VIVOS VOCO: Н.Ф.Еланский, "ПРИМЕСИ В АТМОСФЕРЕ КОНТИНЕНТАЛЬНОЙ РОССИИ"

ПРИМЕСИ В АТМОСФЕРЕ КОНТИНЕНТАЛЬНОЙ РОССИИ

Н.Ф.Еланский

Николай Филиппович Еланский, д.ф.-м.н.,
зав. отд. исследований состава атмосферы
Института физики атмосферы им.А.М.Обухова РАН

Международные экологические соглашения требуют от нашей страны ограничений или полного прекращения производства и выброса в атмосферу озоноразрушающих соединений, парниковых газов, сажевых аэрозолей и других веществ [1]. Однако отсутствие в России действенной системы контроля за составом атмосферы не позволяет реально определить вклад страны в глобальное загрязнение. О его явно преувеличенных оценках свидетельствует результат экспериментов, которые мы называем «Тройка». Так по-русски звучит аббревиатура проекта «Transsiberian Observations in the Chemistry of the Atmosphere» (TROICA).

Зимой 1995 г., при встрече на одной из международных конференций директора нашего института Г.С.Голицына и известного немецкого химика, лауреата Нобелевской премии П.Крутцена (Институт химии Макса Планка), возникла идея провести измерения на пассажирском поезде состава атмосферы над континентальной Россией, где практически нет современных станций мониторинга. Рождение подвижной обсерватории, состоявшееся через девять месяцев после этого разговора, было бы невозможно без поддержки Министерства путей сообщения, и в частности ВНИИ железнодорожного транспорта. Для лаборатории был выделен вагон, оборудованный с помощью немецких коллег современной аппаратурой, которая соответствует мировым стандартам. Начиная с 1995 г. ежегодно с помощью вагона-лаборатории измерялось содержание в атмосфере газовых и аэрозольных примесей, а также определялись радиационные и метеорологические характеристики вдоль Транссибирской магистрали (от Москвы до Владивостока или Хабаровска), а в 2000 г. между Мурманском и Кисловодском. Руководят работами уже упомянутые Голицын и Крутцен. В 2001 г. в экспедиции кроме специалистов нашего института и немецких коллег участвовала группа из НОАА и НАСА (США). В свободное от работы время вагон-лаборатория стоит на полигоне недалеко от Нижнего Новгорода. Пока обработаны материалы пяти экспедиций, о них и пойдет речь.

Озон и оксиды азота

Среди наиболее важных примесей в составе атмосферного воздуха — озон. Нормальное его содержание в окружающем воздухе в наших широтах составляет 30—40 ppb (частей на миллиард). В концентрациях более 50 ppb озон оказывает угнетающее действие на растения, а в повышенных концентрациях (100 ppb и более) уже через час вызывает необратимые изменения в органах дыхания человека. Озон окисляет металлы, разрушает резину, каучук и лакокрасочные покрытия, поэтому по международной классификации этот газ входит в первую пятерку веществ, подлежащих постоянному контролю (вместе с NO, NО2, СО, SО2 и аэрозолем) [2]. Кроме того, увеличение его концентрации в тропосфере способствует потеплению климата, поэтому он относится к парниковым газам.

Наиболее значительный источник приземного озона — перенос из стратосферы в тропосферу и далее вниз, в нижний слой атмосферы. Из-за большой длительности этого процесса и активного перемешивания в средних широтах устанавливается более или менее однородное поле озона, нарушаемое не очень частыми вторжениями бедного этим газом тропического и полярного воздуха. Регистрируемые резкие изменения приземной концентрации озона, как правило, вызваны его разрушением в реакциях с оксидами азота. Эти процессы оставляют следы в виде зон с пониженным содержанием озона, по которым можно судить о загрязненности приземного слоя воздуха оксидами азота и оксидом углерода, а также метаном и летучими органическими соединениями (ЛОС). Поскольку источники оксидов азота — автотранспорт, промышленные предприятия, электростанции, котельные и другие хозяйственные объекты, где сжигается органическое топливо, эти зоны связаны с промышленными районами и крупными населенными пунктами. Хотя пониженный уровень озона сам по себе не опасен для человека, связанное с этим снижение окислительной способности атмосферы приводит к увеличению времени жизни в загрязненном воздухе токсичных органических соединений, что имеет неблагоприятные последствия для живой природы.

Когда поезд проезжает населенные пункты, вблизи них концентрация озона почти всегда пониженная. Однако при удалении от источника загрязнения вниз по шлейфу или если в районе источника воздушная масса из-за отсутствия ветра остается продолжительное время неподвижной, концентрация озона может превышать естественный фон.

Фотохимическое образование озона в загрязненном воздухе — второй источник этого газа в приземном слое атмосферы. Чем выше солнечная освещенность, температура воздуха, содержание в воздухе СО, СН₄, других летучих органических соединений, тем выше дневная концентрация озона.

Эксперименты «Тройка» показали, во-первых, что летом климатические условия (невысокая в целом освещенность, температура, ветровой режим и т.п.) и химический состав основных загрязняющих компонентов (NO, NO₂, СО, метан и др.) не способствуют (за редким исключением) активной генерации озона в приземном воздухе на территории России. Дневные концентрации O₃ находятся на уровне 40—50 ppb, что не вызывает опасений, хотя и превышает ПДК (30 ppb). Во-вторых, в пределах городов, и в частности на железнодорожных станциях, концентрация озона почти всегда резко пониженная, окислительные свойства городского воздуха почти всегда ослаблены, что способствует продолжительному накоплению в воздухе ЛОС. В-третьих, уровень приземного озона в среднем на территории России возрастает в восточном направлении, например, в жаркое лето 1999 г. он увеличивается на 1.9 ppb на 1000 км. Причиной этого служит высокая освещенность, характерная для антициклонических условий в Восточной Сибири, и шлейф промышленных выбросов из Европы и Западной Сибири, вдоль которого идет окисление летучей органики и фотохимическое образование озона.

Однако летом 1999 г. в Хабаровском крае были зарегистрированы очень высокие для России концентрации озона с рекордной величиной — 166 ppb в Биробиджане. Практически во всех населенных пунктах Хабаровского края, расположенных вдоль железной дороги от Белогорска до Биробиджана, 2 и 3 июля 1999 г. (во время проезда вагона-лаборатории) отмечались смоговые ситуации с повышенным загрязнением населенных пунктов и активной, в течение светового дня, генерацией озона. Судя по направлению траекторий переноса, построенных Гидрометцентром РФ, сюда в течение продолжительного времени (не менее недели) поступал сильно загрязненный воздух из Японии.

Как показал химический анализ, концентрации многих ЛОС в районе Биробиджана достигали максимальных для 1999 г. значений, причем при движении на запад их содержание быстро снижалось. Повышенная интенсивность генерации озона объясняется сочетанием высокой освещенности, влажности, температуры воздуха, загрязненности органическими соединениями при достаточно высоком уровне оксида азота (NO) в городском воздухе и слабых ветрах. Подобные погодные условия типичны для Приморского и Хабаровского краев в летнее время, значит, и образование высоких, чрезвычайно опасных для жителей этого региона концентраций озона также обычное явление.

Оксиды азота — ключевые элементы окислительных процессов в атмосфере. От уровня их концентрации в атмосфере зависит содержание свободных радикалов и интенсивность удаления из загрязненного воздуха органических соединений. При высоком содержании NO и NO₂ (несколько десятков ppb) они оказывают прямое негативное влияние на человека и окружающую природную среду.

Источники оксидов азота — двигатели внутреннего сгорания автомобилей и локомотивов, промышленные предприятия, тепловые и электрические станции. Поэтому все значительные пики NO_x (сумма NO и NO₂) приходятся на крупные населенные пункты, промышленные и транспортные центры. Средняя на 10 км пути концентрация не достигает предельно допустимых значений (45 ppb по NO₂), в то время как локальные значения часто превышают ПДК. Это говорит об активном рассеивании примесей в атмосфере и их быстром разрушении. В среднем области повышенных значений NOx, связанные с городами, распространяются не более чем на несколько десятков километров. Однако в случаях, когда ветровой шлейф точно вытянут вдоль железной дороги, влияние городских загрязнений иногда прослеживается на расстояние до 300—400 км. Так, при скорости ветра 5 м/с длина шлейфа от Новосибирска 19 ноября 1995 г. достигала 350 км. В натекающем на город потоке концентрация NO и NО₂ находилась на фоновом уровне (1 ppb и менее). В самом городе содержание NO достигало 130 ppb. Ниже по ветру высокое содержание NO привело к полному разрушению озона и соответственно образованию большого количества NО₂, средняя концентрация которого на большом протяжении достигала сравнимого с ПДК уровня в 20—25 ppb. Важно отметить, что содержание токсичного NO₂ в пределах города было ниже, чем в его шлейфах.

Самые загрязненные оксидами азота регионы — европейская территория страны от Москвы до Кирова, район Иркутска—Братска и Хабаровский край. Очевидно, эмиссии на востоке страны меньше, чем в западных районах, но из-за очень частых температурных инверсий при резко континентальном климате здесь складываются благоприятные условия для накопления загрязнений в тонком приземном слое воздуха, что приводит к очень высоким концентрациям NO_x. Возможно, на содержании оксидов азота сказывается также перенос загрязнений из Японии, когда скорость этого переноса значительна.

Оксид углерода, метан и ЛОС

Оксид углерода играет важную роль в атмосфере, его окисление ведет к образованию озона. Естественным путем СО в основном образуется в атмосфере в результате окисления метана. К наиболее значимым его антропогенным источникам относятся выбросы транспорта (в том числе дизельными локомотивами), тепловых электростанций, промышленных предприятий. Вблизи них могут наблюдаться высокие концентрации СО, превышающие 2.4 ppm, которые опасны для здоровья человека и живой природы.

Наиболее загрязнены оксидом углерода европейская часть страны от Москвы до Кирова, ангаро-иркутский участок дороги и Восточная Сибирь. В первых двух регионах загрязнение происходит из-за влияния транспорта и промышленности, а в последнем — из-за регулярных выносов загрязненного воздуха с территории Китая и в результате местных лесных пожаров (в отличие от оксидов азота СО имеет продолжительное время жизни — около месяца — и потому не успевает разрушиться в процессе переноса).

Осредненные на 10 км пути значения СО в основном не превышают и 1 ppm (частей на миллион) для всех экспедиций, т.е. концентрации, равные ПДК (3.0 ppm), не распространяются на большие области. Локальные высокие значения, превышающие ПДК, в основном связаны с работой дизельных локомотивов на железнодорожных станциях и участках дороги с тепловозной тягой. Так, в Иркутске содержание CO достигало 8 ppm, а в Костроме — 12 ppm (влияние Костромской ГРЭС), что соответственно в 2.5 и 4 раза превышает значение ПДК. В обоих случаях повышение концентрации СО — результат его мощного накопления в районе железнодорожного вокзала и товарных станций, где к городским загрязнениям добавляются выбросы дизельных локомотивов.

Метан не относится к наиболее опасным для здоровья человека веществам, но загрязнение им атмосферного воздуха может иметь два важных последствия: в глобальном плане — потепление климата, в локальном — угроза взрыва при высоких концентрациях. Влияние источников метана хорошо прослеживается на трансконтинентальных профилях СН₄, полученных в июне—июле 1999 г. На среднем фоне 1.8—1.9 ppm наблюдаются локальные всплески концентрации до 2.2—2.6 ppm и более. Обширная область высоких значений CH₄ (до 2.2 ppm) располагается на территории Западной Сибири, вторая, подобная, но меньшая по размерам, — к северу от Москвы близ Ярославля—Костромы. Локальные повышения концентрации, приуроченные к городам и населенным пунктам, наблюдались летом 1996 г. Они связаны с выбросами метана из системы газоснабжения, очистных сооружений и мусорных свалок.

Интенсивные летом биогенные эмиссии из болот и увлажненных почв тоже дают локальные увеличения концентрации, заметные, как правило, только ночью, когда накопление CH₄ под температурной инверсией продолжается несколько часов. Протяженные области высоких его значений в Западной Сибири и на европейской части страны связаны как с воздействием естественных источников, так и c утечками в системе добычи и транспортировки газа. Их размеры несколько варьируют из-за разной направленности воздушных потоков. Таким образом, наиболее высокие концентрации СН₄ формируются в зоне биогенных и антропогенных (добыча газа и угля) эмиссий в ночных условиях или приносятся с воздушными массами из района добычи и переработки углеводородного топлива, а также с территории Китая, где источником метана служат рисовые плантации. Некоторое влияние на распределение этого газа в летних экспериментах «Тройка» 1996 и 1999 гг. оказывали лесные и степные пожары.

Практически все всплески концентрации метана (СН₄) приходятся на места, где находятся газопроводы. Конечно, в крупных городах источником СН₄ могут быть не только утечки из магистральных газопроводов, но также из системы подачи газа к промышленным предприятиям и коммунальным службам. Поэтому особое внимание обращает на себя увеличение концентрации метана в чистой местности, где эмиссии из газопроводов видны наиболее отчетливо. Это прежде всего участок дороги Кунгур—Шамары (Пермская обл.) и участок Барабинск—Новосибирск, где повышенное в результате накопления в безветренных инверсионных условиях содержание СН₄ наблюдалось на большом протяжении. На последнем участке в январе 2001 г. произошел разрыв трубы и мощный выброс метана.

Летучие органические соединения попадают в атмосферу при производстве синтетических веществ, сжигании различных видов топлива, хранении и переработке отходов и т.п. Многие из них обладают токсичными, мутагенными и канцерогенными свойствами и при значительных концентрациях оказывают прямое неблагоприятное воздействие на живую природу и человека.

Несмотря на большую изменчивость содержания органических примесей вдоль маршрута, регистрировавшихся в разных экспедициях, можно выделить несколько участков дороги, где их концентрация всегда держится на очень высоком уровне. Самое загрязненное место — район железнодорожной станции Хабаровск, в котором содержание, например, бутана в 50—70 раз превышает измеренные величины в других районах. Очень высокие концентрации ЛОС отмечаются в Ярославле, испытывающем воздействие мощного нефтехимического комбината. Несколько меньшие значения — в Новосибирске и его окрестностях, где вдоль железной дороги проходит газопровод и, вероятно, сказываются утечки газа, а также в Вятке и ее окрестностях, где сосредоточены предприятия химической промышленности. Высокая концентрация ЛОС, как и метана, регулярно регистрируется на малом участке пути в районе Кунгур—Шамары, в месте пересечения с дорогой трех газопроводов, что ничем, кроме как утечками природного газа невозможно объяснить. В зимних условиях ЛОС и метан скапливаются в долинах Восточной Сибири, где их источником становится транспорт, утечки бытового газа, промышленность и добывающие предприятия (Чита, Нерчинск, Шилка, Зилово). Несколько меньшие, но также значительные концентрации отмечаются на отдельных участках дороги от Новосибирска до Иркутска, где на сильные местные загрязнения (Мариинск, Нижнеудинск, Бирюсинск) часто накладывается шлейф загрязнений от Кузнецкого промышленного района. Наиболее протяженная область, в которой всегда регистрируются повышенные концентрации ЛОС, и в частности бутана, — юг Западной Сибири от Шадринска до Новосибирска. Явно сказывается влияние переноса из мест добычи и переработки нефти, а также воздействие местных источников — нефтеперерабатывающих предприятий Омска и, видимо, газопровода Омск—Новосибирск—Тайга.

Любопытно, что предварительные результаты, полученные в летней экспедиции 2001 г., показывают значительное снижение по сравнению с данными наших предыдущих работ концентрации метана и ЛОС в местах пересечения газопроводов и железной дороги. Возможно, это связано с проведением ремонтных работ и устранением утечек.

На Транссибирской железнодорожной магистрали (от Москвы до Владивостока) располагается несколько десятков городов. Непрерывно работающая измерительная аппаратура вагона-лаборатории дала подробную информацию об изменении состава атмосферного воздуха, радиационного и метеорологического режимов при пересечении поездом.

Были определены содержания основных загрязняющих примесей (озона, оксидов азота, оксида углерода и метана) при проезде городов, разбитых на три группы: с населением до 100 тыс. (51 город), от 100 до 500 тыс. (13 городов) и свыше 500 тыс. (17 городов). Эти данные — осредненные по всем экспедициям 1996—1999 гг. концентрации примесей на железнодорожных станциях, в пределах самих населенных пунктов и в их пригородах.

Почти повсеместно железнодорожные станции — наиболее загрязненные территории в городах и крупных поселках городского типа, поскольку они обычно расположены в центре и подвержены влиянию транспортных, промышленных и бытовых загрязнений при любом направлении ветра. Дополнительное загрязнение на железной дороге привносит работа дизельных локомотивов и испарения нефтепродуктов, а также выдувание из вагонов перевозимых сыпучих грузов — угля, руды, цемента и т.д. В транспортных узлах загрязнения могут в несколько раз превышать ПДК — содержание NO и NO₂ достигает 800 ppb, СО — 6000 ppb, сажевого аэрозоля — 10 мкг/м³ (при фоновых значениях 0.2 мкг/м³).

Дизельные двигатели выбрасывают в окружающий воздух большое количество сажевого и субмикронного аэрозоля, оксидов азота и углерода, летучих органических соединений. Именно этими выбросами определяется качество воздуха на многих станциях, особенно крупных транспортных узлах с тепловозной тягой. Например, пассажирская и товарная станции г.Хабаровска из-за интенсивного использования тепловозов формируют качество воздуха не только на их территории, но и в центральной части города.

Шлейф локомотива

В экспедициях измерялись содержания загрязняющих примесей при тепловозной тяге. Вагон-лаборатория в этом случае располагался либо в голове состава, непосредственно за тепловозом, либо в хвосте поезда. Забор проб проводился на уровне окна вагона, т.е. анализировался воздух, который попадал внутрь вагона.

В начале движения, когда вагон оказывается в шлейфе загрязненного локомотивом воздуха, резко снижается концентрация озона из-за его разрушения оксидом азота, содержание которого возрастает от 0.2 в чистом воздухе до 700 ppb. Концентрация диоксида азота (NO₂) существенно меньше (не превышает 24 ppb), поскольку его содержание в выхлопных газах мало, а для его образования при взаимодействии NO с О₃ не хватает озона. По ходу движения за локомотивом регистрировались значения NO, достигающие 1500 ppb. Также резко возрастала концентрация СО — до 9.0 ppm. По этим двум параметрам существенно превышались локальные ПДК. Очевидно, превышались нормы и для многих летучих органических соединений, но используемые сорбенты и методы отбора не были рассчитаны на очень высокие концентрации. Поэтому проведенные измерения концентраций ЛОС показали только, что их уровень возрастает не менее чем в несколько сотен раз.

Концентрация субмикронных частиц аэрозоля в воздухе при движении лаборатории за локомотивом выросла с
20 мкг/м³ (фоновые условия) до 20 000 мкг/м³, т.е. в 1000 раз. Такие уровни содержания аэрозоля значительно превосходят ПДК.

При движении вагона-лаборатории в хвосте поезда, состоящего из 15 пассажирских вагонов, влияние выбросов локомотива на концентрацию определяемых веществ также велико. Так, содержание СО в конце состава колеблется на уровне от 2 до 5 ppm, а максимальные значения несколько превышают ПДК.

При тепловозной тяге концентрация сажевого аэрозоля возрастает в 100 раз (до 11 мкг/м³), хотя и не превышает ПДК (50 мкг/м³). Содержание субмикронного аэрозоля достигает 1000 мкг/м³. В хвосте состава концентрация ЛОС настолько велика, что используемые приборы, как и при положении вагона-лаборатории в голове состава, не включались из-за опасности их поломки. Содержание оксида азота NO достигает 400 ppb, что больше ПДК, в хвосте поезда превышает ПДК и концентрация диоксида азота NO₂. Таким образом, при использовании тепловозной тяги концентрация загрязняющих примесей — оксида азота NO, оксида углерода СО и субмикронного аэрозоля — вдоль всего пассажирского состава превышает значения ПДК. Причем в начале состава (а для субмикронного аэрозоля и в его конце) — многократно. Концентрация диоксида азота NO₂, образующегося при взаимодействии NO и озона, нарастает вдоль состава и к концу его тоже превышает ПДК. Велико также содержание сажи и летучих органических соединений — оно на несколько порядков больше, чем при электровозной тяге.

Все эти примеси при открытых окнах или вентиляции попадают внутрь вагонов и оказывают неблагоприятное воздействие на здоровье людей.

В экспериментах отрабатывалась методика оценки влияния высоковольтных линий электропередачи (ЛЭП) разного напряжения на качество воздуха. Всего на маршруте Москва—Хабаровск их было зарегистрировано 500.

Оказалось, что концентрация озона в местах влияния ЛЭП 220 кВ выше на 2.0±0.5 ppb (7% от среднего его уровня), для ЛЭП 500 кВ — 2.8 ± 0.5 ppb (10% от среднего уровня). В целом эти отклонения невелики и лежат в пределах естественной изменчивости озона, однако при его высоком уровне, например в летнюю жаркую погоду в загрязненном воздухе, дополнительное увеличение его концентрации на 5—15% может оказывать крайне неблагоприятное действие на человека и окружающую среду. Кроме того, в коронном разряде вблизи проводов генерируются активные радикалы (О и ОН),что приводит к разрушению в приземном воздухе многих органических соединений, в том числе токсичных веществ. В нашем институте были проведены исследования таких процессов с помощью численной фотохимической модели, учитывающей практически все основные реакции с участием углеводородов и их производных. Полученные результаты показали, что под ЛЭП и в воздухе, прошедшем через них, резко активизируются окислительные процессы, происходит рост содержания пероксирадикалов, оксидов азота, но зато снижается содержание многих алканов, алкенов, ароматических углеводородов и других веществ. Это говорит о том, что ЛЭП в российских условиях (в городах, вблизи предприятий) могут играть роль очистных сооружений. Правда, разрушая хлорорганические соединения, они могут стимулировать образование в воздухе таких токсичных соединений, как моно- и трихлоруксусная кислоты, являющиеся основой пестицидов.

* * *

Итак, можно подвести некоторые итоги. Новая методология контроля за составом атмосферы на базе подвижной лаборатории оказалось достаточно эффективной. Наблюдения содержания примесей вдоль шлейфов городов и других объектов показали важное преимущество вагона-лаборатории перед всеми другими средствами контроля. Например, оборудованные приборами автомобили не могут вести точных измерений на большой территории, не подвергаясь влиянию загрязнений от «собратьев» и собственных выхлопов.

Проведенные в экспедициях работы позволили получить важные сведения о состоянии воздушной среды над территорией России. Вклад нашей страны в глобальное загрязнение не столь велик, как считалось ранее. Территория России, наоборот, очищает поступающее извне загрязнение.

Подвижная лаборатория в будущем может играть важную роль в ходе подготовки и реализации международных экологических соглашений, особенно если с ее помощью удастся провести исследования в других странах Европы и Азии (такие планы существуют). Дело в том, что для России — это не только единственная возможность связать разрозненные наблюдения и дать целостную картину состояния атмосферы над обширной территорией страны. Подвижная лаборатория может связать национальные сети мониторинга разных стран, калибровать космические системы слежения за составом атмосферы и стать арбитром в межнациональных спорах о квотах загрязнения воздуха.

Литература

1. Еланский Н.Ф. Международные конвенции по атмосфере и климату и интересы России // Природа. 1999. №3. С.3—11.

2. Александров Э.Л., Израэль Ю.А., Кароль И.Л., Хргиан А.Х. Озонный щит Земли и его изменения. СПб., 1992.