Variability of black carbon and aerosols РМ₁₀ and РМ_2.5 in the near-surface air of the megalopolis

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Характеристики и свойства атмосферных аэрозолей обладают большой пространственно-временной изменчивостью и зависят от многообразных факторов (синоптических условий, метеорологических параметров, химического состава и реакционной способности атмосферы, интенсивности и эффективности источников и стоков) [Будыко, 1974; Кондратьев и др., 2007; Seinfeld, Pandis, 2006]. В крупных городах разнообразие аэрозолей и их воздействия на жизнедеятельность человека и окружающую среду проявляются наиболее заметно. Этому способствуют специфические локальные условия мегаполисов: особый ветровой режим и орография, плотность и разновысотность застройки, городские ландшафты с большими площадями, запечатанными дорожным покрытием, урбаноземы с искусственной интродуцированной растительностью, формирование над городом “острова тепла” [Кузнецова и др., 2017; Chapman et al., 2017; Lokoshchenko, Alekseeva, 2023] и теплового загрязнения, создаваемого антропогенными потоками тепла [Гинзбург, Докукин, 2021; Varentsov et al., 2020], а также непостоянство сложного газо-аэрозольного состава атмосферы, определяющего ее химическую активность. В урбанизированных районах при наличии множества интенсивных локальных антропогенных источников усиливается вредное воздействие аэрозольных частиц на условия жизнедеятельности и здоровье населения. Как показали результаты исследований, в современной городской среде с интенсивно развивающимися экономикой и транспортом основными составляющими массы атмосферного аэрозоля являются пыль, биоаэрозоли и черный углерод (сажа) [Chubarova et al., 2022; Diapouli et al., 2017; Mousavi et al., 2018; Popovicheva et al., 2022; Ramachandran, Rajesh, 2007].

Антропогенное образование черного углерода происходит в основном в результате неполного сгорания ископаемого топлива (дизельное топливо, бензин, газ, уголь), при истирании шин и дорожного покрытия, от предприятий теплоэнергетического комплекса, а также при горении биомассы (горение свалок, сельскохозяйственные и лесные пожары). Свежие (только образованные) наночастицы черного углерода объединяются в агрегаты в виде фрактальных кластеров, которые впоследствии смешиваются с другими аэрозольными компонентами (пыль, сульфаты, органика) [Popovicheva et al., 2014b; Popovicheva et al., 2022]. Такие частицы токсичны и усугубляют риски заболеваний дыхательной и сердечно-сосудистой систем [Janssen et al., 2012; Steiner et al., 2013].

Кроме того, углеродсодержащие и пылевые частицы влияют на радиационный баланс Земли и относятся к климатически значимым компонентам атмосферных аэрозолей [Bond et al., 2013; Cess et al., 1980; Chaibou et al., 2020; Chubarova et al., 2024; Jacobson, 2010; Mahowald et al., 2014; Schepanski, 2018]. Например, черный углерод (сажа) поглощает солнечное излучение, тем самым нагревает атмосферу и влияет на радиационный баланс Земли в глобальном масштабе [Bond et al., 2013]. Оценки показывают [Jacobson, 2010], что черный углерод – это второй по значимости фактор, после углекислого газа, способствующий глобальному потеплению путем прямого воздействия. Пылевой аэрозоль по величине воздействия на климат может быть сравним с дымовым при оценке климатических последствий извержений вулканов и пожаров [Будыко, 1974; Brinkman, McGregor, 1983; Cess et al., 1980], но физика воздействия различна, поскольку различаются спектральные зависимости оптических характеристик.

В городских условиях, наряду с локальными антропогенными источниками черного углерода и пыли (транспорт, предприятия теплоэнергетического комплекса, объекты строительства и др.) на уровень аэрозольного загрязнения воздуха в целом и на концентрацию углеродсодержащей и пылевой компонент аэрозоля, в частности, может существенно воздействовать региональный и дальний перенос аэрозолей горения и пыли [Diapouli et al., 2017; Gubanova et al., 2022a, 2022b; Popovicheva et al., 2022; Popovicheva et al., 2024; Ramachandran, Rajesh, 2007; Salvador et al., 2013; Tiwari et al., 2013].

Наиболее важные пути стока аэрозоля из приземного воздуха – это влажное и сухое осаждение на поверхность, включая растительность, крыши зданий, сооружений и других объектов, перенос атмосферными массами. Среди процессов эмиссии и стока аэрозоля приземной атмосферы необходимо также иметь в виду постоянно существующий круговорот – осаждение аэрозоля на поверхность и возвращение его с поверхности (перевевание ветром, транспортом) вместе с частичками пыли и почвы.

Все перечисленные выше факторы обуславливают сильные пространственные и временные флуктуации характеристик основных компонент городского приземного аэрозоля, что существенно затрудняет изучение закономерностей короткопериодной и долговременной изменчивости концентрации черного углерода и пылевых частиц и оценку воздействия разных условий на ее формирование.

Наряду с непрерывными наблюдениями за уровнем концентрации аэрозольных частиц РМ_2.5 и РМ₁₀ [Sokhi et al., 2021] в последние годы в мире уделяется большое внимание исследованию распределения источников черного углерода и оценке их вклада в аэрозольное загрязнение городов и урбанизированных районов [Briggs, Long, 2016; Popovicheva et al., 2022; Popovicheva et al., 2024]. Московский мегаполис является крупнейшим мегаполисом Европы и одним из самым северных мегаполисов в мире (вторым после Санкт-Петербурга). Природные условия средних широт Евразии определяют множество и разнообразие источников и стоков атмосферного аэрозоля, меняющихся в течение года, а также от года к году, и связанных со спецификой окружающей среды и синоптико-метеорологических условий. Несмотря на развитую городскую наземную сеть непрерывного мониторинга качества атмосферного воздуха [https://mosecom.mos.ru/stations] и эпизодические наблюдения отдельных групп исследователей [Глазкова и др., 2012; Губанова и др., 2017; Губанова и др., 2023а; Копейкин и др., 2018; Копейкин и др., 2019; Кузнецова и др., 2014; Gubanova et al., 2022a, 2022b; Popovicheva et al., 2020; Popovicheva et al., 2022; Popovicheva et al., 2024] в разных точках Москвы, достоверная картина изменчивости состава городского приземного аэрозоля на ее территории в различных временных масштабах с учетом многочисленных антропогенных и природных факторов все еще не сформирована.

Более тридцати пяти лет назад в Институте физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН (ИФА РАН) при активном участии В. М. Копейкина были начаты и успешно продолжаются в настоящее время наблюдения за изменчивостью характеристик сажевой компоненты приземного аэрозоля в условиях Московского мегаполиса [Виноградова и др., 2020; Горчаков и др., 2004; Емиленко, Копейкин, 2009; Копейкин и др., 1993, 1998, 2008, 2018; Копейкин, Пономарева, 2020; Popovicheva et al., 2014a]. При его участии также изучались аэрозоли горения и углеродсодержащий аэрозоль в различных районах России и за ее пределами [Ван Ген Чен и др., 2003; Горчаков и др., 2018; Копейкин и др., 2019; Свириденков и др., 2006; Шевченко и др., 2019; Vinogradova et al., 2020]. Данное исследование дополняет экспериментальный ряд данных таких наблюдений в Москве и является последней работой В. М. Копейкина, безвременно ушедшего в 2023 г.

Настоящая работа имела целью экспериментально выявить и оценить изменчивость величин концентрации черного углерода и аэрозолей разной размерности при одновременных измерениях этих параметров в приземном воздухе в одном и том же месте мегаполиса. Результаты этой работы могут быть полезны не только для уточнения оценки уровня аэрозольного загрязнения приземного воздуха и его пространственной изменчивости в Москве, но также для исследований роли сажевой и пылевой компонент аэрозоля в процессах изменения регионального климата и состояния городских экосистем.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В данном исследовании выполнен анализ временной изменчивости массовой концентрации аэрозольных частиц РМ_2.5 и РМ₁₀ и сажевой компоненты аэрозоля по результатам натурных наблюдений в Москве в течение 2022 г. Экспериментальные данные о концентрации и составе приземного аэрозоля были получены в ходе комплексного аэрозольного эксперимента, реализуемого с осени 2019 г. по настоящее время в Москве, на территории Института физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН, расположенного в центре города и окруженного офисными и старыми жилыми зданиями на территории с малым количеством травяных газонов и зеленных насаждений.

Счетная концентрация различных фракций частиц в диапазоне диаметров 0.2–10 мкм измеряется с помощью оптико-электронных счетчиков аэрозольных частиц ОЭАС-05 и лазерных аэрозольных спектрометров ЛАС-П (разработчик – НИФХИ им. Л. Я. Карпова) в непрерывном режиме с интервалом 5 мин. Принцип действия этих приборов основан на регистрации аэрозольных частиц различных размеров по изменению интенсивности рассеянного света с помощью фотодетекторов. Массовая концентрация аэрозольных частиц рассчитывалась по известной формуле [Seinfeld, Pandis, 2006] с использованием экспериментальной информации о распределении числа аэрозольных частиц по размерам и их счетной концентрации:

$M_i\left(D_p\right)=\frac{\pi }{6}\times D_p^3\times N_i\left(D_p\right)$, (1)

где ρ = 1.8 г/см³ – плотность частиц городского аэрозоля, D_p – средний диаметр частиц в каждой размерной фракции (в предположении, что все частицы – сферические), N_i(D_p) – счетная концентрация частиц каждой размерной фракции:

$N_i\left(D_p\right)={\int }_{{D_p}_2}^{{D_p}_1}{n}_N^{0}d{\log }_{10}\left(D_p\right)$, (2)

где $n_N^0=dN/d{\log }_{10}\left(D_p\right)$ – измеренное приборами ЛАС-П и ОЭАС-05 распределение числа аэрозольных частиц по размерам. Значение плотности (1.8 г/см³) для аэрозольных частиц размером 0.2–10 мкм выбрано для городских условий с учетом результатов выполненного авторами исследования, опубликованного в работе [Губанова и др., 2023б].

Массовая концентрация приземного аэрозоля РМ_2.5 и РМ₁₀ определялась суммированием значений концентрации соответствующих размерных фракций частиц, входящих в состав РМ₁₀ и РМ_2.5.

В течение всего 2022 г. в мониторинговом режиме, синхронно с определением микрофизических характеристик приземного аэрозоля, проводились измерения массовой концентрации сажевой компоненты аэрозоля в эквиваленте черного углерода (ВС – black carbon) с помощью аэталометра AE33 фирмы Magee Scientific (Словения) [Кобелев и др., 2020; Drinovec et al., 2015; Hansen et al., 1984]. Детальное описание аэталометра и методических аспектов его применения представлено, например, в [Drinovec et al., 2015; Hansen et al., 1984].

Более подробно условия и методика комплексного аэрозольного эксперимента, реализуемого в ИФА РАН с осени 2019 г. по настоящее время, описаны в [Губанова и др., 2023а, 2023б; Gubanova et al., 2022].

При интерпретации полученных результатов использовалась метеорологическая информация для московской метеостанции Балчуг и всего мегаполиса, полученная из открытых Интернет-источников [http://rp5.ru; http://www.windy.com/ru; https://weatherarchive.ru/Pogoda/ Moscow]. Кроме того, был выполнен траекторный анализ движения воздушных масс к Москве с помощью модели HYSPLIT 4 [Stein et al., 2015; https://www.arl.noaa.gov] и применены данные реанализа MERRA-2 [Gelaro et al., 2017; https://giovanni.gsfc.nasa.gov/giovanni/] о пространственном распределении черного углерода и пыли в приземном слое атмосферы.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Эпизоды аномально высокого аэрозольного загрязнения и типичный аэрозоль 2022 г.

На рис. 1 показан временной ход среднесуточных значений концентрации черного углерода и аэрозолей РМ₁₀ и РМ_2.5 в центре Москвы в течение 2022 года, а некоторые статистические показатели приведены в табл. 1 (по всем исходным данным). Абсолютные значения концентрации ВС хорошо соответствуют данным, полученным другими авторами ([Popovicheva et al., 2022], четыре сезона за три года в 2018–2020 гг., см. далее табл. 4), а также несколько ниже уровня концентрации черного углерода, который наблюдался в дневное время в Москве в 2014–2016 гг. (от 1.7 до 4.4 мкг/м³ в среднем в разные сезоны) [Копейкин и др., 2018].

 

Рис. 1. Временной ход величины среднесуточной массовой концентрации черного углерода и аэрозолей РМ₁₀ и РМ_2.5 в Москве в течение 2022 г.

 

Таблица 1. Средние ± СКО и максимальные значения среднесуточной концентрации черного углерода, аэрозолей РМ₁₀ и РМ_2.5 в Москве, мкг/м³

Годы	Показатель концентрации	По всем исходным данным			Типичный, без аномальных эпизодов
		Черный углерод	РМ10	РМ2.5	Черный углерод	РМ10	РМ2.5
2022	Средняя ± СКО	1.6 ± 1.1	21 ± 13	6.0 ± 4.2	1.3 ± 0.6	18.3 ± 9.5	5.2 ± 3.0
	Максимум	9.3	99	30	2.8	56	21
2020–2022	Средняя	–	24.8	6.7	–	21 [Губанова и др., 2023а]	6.3 [Губанова и др., 2023а]

 

В целом за 2022 г. в течение 31 сут (<9%) наблюдалось аномально высокое аэрозольное загрязнение приземного воздуха, когда среднесуточное значение концентрации аэрозоля РМ₁₀ было выше ПДК = 60 мкг/м³ [СанПиН, 2021] (среднесуточная концентрация частиц РМ_2.5 круглогодично не превышала ПДК = 35 мкг/м³ [СанПиН, 2021]), а черного углерода – выше 3.7 мкг/м³ (ВС_СР + 2 × СКО), где ВС_СР – среднегодовая концентрация черного углерода в приземном воздухе в центре Москвы за 2022 г. Это примерно столько же дней повышенного аэрозольного загрязнения воздуха со среднесуточными значениями концентрации частиц РМ₁₀ выше ПДК, сколько было зарегистрировано в ИФА РАН, а также по средним для всех станций МЭМ среднесуточным значениям РМ₁₀ в Москве в 2020–2021 гг. [Губанова и др., 2023а]. (ПДКс.с. для черного углерода в приземном воздухе городов и поселений составляет 50 мкг/м³ [СанПиН, 2021] и предназначено, видимо, для пожарных). Как правило, в 2022 г. эти эпизоды были длительностью от 1 до 5 сут, совпадали с аномально высокими значениями концентрации РМ₁₀ и часто сопровождались неблагоприятными метеорологическими условиями (НМУ) – повышенным атмосферным давлением, низкой относительной влажностью и слабым ветром [Кузнецова и др., 2014 (б)].

Несколько эпизодов аномального аэрозольного загрязнения 2022 г. были связаны с дальним атмосферным переносом примесей от пожаров на территориях других регионов. Например, траектории переноса примесей из районов сильных лесных пожаров в Нижегородской и Рязанской областях показаны на рис. 2б и 2в соответственно. Один раз в декабре 2022 г. зарегистрирован дальний атмосферный перенос пыли из районов песчаных бурь (рис. 2д) в западном Казахстане (аналогично октябрю [Gubanova et al., 2022b] и декабрю [Виноградова и др., 2022] 2020 г.).

 

Рис. 2. Примеры траекторий (черные линии) переноса воздушных масс к Москве (круглый значок) на картах распределения концентрации черного углерода (а – 23.04.22; б – 15.08.22; в – 21.08.22; г – 10.12.22), а также на карте распределения концентрации пыли (д – 10.12.22) в приземном воздухе (по данным реанализа MERRA-2) над центром европейской части России

 

Исключив аномальные эпизоды из анализируемых значений концентрации черного углерода, РМ₁₀ и РМ_2.5, можно рассмотреть некоторые свойства типичного приземного аэрозоля в Москве 2022 г. (табл. 1), как это сделано в [Губанова и др., 2023а] для аэрозоля Москвы и Подмосковья в 2020–2021 гг. (но без анализа черного углерода в воздухе). Поскольку аэрозоль РМ₁₀ включает и все более мелкие фракции частиц, в том числе и РМ_2.5, обозначим аэрозольные частицы в диапазоне размеров от 2.5 до 10 мкм как РМ_10–2.5. В состав таких частиц в основном входит минеральная компонента аэрозоля [Губанова и др., 2023а], и далее будем анализировать их характеристики в качестве показателей для грубодисперсных аэрозолей, в отличие от частиц РМ_2.5, которые представляют собой высоко- и среднедисперсный аэрозоль.

Временные вариации величин концентрации черного углерода, аэрозолей РМ_2.5 и РМ_102.5 в приземной атмосфере Москвы

Сезонный ход. На формирование аэрозольного поля в приземной атмосфере в разные сезоны в значительной степени влияют тип и состояние подстилающей поверхности: естественные почва, пыль, растения, снег, а в городе часто вместо них – запечатанные асфальтом и плиткой улицы, небольшие по площади парки и дворы с растениями и открытой почвой, грязный снег с химическими реагентами. На рис. 3 показаны внутригодовые вариации среднемесячных значений концентрации черного углерода, аэрозолей грубодисперсной фракции РМ_10–2.5 и фракции РМ_2.5.

 

Рис. 3. Сезонный ход среднемесячных величин массовой концентрации черного углерода, а также грубодисперсных (РМ_10–2.5) и высоко- и среднедисперсных (РМ_2.5) аэрозольных частиц в центре Москвы в 2022 г.: а – абсолютные значения; б – абсолютные значения для ВС на фоне процентного соотношения массы частиц разной дисперсности

 

Зимой в Москве повышены эмиссии антропогенных атмосферных примесей (в основном, фракция частиц РМ_2.5), а вклад поверхности в генерацию грубодисперсных частиц снижен в связи с наличием снежного покрова. Поэтому отношение концентраций РМ_2.5/РМ_10–2.5 зимой максимально (рис. 3б). Летом картина обратная, и доля массы частиц РМ_2.5 минимальна при большой массе частиц РМ_10–2.5. Повышение концентрации всех рассматриваемых составляющих аэрозоля в августе (рис. 3а) было связано с лесными пожарами в ближайших областях и региональным атмосферным переносом аэрозолей горения оттуда в Москву, о чем далее пойдет речь более подробно. Весна и осень – переходные сезоны, когда источники и стоки, формирующие аэрозольное поле в приземной атмосфере, могут сказываться по-разному при постепенном повышении/понижении температуры (весной/осенью). Сезонный ход концентрации черного углерода качественно хорошо соответствует изменениям в течение года среднемесячного значения концентрации аэрозолей РМ_2.5 (рис. 3а) (коэффициент корреляции среднемесячных значений 0.78), что указывает на то, что черный углерод в атмосфере находится преимущественно на высоко- и среднедисперсных частицах, в частности, из-за общности некоторых источников этих составляющих аэрозоля (ТЭЦ, эмиссии транспорта и др.).

Суточный ход значений концентрации черного углерода, частиц фракций РМ_2.5 и РМ_10–2.5 (рис. 4) отражает влияние на эти составляющие аэрозоля изменений метеоусловий и активности человеческой деятельности в течение суток. Характер суточного хода меняется от сезона к сезону в соответствии с направлением и масштабом этих воздействий. Кроме того, суточную изменчивость концентрации аэрозольных частиц обуславливают стабильность и пространственно-временная изменчивость атмосферного пограничного слоя [Popovicheva et al., 2022].

 

Рис. 4. Суточный ход значения концентрации черного углерода (ВС), аэрозольных частиц РМ_2.5 и РМ_10–2.5: а–в – усредненный по сезонам; г – усредненный за весь год только для РМ_10–2.5 – для разных станций наблюдения в Москве (ИФА, станции МЭМ Спиридоновка, МГУ. Сухаревская площадь и усреднение по всем измеряющим аэрозоль станциям МЭМ). Относительное отклонение от среднегодового значения

 

Зависимости суточного хода концентрации черного углерода (рис. 4а) и частиц РМ_2.5 (рис. 4б) качественно очень похожи, хотя относительная амплитуда изменений концентрации черного углерода в течение суток примерно вдвое больше. Это подтверждает, с одной стороны, что черный углерод в значительной степени сосредоточен на частицах высоко- и среднедисперсного аэрозоля, а с другой стороны, указывает на отмеченную ранее общность многих источников черного углерода и этих аэрозольных частиц. Также на рис. 4а и 4б хорошо видна противоположность зимнего и летнего внутрисуточного хода значений концентрации как ВС, так и аэрозоля РМ_2.5, наиболее выраженная у черного углерода. Для них характерны максимальные летние и минимальные зимние значения в ночные и ранние утренние часы (что отмечалось также авторами [Chubarova et al., 2022; 2024; Popovicheva et al., 2022]. Зимний характер внутрисуточных вариаций черного углерода и частиц РМ_2.5, видимо, определяется активностью антропогенных источников, в частности, транспорта. На летних зависимостях сильно сказывается такой природный фактор, как температурные инверсии в приземном слое атмосферы [Локощенко и др., 2021], максимально ограничивающие процессы вертикальной конвекции как раз в ночные и утренние часы. В промежуточные сезоны (весной и осенью) суточный ход концентрации ВС и РМ_2.5 минимален.

Совсем другой характер имеет в приземном воздухе города суточный ход концентрации грубодисперсных аэрозольных частиц РМ_10–2.5 (рис. 4в и 4г) с максимальными значениями в дневное время суток. Он отражает активность человеческой деятельности (интенсивность движения транспорта, стройки, ремонты). В центре города (рис. 4в) максимальная амплитуда относительной величины внутрисуточных колебаний концентрации таких аэрозолей наблюдается зимой, а минимальная – летом, что, скорее всего, объясняется просто низким зимним и высоким летним абсолютным значением концентрации частиц РМ_10–2.5. Обращает на себя внимание снижение концентрации грубодисперсного аэрозоля в середине дня во все сезоны (рис. 4в), что может соответствовать перерыву в работе учреждений, предприятий, градостроительных организаций, а также времени максимально эффективной вертикальной конвекции в нижнем слое атмосферы в городе. Для сравнения и подтверждения этого эффекта для всего города в целом на рис. 4г показаны среднегодовые вариации величины концентрации аэрозолей РМ_10–2.5 в течение суток, полученные не только по нашим наблюдениям в ИФА РАН, но и на некоторых автоматических станциях контроля загрязнения атмосферы (АСКЗА) наблюдательной сети ГПБУ “Мосэкомониторинг” (МЭМ), а также при усреднении данных всех АСКЗА МЭМ, измерявших в 2022 г. массовую концентрацию аэрозольных частиц РМ_2.5 и РМ₁₀. Дневной минимум в этих зависимостях наблюдается в Москве повсеместно, но при усреднении по всем АСКЗА МЭМ он несколько сглаживается и размывается за счет разнообразия условий формирования аэрозольного поля в воздухе разных районов огромного мегаполиса. Качественно эти различия видны на рис. 4г, где данные в пункте наблюдений ИФА РАН представляют центральный административный район Москвы, АСКЗА “Спиридоновка” МЭМ – центральный жилой район, АСКЗА “Сухаревская площадь” МЭМ – район круглосуточно активной крупной автомагистрали Садового кольца, АСКЗА “МГУ” МЭМ – парковую зону на Воробьевых Горах.

Связи с метеоусловиями. Важным фактором, ведущим к повышению аэрозольного загрязнения приземного воздуха, является образование в отдельные дни и периоды комплекса метеоусловий, способствующих значительному увеличению уровня аэрозольного загрязнения воздуха – неблагоприятных метеорологических условий (НМУ). Это дни с повышенным атмосферным давлением, пониженной относительной влажностью воздуха и отсутствием осадков, при штиле или слабом ветре и температурных инверсиях разной интенсивности [Кузнецова и др., 2014 (б)]. Оценим наличие или отсутствие связей между концентрацией рассматриваемых составляющих аэрозоля и метеорологическими характеристиками – по величине парных коэффициентов корреляции R значений, представленных в табл. 2, – по расчетам на массивах с разным периодом временных вариаций (месяц, сутки, час). Так мы пытаемся учесть и отделить процессы разной инерционности во временной изменчивости рассматриваемых характеристик и параметров.

 

Таблица 2. Значения коэффициента корреляции (R) между величинами концентрации аэрозольных составляющих черного углерода (ВС), РМ_2.5, РМ_10–2.5 и метеорологических параметров – давление (p), относительная влажность (RH), частота штилевых условий (Ш) и скорость ветра (WS) в приземном воздухе. Расчеты за весь 2022 г. для разных масштабов временных вариаций. Выделены значения, достоверные на уровне 95%

Вариации значений	Среднемесячные		Среднесуточные			Среднечасовые
Характеристики	p	Ш	p	WS	RH	p	WS	RH
ВС	0.70	0.47	0.25	–0.50	–0.08	0.17	–0.31	0.01
РМ2.5	0.48	–0.02	0.22	–0.16	0.20	0.22	–0.29	0.11
РМ10–2.5	0.43	0.66	0.32	–0.39	–0.65	0.27	–0.27	–0.46
	R(p-Ш) = 0.21					R(p-WS) = –0.31

 

Как видно из таблицы, относительная влажность воздуха практически не оказывает влияние на аэрозоли РМ_2.5 и черный углерод, но концентрация грубодисперсных частиц РМ_10–2.5 достоверно уменьшается с повышением относительной влажности – при всех трех рассмотренных периодах временных вариаций. Остальные коэффициенты корреляции и их знаки указывают (хотя и не всегда с высокой достоверностью) на накопление аэрозоля в приземном воздухе в условиях НМУ (положительные корреляции с давлением и количеством регистрации штилевых условий для среднемесячных величин, отрицательные – со скоростью ветра для среднесуточных). Особенно регулярно значения концентрации всех рассматриваемых аэрозольных составляющих откликаются на изменения скорости ветра с высокой частотой (среднечасовые вариации величин), которые столь же достоверно соответствуют повышению давления воздуха.

В дополнение к табл. 2 отметим также достоверно высокий коэффициент корреляции между значениями концентрации частиц РМ_10–2.5 и температуры воздуха (R = 0.88), рассчитанный по всем данным за год. Это является следствием годового хода температуры воздуха и состояния подстилающей поверхности, когда в более теплые месяцы максимально поступление в приземный слой атмосферы более крупных частиц аэрозоля в виде минеральных частиц пыли и почвы с поверхности.

Сравнение сезонного хода метеорологических параметров в 2022 г. с многолетними средними показало их небольшое отличие. Рисунок 5 иллюстрирует различия температуры воздуха, давления, влажности и количества осадков в 2022 г. по сравнению со средними показателями за 11 лет (2011–2021 гг.).

 

Рис. 5. Сезонный ход метеорологических параметров в Москве по данным наблюдений в 2022 г. в сравнении с многолетними средними (2011–2021 гг.): а – температура воздуха; б – относительная влажность; в – атмосферное давление на высоте 2 м; г – месячное количество осадков

 

Как видно из рисунка, в 2022 г. были аномально теплые февраль и август (на 5 и 4.3 градуса выше нормы соответственно), сумма осадков за весь год была на 100 мм меньше, чем в среднем в предыдущие 11 лет. В частности, в августе выпало всего 4 мм осадков, что, видимо, и способствовало формированию в этом месяце пожарной обстановки в ряде областей центра ЕТР. Отметим также повышенное атмосферное давление, низкую влажность и малое количество осадков в марте и в августе, характерные для НМУ, способствовавшие повышению в эти месяцы аэрозольного загрязнения воздуха в городе (см. далее рис. 6).

Уровень загрязнения приземного воздуха крупных городов мира черным углеродом и аэрозольными частицами РМ_2.5 и РМ₁₀

В табл. 3 и 4 приведены данные о средних значениях массовой концентрации аэрозольных частиц РМ_2.5 и РМ₁₀ и черного углерода в приземном воздухе различных крупных городов мира.

 

Таблица 3. Массовая концентрация аэрозольных частиц РМ_2.5 и РМ₁₀ в некоторых крупных городах мира [Sokhi et al., 2021; https://www.iqair.com/world-most-polluted-cities]

Город	20181)		20191)		20201)		20212)		20222)
	РМ2.5	РМ10	РМ2.5	РМ10	РМ2.5	РМ10	РМ2.5	РМ10	РМ2.5	РМ10
Хельсинки	10	32	10	32	5.4	14	5.9	–	5.5	–
Берлин	–	28	–	25	–	22	12.5	–	12.6	–
Москва3)	11.6	22.1	11.1	25.1	9.7/7.9	23.2/25.4	12.3/9.4	24.5/28.1	10.5/8.0	22.6/20.9
Амстердам	17	25	15	24	10	20	10.3	–	10.1	–
Париж	13	25	15	27	13	23	13.7	–	12.7	–
Лондон	15	24	19	30	14	24	9.8	–	9.6	–
Рим	14	27	12	25	13	23	11.1	–	12.6	–
Мадрид	5.1	8.6	6.5	11	7.5	9.6	9.4	–	9.5	–
Афины	17	39	16	32	13	19	19.2	–	19.2	–
Нью-Йорк	6.7	–	5.7	–	4.9	–	10	–	9.9	–
Оттава	5.3	–	5.1	–	5.4	–	8.2	–	6.8	–
Мехико	22	37	26	44	21	36	21.7	–	22.1	–
Сан-Пауло	17	28	17	29	13	24	14.2	–	13.5	–
Сидней	11	22	7.9	17	7.7	14	5.3	–	3.1	–
Пекин	24	53	46	88	76	83	34.4	–	29.8	–
Дели	91	263	88	240	48	112	85	–	89.1	–
Сеул	31	60	25	48	22	46	19.7	–	18.3	–

Примечания: ¹⁾ Средние значения за первое полугодие; ²⁾ среднегодовые значения; ³⁾ средние значения по данным всех станций МЭМ/наблюдений в ИФА РАН. Прочерк означает отсутствие данных.

 

Таблица 4. Средние значения (Ср) массовой концентрации черного углерода (мкг/м³) в различных регионах мира

Место наблюдений	Период наблюдений	Концентрация ВС, мкг/м3, Ср + СКО (медиана)					Ссылка
		Весь период	Осень	Зима	Весна	Лето
Европа
ИФА РАН, Москва, Россия	01.01.2022–31.12.2022	1.6 ± 1.1	1.6 ± 0.1	1.6 ± 0.3	1.3 ± 0.4	2.0 ± 0.7	Наст. работа
МГУ, Москва, Россия	2018	–	–	–	1.0 ± 0.2	–	[Popovicheva et al., 2020; Popovicheva et al., 2022]
	2019	–	1.09 ± 0.1	–	–	1.03 ± 0.2
	2019–2020	–	–	1.3 ± 0.2	–	–
София, Болгария	10.2020, 01.2021	–	2.4	3.6	–	–	[Hristova et al., 2022]
Бургас, Болгария	01.2021	–	1.6	1.8	–	–
Забже (Zabrze), Польша	2020	2.9	–	–	–	–
Хельсинки, Финляндия	31.12.201–31.12.2019	0.74 ± 1.3	0.99	1.24	1.02	0.60	[Savadkoohi et al., 2023]
Бирмингем, Великобритания	19.03.201–23.02.2022	0.76 ± 0.82	0.9	0.87	0.75	0.59
Северный Кенсингтон, Лондон, Великобритания	01.01.202–01.01.2022	0.84 ± 0.92	0.92	1.16	0.71	0.60
Эндховен, Нидерланды	28.04.201–31.12.2021	1.37 ± 1.30	1.57	1.64	1.23	1.06
Париж, Франция	01.01.2016–31.12.2019	1.46±1.43	1.72	1.71	1.25	1.14
Марсель, Франция	01.01.2017–31.12.2019	1.61 ± 1.46	1.72	2.15	1.22	1.38
Барселона, Испания	03.04.2015–20.09.2020.	1.51 ± 1.53	1.62	1.68	1.34	1.37
Мадрид, Испания	14.01.2013–31.12.2019	1.35 ± 1.83	1.47	2.40	0.89	0.82
Афины, Греция	01.01.2017–31.12.2019	1.76 ± 2.29	1.81	2.50	1.49	1.24
Бухарест, Румыния	27.02.2014–11.01.2022	2.13 ± 3.05	1.91	2.54	2.99	1.25
Дрезден, Германия	01.01.2017–31.12.2019	0.68 ± 0.66	0.78	0.89	0.62	0.43
Берн, Швейцария	01.01.2015–31.12.2021	1.07 ± 0.79	1.12	1.35	0.93	0.88
Милан, Италия	12.06.2019–22.11.2021	2.02 ± 1.47	2.48	3.47	–	1.33
Азия
Нью-Дели, Индия (городской фон/вблизи автомагистрали)	09.2019–08.2020	5.02 ± 4.40	2.49 ± 0.89/ 7.63 ± 3.87	–	–	–	[Malik et al., 2022]
Мегаполис Метро Манила, Филиппины	01.04.2015–10.06.2015 (сухой сезон)	6.9 ± 4.8 (5.9)	–	–	6.9 ± 4.8 (5.9)	–	[Alas et al., 2018]
Пекин, Китай	2010		5.41 ± 0.42	5.97 ± 0.51	3.71 ± 0.25	4.66 ± 0.15	[Liu et al., 2016]
	2011		4.16 ± 0.26	3.74 ± 0.37	3.09 ± 0.22	4.1 ± 0.14
	2012		4.21 ± 0.3	3.5 ± 0.32	3.5 ± 0.19	3.63 ± 0.2
	2013		3.2 ± 0.21	5.74 ± 0.74	2.13 ± 0.11	2.36 ± 0.1
	2014		2.8 ± 0.16	3.62 ± 0.28	2.47 ± 0.15	3.11 ± 0.3
Штат Миссисипи, США Большие города: Галфпорт (Gulfport) Хаттисбург (Hattiesburg) Джексон (Jackson)	09.2013–12.2014	1.55 ± 1.04 (1.45) 2.00 ± 1.26 (1.85) 2.04 ± 1.43 (1.90)	–	–	–	–	[Nguyen, Roper, 2023]
Штат Миссисипи, США Малые города: Grenada (Гренада) Hernando (Эрнандо) Паскагула (Pascagoula)	09.2013–12.2014	1.01 ± 0.72 (0.81) 1.50 ± 0.82 (1.44) 1.73 ± 0.88 (1.65)	–	–	–	–
Южная Америка
Бразилия: Сан-Паулу Рио-де-Жанейро Белу-Оризонти Куритиба Порту-Аллегри Ресифи	01.06.2007–31.08.2008	10.6 ± 6.4 3.4 ± 2.5 4.5 ± 3.3 4.4 ± 4.0 3.9 ± 4.3 1.9 ± 1.1	10.8 ± 6.5 3.6 ± 2.3 5.1 ± 3.2 5.2 ± 4.9 5.2 ± 4.7 2.1 ± 1.0	12.2 ± 6.4 4.0 ± 2.5 5.7 ± 3.9 5.0 ± 4.1 5.7 ± 5.4 2.4 ± 1.1	8.1 ± 4.6 2.4 ± 1.5 3.5 ± 2.0 3.3 ± 1.8 3.4 ± 3.5 1.5 ± 0.9	7.8 ± 3.3 2.1 ± 1.2 2.9 ± 1.7 2.1 ± 1.2 1.8 ± 0.8 1.4 ± 0.6	[de Miranda et al., 2012]
Африка
г. Алжир, Алжир	01.06.2014–31.05.2015	1.11 ± 2.03	1.21 ± 1.15	1.02 ± 1.18	0.97 ± 0.96	1.28 ± 1.35	[Merabet et al., 2019]
Каир, Египет	Осень 200٤, Весна 2005	9.9 ± 6.6 6.9 ± 4.8	–	–	–	–	[Mahmoud et al., 2008]

 

Как видно из табл. 3 и 4, уровень аэрозольного загрязнения приземного воздуха урбанизированных районов, расположенных в разных регионах Земного шара, несмотря на особенности географического расположения, рельефа местности, синоптических и метеорологический условий и регионального климата, схож. Это обусловлено спецификой локальных городских источников, численностью и плотностью населения. Уровень аэрозольного загрязнения воздуха Московского мегаполиса соизмерим с уровнем загрязнения большинства крупных городов Европы и Северной Америки, несколько выше, чем в городах Северной Европы, и ниже, чем в городах Южной Европы, Латинской и Южной Америки и Азии. Причем такая тенденция справедлива как для пылевой компоненты атмосферного аэрозоля, так и для черного углерода. Сезонный ход концентрации черного углерода и пылевой компоненты приземного аэрозоля в большинстве городов мира подобен сезонному ходу этих аэрозольных составляющих в Московском мегаполисе. Это свидетельствует о схожих механизмах формирования атмосферного аэрозольного поля (источниках эмиссии аэрозольных частиц и путей их вывода из атмосферы) и качественно указывает на общность воздействия этих механизмов на состав аэрозоля в городах в разные сезоны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Специфика изменчивости концентрации черного углерода и аэрозольных частиц РМ_2.5 и РМ₁₀ в приземном воздухе центра Москвы свидетельствует о том, что основной вклад в загрязнение пылью и углеродсодержащими аэрозолями вносят локальные антропогенные источники: транспорт, теплоэнергетика и другая деятельность населения с учетом внутригодовых особенностей.

Сезонные вариации концентрации каждой из рассмотренных аэрозольных составляющих связаны с изменчивостью их специфических источников и стоков, а также синоптических условий и метеорологических параметров.

Суточные вариации концентрации аэрозольных компонент, главным образом, отражают активность и специфику человеческой деятельности, а также изменения условий осаждения аэрозолей на поверхность и вертикальной конвекции в нижнем слое атмосферы в течение суток.

Воздействие источников, связанных с региональным и дальним атмосферным переносом в Московский регион аэрозолей горения и/или пыли, на общий фон аэрозольного загрязнения Московского мегаполиса кратковременно, но может приводить к значительному росту (с превышением ПДК) среднесуточных значений массовой концентрации аэрозольных частиц РМ₁₀. В 2022 г. аномально высокие значения концентрации аэрозольных составляющих (черный углерод, РМ₁₀ и РМ_2.5) в приземном воздухе Москвы наблюдались при дальнем переносе загрязнений из районов горения биомассы и/или пыльных бурь. Количество таких дней за год составило менее 9%, что подтверждает аналогичные статистические показатели 2020 и 2021 гг., полученные по данным наблюдений в ИФА РАН и в целом по Москве. Большинство этих дней было связано с неблагоприятными метеорологическими условиями, при которых происходило накопление примесей в нижнем слое атмосферы.

В целом результаты наблюдений за составом приземного аэрозоля в Москве в 2022 г. показали, что по уровню аэрозольного загрязнения Московский мегаполис сопоставим с другими крупными городами Европы и Северной Америки, характеризуется более чистым воздухом по сравнению с урбанизированными районами Азии, Латинской и Южной Америки и не является сильным источником загрязняющих аэрозольных веществ в Европе.

Полученные в данной работе численные значения концентрации ВС и аэрозолей разной дисперсности, их изменчивости в приземном воздухе Москвы могут быть полезными не только для уточнения уровня и пространственного распределения аэрозольного загрязнения приземного воздуха в Москве, но и для исследований роли сажевой и пылевой компонент аэрозоля в процессах изменения регионального климата и состояния городских экосистем, а также при оценках радиационных эффектов в атмосфере, например, при изучении формирования над Москвой «острова тепла» в разные сезоны.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы выражают большую признательность руководству ГПБУ “Мосэкомониторинг” за предоставленную возможность доступа к базе данных измерений на наблюдательной сети АСКЗА в Москве.

Работа выполнена в рамках Государственного задания Института физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН (полевые наблюдения за составом приземного аэрозоля и экспериментальное измерение концентрации сажевой и пылевой компонент атмосферного аэрозоля) и при частичной финансовой поддержке РНФ, грант № 23–27–00063 (тематическая обработка и анализ экспериментальных данных, исследование изменчивости концентрации черного углерода и пыли на основе данных измерений).

About the authors

A. A. Vinogradova

Obukhov Institute of Atmospheric Physics of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: anvinograd@yandex.ru
Russian Federation, Moscow

D. P. Gubanova

Obukhov Institute of Atmospheric Physics of the Russian Academy of Sciences

Email: anvinograd@yandex.ru
Russian Federation, Moscow

V. M. Kopeykin

Obukhov Institute of Atmospheric Physics of the Russian Academy of Sciences

Email: anvinograd@yandex.ru
Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files