала и ориентированы в основном с юго-запада на северо-восток (Зуляр, 2002).
Сложная и глубокая расчлененность рельефа, местами значительные различия высот, особенно на севере оз. Байкала и горной, области Восточного Саяна, предопределяют большую пестроту и многообразие в пространственном распределении климатических условий.и почвенно-растительном покрове. Это влечет за собой нарушение широтно-зональных закономерностей и создает своеобразие и контрастную мозаичность различных ландшафтов. (Нечаева, 2001; Кузьмин, 2002; Кузьмин и др., 2002).
Географическое положение территории оказывает большое влияние на формирование климата, являющегося результатом взаимодействия радиационного фактора и циркуляционных процессов с местными физико-географическими условиями (Дзердеевский, 1975).
Циркуляционные особенности атмосферы над Сибирью обусловлены ее местоположением на огромном материке Евразии, значительным удалением от Атлантического и Тихого океанов и сложным рельефом. При преобладании в умеренных широтах западного переноса сезонные термические различия наиболее выражены между восточными частями материков и западными частями океанов. Поэтому над северо-восточными районами Азии зональный перенос воздуха возмущен, сильнее, чем в» других районах России (Сергеев, 1959; Кац, 1960; Щербакова, 1961). С развитием резких сезонных возмущений, проявляющихся в значительных меридиональных составляющих воздушных течений, связаны существенные изменения синоптических процессов: Одним из основных центров действия атмосферы, определяющим в зимний период циркуляцию и погоду над всей Евразией, является Азиатский, антициклон. Он возникает и существует длительное время благодаря совместному действию термических, орографических и динамических факторов (Калачникова, 1968).
В ноябре проявляется первый этап в развитии зимнего режима циркуляции, когда центральная часть Азиатского антициклона чаще всего располагается над западными районами Монголии, а арктические вторжения дают начало устойчивому развитию Лено-Колымского ядра. В это время- циклоны нередко перемещаются с низовий Оби и носят название «ньфяющих» циклонов (Сергеев, 1959; Маховер, 1967; Семенченко, 2002).
В первую половину зимы продолжаются вторжения арктических антициклонов и отдельных ядер высокого давления на территорию Восточной Сибири по полярным и ультраполярным траекториям, что приводит к интенсивному развитию отрога Азиатского антициклона. Значительно реже встречаются циклоны, перемещающиеся с запада на восток, и еще реже с юго-запада на северо-восток. С южными циклонами в этот период связаны сильные потепления, охватывающие значительную часть территории Восточной Сибири.
Во вторую половину зимы Азиатский антициклон, получая подкрепления в виде вхождения в его систему антициклонов с севера, северо-запада или северо-востока, достигает максимального- развития и начинает заметно ослабевать. Движение антициклонов, по территории Восточной Сибири неустойчиво по направлению, а около 85% антициклонических ядер являются стационарными. В перемещении этих образований преобладает северо-западное направление. Циклоны, перемещающиеся над Западной Сибирью с запада на восток, над Восточной Сибирью изменяют свое направление, огибая антициклон по его северной периферии, и в дальнейшем двигаются на северо-восток (Опасные явления..., 1986). Весной происходит ослабление Азиатского антициклона и восстановление зональной циркуляции:
Летний период по характеру синоптических процессов резко отличается от зимнего. Возрастает повторяемость приземных циклонов; имеющих термическое происхождение. Первая половина лета в Восточной Сибири обычно бывает засушливой, с большим количеством, ясных дней и высокими температурами, воздуха, а вторая половина лета обильна осадками. Это связано с активизацией циклонической деятельности над Монголией, и, следовательно, с увеличением выхода «южных циклонов» на юг Прибайкалья с хорошо выраженными в температурных контрастах холодными фронтами (Бондарь, 1940).
Сравнительная характеристика химического состава атмосферных аэрозолей в.разные периоды исследований
Поступление аэрозольных частиц в атмосферу происходит не только в результате эмиссий различными источниками, но и при образовании их из газовых предшественников в результате определенных химических и физико-химических процессов (Мак Ивен и др., 1978; Кондратьев, 1986; Исидоров, 2001; 2001 а).
Сибирь - огромная территория с разнообразными ландшафтами и специфическими особенностями климата, где наряду с мощными естественными- источниками аэрозолей расположены гигантские промышленные центры, ведется интенсивное сельское хозяйство. Здесь проходят крупные транспортные магистрали. Ежегодно в течение значительного периода1 времени в Сибири на огромных площадях происходят лесные пожары, выбрасывающие в атмосферу большие массы аэрозолей и химически активных газов. (К. П. Куценогий и др., 1996; К. П. Куценогий и др., 2000, 2001).
Растворимая фракция аэрозолей является наиболее реакционноспособной. Как показали многолетние исследования, наибольшее суммарное содержание ионов отмечено в аэрозолях промышленного города станция Иркутск, наименьшее - на фоновой станции Монды (рис. 3.1 Л.). Среднемесячные концентрации ионов в аэрозолях станции Иркутска изменялись от 2,2 до 14,2 мкг/м . В аэрозолях сельской станции Листвянка эти величины варьировали в пределах от 0,8 до 4,0 мкг/м , на фоновой станции Монды — от 0,2 до 2,2 мкг/м . x Иркутск
Межгодовая динамика суммарной массовой концентрации ионов в аэрозолях на станциях мониторинга БПТ, 2008 - 2010 гг., мкг/м . Сравнение результатов химического состава растворимой фракции аэрозолей за исследуемый период не обнаруживает принципиальных различий в качественном составе аэрозолей. Основными катионами и анионами в аэрозолях являются NH4 , Са , SO4 \ НС03\ NO3". Соотношение абсолютных среднемесячных количественных концентраций катионов в аэрозолях на станциях мониторинга в 2008-2010 гг. распределяется, в основном, в порядке, представленном в таблицах 3.1.1. и 3.1.2. В холодный период на всех станциях соотношения ионов схожее, в теплый период года определены различия как для катионов, так и анионов.
В зимний период, когда земная поверхность покрыта снегом и влияние почвы на химический состав аэрозолей минимально, растет вклад антропогенных источников в составе аэрозольных частиц. Химический состав аэрозолей в этот период формируется под действием общих для современных урбанизированных районов источников - энергетики, автотранспорта, индустриальных предприятий. Низкие температуры воздуха, штилевые условия при Азиатском антициклоне в зимний период в Восточной Сибири не способствуют рассеянию примесей от источников на большие расстояния, что приводит к их накоплению в воздушной среде. Возрастание массы ионов NH4+, S042 , Ca2+ в холодный период на станциях Иркутск и Листвянка связано с усиливающимися температурными инверсиями, приводящими к накоплению промышленных выбросов. Благодаря удаленности ст. Монды от промышленных районов, концентрация массы ионов в холодный период здесь более низкая по сравнению с другими станциями мониторинга. В летний период со сходом снежного покрова повышается почвенно - эрозионный фактор, в составе аэрозолей возрастают концентрации таких ионов как: Na+, Са2+, К+.
Мд Мд Рис. 3.2.1. Относительный химический состав растворимой фракции аэрозолей в атмосферном воздухе ст. Иркутск за периоды 2000-2007 гг. по данным Голобоковой Л. П. и 2008 - 2010 гг., % - экв. В химическом составе растворимой фракции аэрозолей сельской станции (п. Листвянка) в 2008 - 2010 гг. произошли более значительные изменения. Отмечается, рост среднегодового значения суммарного содержания практически всех ионов кроме ионов НСОз" и NH/ (рис. 3.2.2.). Основными ионами в составе аэрозолей, как и прежде, являются SO4 ", NH4 и Са , но значительно возросла доля иона водорода ГҐ (до 24% экв. в 2010г.). Наиболее всего этот ион кореллирует С ИОНОМ SO4 " (г=0.57). Рис. 3.2.2 Относительный химический состав растворимой фракции аэрозолей в атмосферном воздухе ст. Листвянка за периоды 2000-2007 гг. по данным Голобоковой Л. П. и 2008 - 2010 гг., % - экв. На станции Монды отмечен рост концентраций ионов SO4 \ Na , NO3" в аэрозолях, с снижением доли ионов НСОз", NH/ (рис. 3.2.3.). Отмечено, что в 2008 г. доля ионов N03 в аэрозолях на этой станции выше, чем в 2009 г. и 2000-2007 гг. почти в 3 раза.
Относительный химический состав растворимой фракции аэрозолей в атмосферном воздухе ст. Монды за периоды 2008 — 2010 гг. и 2000-2007 гг. по данным Голобоковой Л. П. % - экв. Межгодовая динамика суммарной массовой концентрации ионов в атмосферном воздухе на трех станциях наблюдения за период 2000 - 2010 гг. представлена на (рис. 3.2.4.). Наиболее высокие концентрации ионов и межгодовые вариации за этот период отмечены на ст. Иркутск, наиболее низкие - на ст. Монды. Повышенные среднегодовые значения концентраций ионов в аэрозолях отмечаются в периоды с наиболее холодными зимами (2000-2001, 2005-2006, 2008-2009 гг.). Особенно это заметно по росту суммы ионов в условиях ст. Иркутска. В холодные зимы возрастала мощность топливно-энергетического комплекса, и на фоне температурных инверсий происходило накопление загрязняющих примесей, как от ТЭЦ, так и от выбросов промышленных предприятий и транспорта.
Межгодовая динамика суммарной массовой концентрации ионов в аэрозолях на станциях мониторинга БПТ и сумма отрицательных температур воздуха зимних месяцев (декабрь-февраль), мкг/м3, 2000-2007 гг. по данным Л.П. Голобоковой. Помимо значительных межгодовых колебаний температуры воздуха в холодный период года, увеличивающих содержание аэрозолей в воздушной среде, значительное влияние на химический состав аэрозолей и суммарную массовую концентрацию оказывают лесные пожары на территории Сибири частота проявления которых за последние годы значительно возросла. Так, на территории БПТ в 2008-2009 гг. происходили интенсивные лесные пожары. Влияние продуктов горения, поступающих в атмосферу, хорошо прослеживается в содержании ионов в аэрозолях ст. Листвянки и фоновой ст. Монды.
Сельская станция мониторинга атмосферы (п. Листвянка)
Сведения об элементном составе атмосферных аэрозолей представляют существенный интерес для многих областей экологии. Помимо контроля за концентрацией тяжелых металлов в атмосфере, данные об-элементном составе аэрозолей находят применение в трассерных исследованиях — для оценки вклада различных источников (в том числе роли конкретных промышленных центров) в формировании аэрозольного загрязнения1 территорий (Swietlicki,1989; Rahn and Lowenthal, 1985; Оболкин и др, 1993). При этом, в исследованиях дальнего переноса примесей (сотни и тысячи километров) важно учитывать распределение элементов по размерам частиц, так как элементы, находящиеся в крупных частицах ( 1 мкм), будут выпадать в основном вблизи источников и, следовательно, в дальних переносах необходимо учитывать элементы мелких фракций аэрозолей. Подобные исследования важны и для оценки возможного влияния крупных промышленных центров4 Иркутской области и Забайкалья на экосистему озера Байкал.
Для анализа элементного состава импакторных проб аэрозолей использовался метод РФА-СИ. Определялось более 20 элементов: К, Са, Ті, V, Сг, Mn, Fe, Ni, Си, Zn, Ga, Ge, Se, Br, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, As, Pb, Th, U.
Среднее распределение исследуемых элементов в разных размерных фракциях аэрозолей в районе города Иркутска (октябрь 2009 г.) представлено на (рис. 5.4.1.). Для сравнения на этом же графике приведено среднее распределение этих же элементов в земной коре (Mason, 1966). І
Видно, что среднее распределение элементов в аэрозолях разных размеров в значительной мере соответствует распределению элементов в земной коре. Наибольшие отклонения от этого среднего распределения наблюдаются для элементов Си, Zn, Ge, Br, Pb, находящихся в мелких фракциях (менее 0,69 мкм), что может означать их частично иное (не почвенное) происхождение. Поэтому, именно эти элементы могут представлять наибольший интерес для трассерных исследований, как возможные «маркеры» антропогенных источников аэрозолей.
Процентное соотношение различных элементов в аэрозолях разных размерных фракций представлено на (рис. 5.4.2. и 5.4.3.). Макро- и микроэлементы по разному распределены по размерным фракциям. Так, наиболее распространенные, типично почвенные элементы (К, Са, Ті, Fe) имеют очень сходное распределение и находятся в основном в крупных частицах, с максимумом 4-10 мкм (рис. 5.4.2. а). о?" v г. ъ Диапазон размера частиц, мкм
Похожее распределение имеют также некоторые редкоземельные элементы (рис. 5.4.2. б), что также указывает на их преимущественное почвенное происхождение. Однако, в приведенных распределениях наблюдается и еще один, менее значимый максимум в области субмикронных частиц - 0,39 - 1,2 мкм, который возможно связан с влиянием и других, в частности, антропогенных источников.
Совершенно иное, обратное, распределение по размерам имеют элементы Zn, Br и Pb (рис. 5.4.3. а). Максимальные их концентрации наблюдались в частицах размерами 0,39-0,69 мкм, минимальные - в частицах 10 мкм. Это может означать их особое, в основном не почвенное происхождение и, по-видимому, связанное главным образом с дальним переносом. На последнее указывает крайне малое (5-10%) нахождение этих элементов в крупных частицах. Источником брома и свинца могут быть выхлопы автотранспорта, но поскольку такое же распределение имеет и цинк, то источниками этих элементов могут быть также удаленные металлургические производства, а также вклад морского аэрозоля (Rasool, 1973). ь» -Р
Распределение некоторых микроэлементов (а) и металлов (б) в аэрозолях разных размерных фракций %,. г.Иркутск, октябрь 2009 г. Менее определенное распределение по размерам имеют такие металлы как V, Ni и Си (рис. 5.4.3. б). В их распределении наблюдаются два максимума — в крупных и мелких частицах, что может означать их двойное: природные и антропогенное происхождение. При этом, судя по отсутствию единообразия в их распределении по размерам, источниками этих элементов могут являться разные производства и отопительные источники, находящиеся как в близи Иркутска, так и самом городе. Возможно, эти элементы могут быть трассерами трассерами местных, внутри региональных источников аэрозолей.
Анализ элементного состава аэрозолей разных размерных фракций позволяет разграничивать влияние местных и удаленных источников тех или иных элементов. Пример переноса атмосферных примесей свинца и цинка в г. Иркутск от удаленного источника приведен в таблице 5.4.1. В пробах 12-13 октября 2009 г. было отмечено одновременное значительное (5-10 кратное) повышение концентраций РЬ и Zn в г. Иркутске в самых мелких фракциях аэрозолей (менее 1 мкм), тогда как в крупных фракциях (более 1 мкм) никаких существенных изменений в концентрациях этих элементов не отмечалось, что говорит об отсутствии влияния на них каких-либо местных источников. При этом поведение элементов, имеющих в основном местное происхождение, например железо, было существенно иным (Таблица 5.4.1.).
