Исследование процессов распространения и трансформации соединений серы и азота, метилмеркаптана в регионе озера Байкал


Введение

Загрязненная приземная атмосфера вызывает рак легких, горла и кожи, расстройство центральной нервной системы, аллергические и респираторные заболевания, дефекты у новорожденных и многие другие болезни, список которых определяется присутствующими в воздухе загрязняющими веществами и их совместным воздействием на организм человека. К основным загрязнителям атмосферы, оказывающим вредное воздействие на здоровье человека и окружающую среду, относятся в частности диоксид серы, оксиды азота, приземный озон, метилмеркаптан, цианиды, соединения фтора.

Негативное влияние сернистого газа и его производных на человека и животных проявляется, прежде всего, в поражении верхних дыхательных путей. Под воздействием коротковолновой солнечной радиации диоксид серы быстро превращается в серный ангидрид и в контакте с водяным паром переводится в сернистую кислоту. В загрязненной атмосфере, содержащей диоксид азота, сернистый ангидрид быстро переводится в серную кислоту, которая, соединяясь с капельками воды, образует так называемые кислотные дожди. Под влиянием сернистого газа и серной кислоты происходит разрушение хлорофилла в листьях растений, в связи с чем ухудшаются фотосинтез и дыхание, замедляется рост, снижается качество древесных насаждений и урожайность сельскохозяйственных культур, а при более высоких и продолжительных дозах воздействия растительность погибает. "Кислые" дожди вызывают повышение кислотности почв, что снижает эффективность применяемых минеральных удобрений на пахотных землях, приводит к выпадению наиболее ценной части видового состава трав на долголетних культурных сенокосах и пастбищах.

Окислы азота попадают в атмосферу при горении топлива (выхлопные газы автотранспорта, выбросы промышленных предприятий и тепловых электростанций), при газовых эмиссиях с поверхности почвы и при горении биомассы в лесных и степных пожарах. Из-за неравномерности распределения источников NOх по континенту их концентрация в приземном слое может меняться на 3 порядка и более. Оксиды азота могут отрицательно влиять на здоровье сами по себе и в комбинации с другими загрязняющими веществами. Пиковые концентрации действуют сильнее, чем интегрированная доза. Кратковременное воздействие 3000-9400 мкг/м 3 диоксида азота вызывает изменения в легких. Помимо повышенной восприимчивости к респираторным инфекциям, воздействие диоксида азота может привести к повышенной чувствительности к бронхостенозу у чувствительных людей. Диоксид азота играет важную роль в образовании фотохимического смога.

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. Окислы азота играют важную роль в химии тропосферы, в частности в процессах фотохимической генерации и разрушения озона. антропогенное метилмеркаптан примесь распространение

Присутствие в окружающем воздухе повышенных концентраций метилмеркаптана вызывает различные заболевания органов дыхания человека, нарушает функции щитовидной железы, что приводит к дефициту тиреоидных гормонов и умственной отсталости.

Обзор моделей распределения примесей в регионе Байкала

В настоящее время для описания распространения и трансформации атмосферных примесей и выявления причинно-следственных связей широко используются математические модели, позволяющие оценить возможные последствия тех или иных воздействий на окружающую среду. Использовались модели и при исследованиях процессов загрязнения региона озера Байкал. Предпринимались попытки оценки антропогенных потоков ряда микроэлементов из атмосферы на зеркало озера [1] на основе простых балансных соотношений и аналитических решений [2]. Для оценки вклада 15 основных промышленных источников, расположенных в регионе Байкала, в загрязнение северной части озера пылью и тяжелыми металлами [3] использовалась простая траекторная модель [4-7].

Трансформация соединений серы и азота над оз. Байкал исследовалась в [8] с помощью аналитических моделей, балансовой с элементами статистики [9,10] и двумерной стационарной диффузионной [11]. Существенным недостатком этих моделей, не учитывающих влияние рельефа, является то, что вертикальное распределение примесей предполагается равномерным.

С помощью модели эйлерова типа Г. И. Марчуком, К. Я. Кондратьевым, В. В. Пененко, А. Е. Алояном была предпринята попытка оценить влияние антропогенного загрязнения пылью, окислами серы и азота на оз. Байкал и окружающие его территории при различных метеорологических ситуациях [12-15]. А. Е. Алоян, В. А. Загайнов, А. А. Лушников, С. В. Макаренко решали эту же задачу с учетом эволюции атмосферных аэрозолей за счет коагуляции [16]. Отметим, что все численные эксперименты в этих работах проведены с шагом по горизонтальным координатам 25 км, что больше средней ширины хребтов в регионе озера. А. Е. Алоян, В. Н. Пискунов в работах [17, 18] с помощью этого же комплекса моделей выполнили исследования распространения и трансформации аэрозольных частиц от пяти крупных источников Приангарья и Южного Прибайкалья с учетом кинетических процессов конденсации, испарения и коагуляции, причем шаг сетки по горизонтали был равен 10 км. Расчеты проводились в следующей последовательности. По модели гидротермодинамики были получены характеристики атмосферной циркуляции в рассматриваемом регионе и вычислены поле течения и турбулентные характеристики. На фоне полученной атмосферной циркуляции решалась задача переноса газовых примесей с учетом фотохимической трансформации, в результате чего образуются пары серной кислоты, а также другие вторичные загрязнители. Далее рассматривались процессы образования нуклеационной моды, после чего была смоделирована динамика формирования аэрозольных частиц с учетом кинетических процессов конденсации, испарения и коагуляции. Модель имеет следующие достоинства. Характеристики атмосферной циркуляции рассчитываются с помощью модели гидротермодинамики. Учтена фотохимическая трансформация примесей, кинетические процессы конденсации, испарения и коагуляции. Однако по расчетам по модели А. Е. Алояна на высоте 250 м наиболее загрязняется средняя часть озера Байкал, хотя по данным инструментальных измерений наименее загрязнены средняя и северная части озера [19,20]. Наблюдаются области повышенного загрязнения сульфатами в Южном Забайкалье, занятом достаточно высокими хребтами (высота отдельных вершин достигает 1700-1800 м), а данных измерений, что на вершинах хребтов повышенные концентрации сульфатов, не имеется. Складывается впечатление, что при расчетах в работах А. Е. Алояна шаг сетки выбран большим, и влияние горных хребтов, окружающих озеро Байкал, учтено слабо.

Для оценки вклада конкретных промышленных источников в загрязнение атмосферы и подстилающей поверхности района Южного Байкала А. В. Аргучинцевой использован стохастический подход описания климатических характеристик в виде многомерных функций плотности вероятности реализации конкретного метеокомплекса, замыкающих дифференциальное уравнение переноса и турбулентной диффузии загрязняющего вещества [21,22]. В работах [23-26] А. В. Аргучинцевой, В. К. Аргучинцевым, С. Ж. Вологжиной рассмотрен более общий подход к стохастическому моделированию. Основа модели базировалась на прямом (втором) уравнении Колмогорова для переходных вероятностей, записанном в фазовых координатах. С помощью модели А. В. Аргучинцевой, С. Ж. Вологжиной оценивалось влияние стационарных источников загрязняющих веществ, расположенных в Байкальской котловине, на особо охраняемые природные территории [27].

Цель и метод исследования

Целью данной работы было исследование процессов распространения и трансформации соединений серы и азота, метилмеркаптана с помощью математической модели, основанной на численном решении трехмерного нелинейного нестационарного полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии примесей [28, 29]. Кроме процессов адвективного и конвективного переноса и турбулентной диффузии модель учитывает трансформацию малых газовых составляющих атмосферы.

Анализ численных экспериментов

При проведении первой серии численных экспериментов исследовались процессы распространения метилмеркаптана от Байкальского целлюлозно-бумажного комбината (БЦБК). Расчеты проводились в области интегрирования площадью 1515 км 2 и высотой 4 км над поверхностью озера Байкал. Шаги по времени и горизонтали составляли соответственно 150 с и 500 м; шаг по вертикали задавался следующим образом: до высоты 350 м он равнялся 50 м, далее - 150 м, 500, 1000 и 2000 м. Коэффициенты турбулентной диффузии рассчитывались с использованием соотношений полуэмпирической теории турбулентности. Интенсивность источника выбросов метилмеркаптана составляла 4 г/с [30].

Выполнены численные эксперименты по моделированию распространения метилмеркаптана в районе г. Байкальск при различных метеорологических ситуациях. На рисунке 1 представлено распределение концентраций CH3SH при озерном бризе. Концентрации метилмеркаптана приведены в долях ПДКМ. р. (1 ПДКМ. р.=0,009 мкг/м3. Результаты расчетов по модели качественно и количественно совпадают с данными полевых измерений. Представленные модельные оценки подтверждают возможность застоя и накопления выбросов завода на склонах окружающих хребтов и в орографически замкнутых котловинах.

Вторая серия численных экспериментов была выполнена для исследования распределения метилмеркаптана в районе СЦКК (Селенгинский целлюлозно-картонный комбинат). Расчеты проводились в области площадью 3020 км и высотой 4 км над поверхностью оз. Байкал. Интенсивность источника выбросов метилмеркаптана составляла 1 г/с. Остальные параметры модели те же, что были в первой серии экспериментов. Рисунок 2 иллюстрирует распространение CH3SH при юго-западном ветровом потоке.

Следующая серия численных экспериментов использовалась для исследования влияния источников выбросов Иркутско-Черемховского, Нижнеселенгинского, Улан-Удэнского, Южно - и Северо-Байкальского промышленных узлов на загрязнение подстилающей поверхности Байкальской природной территории (БПТ). Информация об интенсивности источников выбросов была взята из [31].

Моделирование процессов распространения примесей проводилось в области площадью 500500 км2 и высотой 4 км над поверхностью оз. Байкал. Шаги по времени и горизонтали составляли соответственно 150 с и 1 км; шаг по вертикали задавался следующим образом: до высоты 350 м он равнялся 50 м, далее - 150 м, 500, 1000 и 2000 м. Начальная концентрация молекулярного азота N2 принималась равной 0,93 кг/м3, молекулярного кислорода O2-0,297, водяного пара H2O - 710-4 кг/м 3, молекулярного водорода H2-10-7, озона O3-610-8 и диоксида азота NO2-810-10 кг/м 3. Блок химических реакций, учитывавшихся при численных экспериментах, представлен в работе [29]. В отличие от [29]расчеты проводились со значением константы скорости реакции R27 (фотохимическая диссоциация диоксида азота), равным 7,810-4 с-1.

Сравнение рассчитанных по модели значений концентраций основных загрязнителей и других малых газовых составляющих атмосферы с данными измерений в различных регионах [15,32-43] показало, что по порядку величины наблюдается их удовлетворительное соответствие.

На рисунках 3 и 4 представлены распределения интенсивностей осаждения сульфатов и нитратов на подстилающую поверхность БПТ в холодный период года. В долине Ангары изолинии имеют характерную вытянутость из-за преобладающих здесь направлений ветрового потока - северо-западного и юго-восточного. В долине Селенги в холодный период наиболее часты западные, юго-западные и восточные ветры, изолинии интенсивностей осаждения вытянуты соответствующим образом. Преобладающие ветровые потоки на северной оконечности Байкала - северо-западный и северо-восточный, примеси выносятся в основном на акваторию озера.

Оценен вклад предприятий Приангарья, Прибайкалья и Забайкалья в загрязнение озера Байкал сульфатами и нитратами при атмосферных выбросах. Получено, что наибольшее влияние на озеро оказывают выбросы предприятий Слюдянки и Байкальска, их вклад равен 53 % (сульфаты) и 64 % (нитраты). Значительно меньше влияние Иркутско-Черемховского промышленного комплекса - 18 и 25 % соответственно (табл. 1). Менее значимый вклад этого комплекса объясняется удаленностью источников выбросов от озера и наличием орографических неоднородностей, препятствующих переносу примесей. Вклад источников выбросов предприятий Забайкалья составляет 29 % по сульфатам и 21 % по нитратам. Вклад предприятий Северобайкальска незначителен.

Таблица 1. Вклад групп источников и отдельных источников выбросов соединений серы и азота в загрязнение озера Байкал

Источник выбросов

Вклад, %

Сульфаты

Нитраты

Черемхово-Усолье-Сибирское-Ангарск

9

10

Иркутск-Шелехов

9

5

Слюдянка

12

9

Байкальск

41

55

Каменск-Селенгинск-Улан-Удэ

29

21

Заключение

При исследовании процессов распространения и трансформации соединений серы и азота, метилмеркаптана с помощью математической модели, основанной на численном решении трехмерного нелинейного нестационарного полуэмпирического уравнения турбулентной диффузии примесей, получено, что результаты расчетов по модели качественно и количественно совпадают с данными полевых измерений. Представленные модельные оценки подтверждают возможность застоя и накопления метилмеркаптана на склонах окружающих БЦБК и СЦКК хребтов и в орографически замкнутых котловинах. Сравнение рассчитанных по модели значений концентраций диоксидов серы и азота, сульфатов, нитратов, других основных загрязнителей и малых газовых составляющих атмосферы с данными измерений в различных регионах показало, что по порядку величины наблюдается их удовлетворительное соответствие.

Оценен вклад предприятий Приангарья, Прибайкалья и Забайкалья в загрязнение озера Байкал сульфатами и нитратами при атмосферных выбросах. Наибольшее влияние на озеро оказывают выбросы предприятий Слюдянки и Байкальска. Влияние Иркутско-Черемховского промышленного комплекса и предприятий Забайкалья на озеро меньше. Менее значимый вклад этих комплексов объясняется удаленностью источников выбросов от озера и наличием орографических неоднородностей, препятствующих переносу примесей.

Список литературы

    1. Анохин Ю. А., Остромогильский А. Х., Пословин А. Л., Хицкая Е. В. Оценка антропогенного потока микроэлементов из атмосферы на зеркало оз. Байкал // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. 1981. Т. IV. С. 32-40. 2. Rodhe H. A study of sulphur budget for the atmosphere over Northern Europe // Tellus. 1972. V. 24. N 2. P.128-137. 3. Анохин Ю. А., Кокорин А. О., Прохорова Т. А., Анисимов М. П. Аэрозольное загрязнение атмосферы над озером Байкал и влияние на него промышленных источников // Мониторинг состояния озера Байкал. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. С. 44-50. 4. Гальперин М. В. Модель для расчета дальнего трансграничного переноса соединений серы в атмосфере (выпадения и концентрации) // Тр. ИПГ. 1988. Вып. 71. С. 9-14. 5. Израэль Ю. А., Назаров И. М., Прессман А. Я., Ровинский Ф. Я., Рябошапко А. Г. Кислотные дожди. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 270 с. 6. Giorgi F. A particle dry-deposition parameterization scheme for use in the trace transport models // J. Geoph. Res. D. 1986. V. 91. N 9. P.9794-9806. 7. Sievering H. Small particles dry deposition on natural waters: How large the incertainity? // Atmosph. Environ. 1984. V. 18. N 11. P.2271-2272. 8. Кудрявцева Л. В., Устинова С. И. Оценка вклада дальнего переноса соединений серы и азота в их поступление в оз. Байкал // Мониторинг и оценка состояния Байкала и Прибайкалья. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. С. 86-92. 9. Fisher B. E.A. A review of the processes and models of long-rang transport of air pollutants // Atmosph. Environ. 1983. V. 17. P.1865-1880. 10. Venkatram A. Statistical long-range transport models // Atmosph. Environ. 1986. V. 20. P.1317-1324. 11. Fay J. A., Rosenzweig J. J. An analytical diffusion model for long distance transport of air pollutions // Atmosph. Environ. 1980. V. 14. P.355-365. 12. Пененко В. В., Алоян А. Е. Математические модели взаимосвязей между термодинамическими и химическими процессами в атмосфере промышленных регионов // Изв. АН. Сер. ФАО. 1995. Т. 31, № 3. С. 372-384. 13. Марчук Г. И., Алоян А. Е. Математическое моделирование в задачах окружающей среды // Проблемы механики и некоторые современные аспекты науки. М.: Наука, 1993. С. 12-25. 14. Марчук Г. И., Алоян А. Е. Математическое моделирование в задачах экологии. М.: ОВМ АН СССР. Препринт № 234, 1989. 36 с. 15. Марчук Г. И., Кондратьев К. Я. Приоритеты глобальной экологии. М.: Наука, 1992. 264 с. 16. Алоян А. Е., Загайнов В. А., Лушников А. А., Макаренко С. В. Перенос трансформирующегося аэрозоля в атмосфере // Известия АН СССР. Серия Физика атмосферы и океана. 1991. Т. 27, № 11. С. 1232-1240. 17. Алоян А. Е., Пискунов В. Н. Моделирование региональной динамики газовых примесей и аэрозолей // Изв. РАН. Физ. атмосф. и океана. 2005. Т. 41, № 3. С. 328-340. 18. Алоян А. Е. Моделирование динамики и кинетики газовых примесей и аэрозолей в атмосфере. М.: Наука, 2008. 415 с. 19. Ходжер Т. В., Потемкин В. Л., Оболкин В. А. Химический состав аэрозоля и малые газовые примеси в атмосфере над Байкалом // Оптика атмосферы и океана. 1994. Т. 7, № 8. С. 1059-1066. 20. Ходжер Т. В., Оболкин В. А., Потемкин В. Л. О роли атмосферы в формировании химического состава вод оз. Байкал // Оптика атмосферы и океана. 1999. Т. 12, № 6. С. 512-515. 21. Аргучинцева А. В. Математическое моделирование распределения антропогенных аэрозолей // Оптика атмосферы и океана. 1996. Т. 9, № 6. С. 800-803. 22. Аргучинцева А. В. Климатическое распределение загрязняющих веществ от Селенгинского целлюлозно-картонного комбината (СЦКК) // Оптика атмосферы и океана. 1997. Т. 10, № 6. С. 605-609. 23. Аргучинцева А. В. О вероятностном подходе к моделям экологического районирования и рационального природопользования // Оптика атмосферы и океана. 1998. Т. 11, № 6. С. 606-609. 24. Аргучинцева А. В. Вероятностный подход к моделированию задач рационального природопользования // Оптика атмосферы и океана. 1999. Т. 12, № 6. С. 499-502. 25. Аргучинцев В. К., Аргучинцева А. В. Моделирование мезомасштабных гидротермодинамических процессов и переноса антропогенных примесей в атмосфере и гидросфере региона оз. Байкал. Иркутск: Изд-во Иркут. гос. ун-та, 2007. 255 с. 26. Аргучинцева А. В., Аргучинцев В. К., Вологжина С. Ж. Тенденции и уровень решения проблемы оценки загрязнения атмосферы // Известия ИГУ. Сер. "Науки о Земле". 2009. Т. 2, № 2. С. 20-36. 27. Аргучинцева А. В., Вологжина С. Ж. Загрязнение атмосферного воздуха Байкальской котловины // Известия ИГУ. Сер. "Науки о Земле". 2011. Т. 4, № 2. С. 28-41. 28. Аргучинцев В. К. Численное моделирование распространения аэрозолей в пограничном слое атмосферы // Оптика атмосферы и океана. 1994. Т. 7, № 8. С. 1106-1111. 29. Аргучинцев В. К., Макухин В. Л. Математическое моделирование распространения аэрозолей и газовых примесей в пограничном слое атмосферы // Оптика атмосферы и океана. 1996. Т. 9, № 6. С. 804-814. 30. Оболкин В. А., Потемкин В. Л., Ходжер Т. В. и др. Динамика серосодержащих примесей в атмосфере вокруг точечного источника - Байкальского целлюлозно-бумажного комбината (юго-восточное побережье оз. Байкал) // Оптика атмосферы и океана. 2009. 22. № 9. С. 853-858. 31. Государственный доклад "О состоянии озера Байкал и мерах по его охране в 2009 году". Иркутск: Сибирский филиал ФГУНПП "Росгеолфонд", 2011. 421 с. 32. Кароль И. Л., Розанов В. В., Тимофеев Ю. М. Газовые примеси в атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 192 с. 33. Брасье Г., Соломон С. Аэрономия средней атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 414 с. 34. Dimitroulopoulos C. and Marsh A. R.W. Modelling studies of NO3 nighttime chemistry and its effects on subsequent ozone formation // Atmospheric Environment. 1997. 31, № 18. Р.3041-3057. 35. Бримблкумб П. Состав и химия атмосферы. Пер. с англ. М.: Мир, 1988. 352 с. 36. Химия окружающей среды / Под ред. Дж. О. М. Бокриса. М.: Химия, 1982. 672 с. 37. Кароль И. Л., Затевахин М. А., Ожигина Н. А. и др. Численная модель динамических, микрофизических и фотохимических процессов в конвективном облаке // Известия АН. Физика атмосферы и океана. 2000. 36, № 6. С. 778-793. 38. Гершензон Ю. М., Звенигородский С. Г., Розенштейн В. Б. Химия радикалов ОН, НО 2 в земной атмосфере // Успехи химии. 1990. 59, Вып. 10. С. 1601-1626. 39. Захаров В. М., Костко О. К., Хмелевцов С. С. Лидары и исследование климата. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. 320 с. 40. Thompson A. M. Measuring and Modeling the Tropospheric Hydroxyl Radical (OH) // J. of Atmospheric Science. 1995. 52, № 19. Р.3315-3327. 41. Armerding W., Spickermann M., Walter J. and Gomes F. J. MOAS: An Absorption Laser Spectrometer for Sensitive and Loae Monitoring of Tropospheric OH and Other Trace Gases // J. of Atmospheric Science. 1995. 52, № 19. Р.3381-3392. 42. Imasu R., Suda A. and Matsuno T. Radiative Effects and Halocarbon Global Warming Potentials of Replacement Compounds for Clorofluorocarbons // J. оf the Meteorological Society of Japan. 1995. 73, № 6. Р.1123-1136. 43. Пененко В. В., Алоян А. Е. Модели и методы для задач охраны окружающей среды. Новосибирск: Наука СО, 1985. 256 с.
изолинии рассчитанных приземных концентраций метилмеркаптана (в единицах пдк м.р.) в районе байкальска при озерном бризе

Рис. 1. Изолинии рассчитанных приземных концентраций метилмеркаптана (в единицах ПДК м. р.) в районе Байкальска при озерном бризе

Рис. 2. Изолинии рассчитанных приземных концентраций метилмеркаптана (в единицах ПДК м. р.) в районе Селенгинска при юго-западном ветре

Рис. 3. Изолинии интенсивности осаждения сульфатов на подстилающую поверхность Байкальского региона, в кг/(км2месяц)

Рис. 4. Изолинии интенсивности осаждения нитратов на подстилающую поверхность Байкальского региона, в кг/(км2Месяц)

Похожие статьи




Исследование процессов распространения и трансформации соединений серы и азота, метилмеркаптана в регионе озера Байкал

Предыдущая | Следующая