Влияние эмиссий горения природных топлив и лесных пожаров на качество воздуха городской среды промышленного центра Западной Сибири

Полный текст

1. ВВЕДЕНИЕ

В ситуации глобальных изменений климата, в центре научных исследований оказываются показатели качества воздуха и их влияние на здоровье населения [Kuula et al., 2022]. До настоящего времени эти показатели включали концентрации ряда газообразных примесей, а также крупнодисперсных частиц размером до 10 мкм (РМ₁₀) и мелкодисперсной вдыхаемой фракции частиц размером до 2.5 мкм (PM_2.5) [Ревич, 2018; Elansky et al., 2018]. Всемирной организацией здравоохранения и агентствами по защите окружающей среды в разных странах, включая РФ, были введены нормативы по предельно допустимым концентрациям среднего годового и суточного содержания РМ₁₀ и РМ_2.5 (см. детальнее [Поповичева, 2021]).

Временная изменчивость дисперсных фракций аэрозолей важна для понимания процессов образования и накопления загрязнения в атмосфере города [Аршинов и Белан, 2000]. Современные исследования физико-химических характеристик аэрозолей показывают, что число, распределение по размерам и площадь поверхности частиц, осажденных в легких, в значительной степени определяются уровнем антропогенной нагрузки городской среды [Vratolis et al., 2019; Liu et al., 2023]. Химический состав аэрозолей определяется источником загрязнения (транспорт, промышленность, строительство, система отопления, дорожная пыль, природные пожары) [Amato et al., 2016] и сильно варьирует в зависимости от сезона, численности и экономической активности населения [Almeida et al., 2020; Popovicheva et al., 2024a]. Выделаются особенности влияния источников загрязнения на состояние атмосферы в развитых промышленных городах [Chen et al., 2019; Landis et al., 2019; Marinaite et al., 2022]. Исследования токсичности фракции PM_2.5 в выхлопах автомобилей показывают значительное увеличение по сравнению с городской средой [Luo et al., 2023]. На основе совместного анализа уровня РМ₁₀ и РМ_2.5 и опасного воздействия микрочастиц в атмосфере на здоровье населения обосновывается необходимость введения новых маркеров качества воздуха и количественного анализа основных источников загрязнения городской среды [Daellenbach et al., 2020].

Среди экологически опасных аэрозольных компонентов выделяется черный углерод, образующийся в результате горения ископаемых топлив в двигателях внутреннего сгорания [Lighty et al., 2000], факельных установках [Popovicheva et al., 2019b] и при горения биомасс в природных пожарах и системах отопления [Popovicheva et al., 2015]. Глобальные антропогенные выбросы чёрного углерода оцениваются примерно в 7,2 тераграмм в год и составляют ~15% от выбросов PM_2.5, для транспортного сектора эта величина достигает 50% [Klimont et al., 2017]. В атмосфере частицы чёрного углерода формируют наиболее опасную и токсичную компоненту РМ_2.5 [Paisi et al., 2024].

Особую опасность черный углерод представляет в городской среде с большим количеством источников эмиссий, повышенной транспортной нагрузкой и высокой плотностью населения. Увеличение риска хронических и респираторных заболеваний определили черный углерод важнейшим индикатором опасного влияния на здоровье [Janssen et al., 2011]. Разрабатываемый в настоящее время подход к стандартизации измерений чёрного углерода и его источников позволил включить его в число новых показателей качества воздуха в городах Европы, особенно в северных регионах, наиболее чувствительных к климатическим изменениям [Fung et al., 2022; Savadkoohi et al., 2023; Trechera et al., 2023].

Благодаря способности поглощать солнечное излучение, черный углерод является короткоживущим климатическим трассером, вторым после углекислого газа [Assessment, 2021]. Он вызывает нагрев атмосферы, ускорение таяния снега и льда, увеличение радиационного воздействия на климат Арктики [Lee et al., 2013]. Перенос эмиссий индустриальных регионов, жилого сектора, транспорта зимой и лесных пожаров летом определяют уровень загрязнения атмосферы Арктическом региона черным углеродом [Виноградова и Васильева, 2017; Popovicheva et al., 2019a; Belan et al., 2022]. Особую роль играют крупномаштабные лесные пожары [Kozlov et al., 2016; Mokhov et al., 2020]. Локальные источники выбросов ВС в Арктике влияют на состояние экосистемы в целом [Schmale et al., 2018]. Анализ аэрозольного состава атмосферы особенно актуален в городах Арктического региона, где транспорт, промышленность с одной стороны и шлейфы сибирских пожаров с другой приводят к высокой степени загрязнения атмосферы [Evans et al., 2015; Рапута и др., 2017; Поповичева и др., 2020; Schneider et al., 2024].

Север Западной Сибири — один из индустриально развитых регионов России. На территории Ямало-Ненецкого автономного округа (ЯНАО) уровень техногенного воздействия при освоении недр является определяющим в формировании экологической обстановки [Виноградова, 2014]. Разработка современной технологии экодиагностики состояния окружающей среды в ЯНАО была начата установкой Аэрозольного комплекса МГУ вблизи г. Салехард [Поповичева и др., 2020]. На острове Белый проведены длительные сезонные измерения и анализа пространственного распределения антропогенных источников черного углерода зимой и лесных пожаров летом [Поповичева и др., 2022; Поповичева и др., 2023; Popovicheva et al., 2023].

Данная работа посвящена анализу влияния эмиссий горения ископаемых топлив и лесных пожаров на атмосферу промышленного центра ЯНАО. На базе Аэрозольного комплекса МГУ проведены непрерывные наблюдения в г. Новый Уренгой с июня по сентябрь 2023 г. Представлены результаты измерений счетного числа частиц N, массовых концентраций черного углерода, РМ_2.5 и РМ₁₀. Развит подход анализа основных источников загрязнения атмосферы города. Проведена оценка уровня аэрозольной нагрузки атмосферы под воздействием топливно-энергетического комплекса Уренгойского нефтегазоконденсатного месторождения (ТЭК УНГКМ) и лесных пожаров.

2. МЕТОДЫ АНАЛИЗА

2.1. Регион исследования

Город Новый Уренгой является промышленным центром крупного нефтегазодобывающего региона на территории ЯНАО (см. карту рис. 1). Он находится в непосредственной близости от ТЭК УНГКМ, который занимает площадь 6500 км², состоит из 2800 эксплуатационных скважин [https://geonovosti.terratech.ru/economy/razvitie-neftegazovykh-mestorozhdeniy-na-primere-urengoyskogo-mestorozhdeniya/]. https://ru.wikipedia.org/wiki/Природный_газ https://ru.wikipedia.org/wiki/Россия На предприятиях УНГКМ добывается 74% всего газа России. В районе Лембеяяха расположено ещё одно крупное предприятие — «Уренгойская ГРЭС». Технологические мощности городских предприятий пищевой промышленности, коммунального хозяйства, строительных и ремонтные компаний, теплоснабжения 15-ти котельных значительно меньше. В городе проживает немного более 106 тыс. человек, 80% населения работает в топливно-добывающей сфере. Транспортная нагрузка города невысока; все основные промплощадки вынесены к границе города. В регионе увеличивается доля газа в качестве топлива для автомобильной техники.

 

Рис. 1. Слева: город Новый Уренгой на карте Западной Сибири, указаны расположения газовых факелов нефтяных и газоконденсатных месторождений. Внизу: расположение Аэрозольного комплекса МГУ (АК) и объектов УНГКМ в Новый Уренгой. Секторы пространственного распределения источников черного углерода указаны линиями и названиями.

 

2.2. Инструментальный Аэрозольный комплекс

Инструментальный Аэрозольный комплекс МГУ (АК МГУ) установлен в центре г. Новый Уренгой (66°6'32" с.ш., 76°40'45" в.д.) на берегу реки Седе-Яха, разделяющей город на Северный и Южный районы (рис. 1). Месторасположение выбрано так, чтобы при смене направления ветра АК МГУ находился под воздействием определенных источников: на севере — спального района, на юге — многофункциональной городской зоны, где расположены большинство учреждений, железнодорожный вокзал и аэропорт, на западе — незаселенного лесотундрового ландшафта, на северо-востоке, востоке и юго-востоке – промышленных зон и объектов инфраструктуры ТЭК УНГКМ, завода для подготовки природного газа, Новоуренгойского газохимического комплекса, инженерно-технических объектов, где расположены скважины добычи и факелы технологического сжигания газоконденсата. Ближайшая факельная установка находилась на расстоянии 7.3 км.

Цикл непрерывных измерений на АК МГУ проводился в течение 107 дней с 7 июня по 21 сентября 2023 года. Инструментальный комплекс мобильного мониторинга представляет собой систему мобильного мониторинга аэрозольных характеристик в реальном времени и отбора проб. Он включает диффузионный аэрозольный спектрометр ДАС 2702-М производства «АэроНаноТех» для измерения счётной концентрации N частиц с размером 0.2–10 мкм и оценки массовой концентрации PM_2.5 и PM₁₀. Спектрометр ДАС калибровался в стационарных условиях на Аэрозольном комплексе МГУ [https://www.geogr.msu.ru/science/projects/IAC/] в течение месяца до отправки в экспедицию с помощью фирменных приборов мировых сетей: оптического счетчика частиц OPS 3330, TSI (включен в состав АК МГУ в 2020 году) и осциллирующих микровесов ТЕОМ 1400, Thermo Fisher Scientific (входит в состав станции измерения воздуха «МГУ» сети ГПБУ «Мосэкомониторинг»). Регрессионный анализ счетной концентрации общего числа частиц по данным ДАС и OPS 3330 в указанном диапазоне показал высокую степень линейной зависимости с коэффициентами детерминации R² равным 0.85 и линейной регрессии 0.6. Массовые концентрации РМ₁₀ и РМ_2.5 рассчитывалась в программном обеспечении ДАС в предположении сферичности частиц. Регрессионный анализ по данным ДАС и TEOM 1400 показал на удовлетворительную степень линейной зависимости с R² равными 0.62 и 0.61 и коэффициентами линейной регрессии 1.73 и 0.8, соответственно.

Массовая концентрация эквивалента черного углерода (equivalent black carbon, eBC) определялась оптическим методом с помощью аэталометра AE33 (Magee Scientific), входящего в состав АК МГУ с 2020 года. Работа прибора основана на непрерывном отборе аэрозолей из атмосферы при разных скоростях потока воздуха и одновременном измерении ослабления излучения, проходящего через два фильтра, а также через референс-фильтр без прокачки воздуха [Drinovec et al., 2015]. Аэталометр АЕ33 обеспечивает измерение поглощения излучения осажденными на фильтре частицами на семи длинах волн в диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного с разрешением 1 мин. Массовая концентрация eBC в эмиссиях сжигания природного ископаемого топлива (дизельного, бензинового, газа) оценивалась по изменению ослабления излучения на длине волны λ = 880 нм. Поглощение органических и минеральных компонентов атмосферных аэрозолей на этой длине волны мало [Sandradewi et al., 2008]. На коротких длинах волн значительно увеличивается поглощение продуктов горения биомасс (сжигания древесины, дымов пожаров) [Zhang et al., 2017; Popovicheva et al., 2022].

Измерительная система комплекса находилась в металлических контейнерах, оснащенных влаго- и ветрозащитой, источником бесперебойного питания, обогревателем и охладителем для подержания оптимальной температуры. Забор воздуха производился на высоте 2.5 м с использованием импакторов РМ_2.5. Сайт RP5 метеостанции аэропорта Новый Уренгой (66°4'22"с.ш., 76°31'24"в.д.) обеспечивал метеоданные.

2.3. Анализ наблюдений

Оценка вклада сжигания ископаемых топлив и биомасс в измеренные концентрации eВС производилась с помощью аэталометрической модели на основе спектральной зависимости коэффициента поглощения b_abs от длины волны λ в предположении суммарного поглощения продуктов сжигания во всем спектре измерения и степенной зависимости спектрального поглощения, определяемой коэффициентом Ангстрема α_ff = 1 при горении ископаемых топлив (fossil fuel, ff) и α_bb = 2 при сжигании древесины (biomass burning, bb) [Sandradewi et al., 2008]. Расчеты проводились на двух длинах волн λ = 470 и 950 нм согласно уравнениям:

$\frac{b_{abs}{\left(470\right)}_{ff}}{b_{abs}{\left(950\right)}_{ff}}={\left(\frac{470}{950}\right)}^{-a_{ff}}$, (1)

$\frac{b_{abs}{\left(470\right)}_{bb}}{b_{abs}{\left(950\right)}_{bb}}={\left(\frac{470}{950}\right)}^{-a_{bb}}$, (2)

$b_{abs}\left(470\right)+b_{abs}{\left(470\right)}_{ff}=b_{abs}{\left(470\right)}_{bb}$, (3)

$b_{abs}\left(950\right)+b_{abs}{\left(950\right)}_{ff}=b_{abs}{\left(950\right)}_{bb}$. (4)

Определялся процент вклада сжигания биомасс (biomass burning, ВВ%) и природных топлив (fossil fuel, FF%) как

$BB\%=\frac{b_{abs}{\left(950\right)}_{bb}}{b_{abs}\left(950\right)}$, (5)

$FF\%=100\%-BB\%$. (6)

Для исследования пространственного распределения источников применен метод построения розы загрязнений в полярных координатах направления и скорости ветра [Uria-Tellaetxe and Carslaw, 2014]. Кластеризация данных двумерного распределения еВС в зависимости от направления и скорости ветра проведена методом k-means на основе признака схожести [Govender and Sivakumar, 2020], определяемом концентрацией еВС, зональной и меридиональной компонентами направления ветра.

Рассчитан массив обратных траекторий переноса воздушных масс с шагом 1 ч на высоте 500 м над уровнем земли на основе модели HYSPLYT лаборатории «Air Resources Laboratory» [Stein et al., 2015] и архивных метеорологических данных GDAS [http://www.arl.noaa.gov/ ready] с пространственным разрешением 1° широты и 1° долготы. Региональное распределение источников черного углерода определялось путем соотношения обратных траекторий переноса воздушных масс за период наблюдений к концентрации еВС в момент их прихода в точку наблюдения. Карты построены посредством ГИС-пакета QGIS.

Информация об очагах пожаров получена из базы данных Fire Information for Resource Management System (FIRMS) системы NASA/ESDIS [https://firms.modaps.eosdis.nasa.gov/map] спутникового зондирования термоактивных точек на поверхности земли. Для наблюдения шлейфов пожаров использовались космоснимки системы NASA/EОSDIS WORLDWIEW [https://worldview.earthdata.nasa.gov/]. Расположение газовых факелов ТЭК определялось по данным спутников VIIRS о свечении объектов с температурой выше 1200°С [https://viirs.skytruth.org/ apps/heatmap/].

3. РЕЗУЛЬТАТЫ

3.1. Метеорологические условия

Метеорологические параметры в период измерений с 7 июня по 21 сентября 2023 года характеризовались высокой изменчивостью. Период с 7 по 23 июня был облачным и прохладным со средней температурой 6.9 ± 3.8°, с 24 по 30 июня погода изменилась на ясную, температура увеличилась в среднем 13.5 ± 3.7°. Июль был ясным и жарким (18.3 ± 5.7°). В августе средняя температура была 13.8 ± 6.2°, в сентябре похолодало до 8.6 ± 4.2°. Осадки были зафиксированы 51 раз из 857 наблюдений, в среднем 3 ± 4 мм. Почти половина из них (24 мм) выпала 29 июля, еще 13 мм — 24 июля. В остальные дни осадков более 9 мм не наблюдалось. Три четверти суммарных осадков за период наблюдений выпало 24 и 29 июля (13 и 24 мм, соответственно), во время одного из рассмотренных далее эпизодов загрязнения.

За период наблюдений преобладали ветры северных направлений со стороны многоэтажной селитебной застройки. Роза ветров за весь период наблюдений показывает ветры преимущественно северо-восточного, северного и северо-западного направлений с частотой повторяемости 17%, 15% и 10% (рис. 2а). Скорость ветра ws в среднем составляла 3.7 ± 2 м/с.

 

Рис. 2. а) Роза ветров; б) двумерное распределение еВС в зависимости от направления и скорости ветра (ws); в) кластерный анализ распределения еВС в зависимости от скорости и направления ветра. Цветом показаны кластеры западный (З), юго-восточный (Ю-В), восточный (В) и северный (С); г) концентрации еВС в кластерах. Линией внутри ящичной диаграммы с ограничителями выбросов указаны медианные значения, нижняя и верхняя границы соответствует 25- и 75-му перцентилям, вертикальными линиями обозначены экстремумы.

 

3.2. Аэрозольная нагрузка атмосферы города

Аэрозольная нагрузка атмосферы города определяется временной динамикой основных характеристик: счетной концентрацией общего числа частиц N, массовыми концентрациями РМ₁₀, РМ_2.5 и еВС. Временной ход счетной концентрации N в диапазоне размеров от 200 нм до 10 мкм и массовых концентраций PM₁₀, PM_2.5 за весь период измерений представлен на рис. 3а, б, в). Наблюдается значительная варьируемость указанных характеристик. Средняя счетная концентрация N за весь период измерений составила 158 ± 151 см^–3 (таблица), что уступает в два-три раза среднему уровню счетной концентрации частиц в диапазоне 200–500 нм в центре и пригороде мегаполиса в летний сезон [Vratolis et al., 2019], а в диапазоне 100–500 нм значениям, полученным в наблюдениях на 62-х наземных станциях сети GAW за исключением высокогорных и арктических [Rose et al., 2021]. Максимальные массовые концентрации PM₁₀ и РМ_2.5 достигали 51 мкг/м³ и 25 мкг/м³ 23 июля и 1 августа. Среднесуточные значения PM₁₀ и РМ_2.5 за все время наблюдений не превышали предельно допустимые концентрации (ПДК) для PM₁₀ (60 мкг/м³) и PM_2.5 (35 мкг/м³). Средняя массовая концентрация PM_2.5 и PM₁₀ составила 7 ± 5 и 18 ± 11 мкг/м³ (таблица). Отношение концентраций PM_2.5 /PM₁₀, характеризующее вклад мелкодисперсных частиц, в среднем было небольшое, 0.4 ± 0.1, что указывает на значительную долю крупнодисперсных частиц почвы и пыли в аэрозольной нагрузке атмосферы Нового Уренгоя.

 

Рис. 3. Временной ход с усреднением 12 часов (а) счетной концентрации общего числа частиц N, массовой концентрации (б) PM₁₀, (в) PM_2.5, (г) еBC и (д) вклада сжигания ископаемых топлив FF% и биомасс ВВ% с 7 июня по 21 сентября 2023 года. Пунктиром указан пороговый уровень эпизодов загрязнения. Указаны четыре периода загрязнения, определенные по превышению концентрации еВС порогового уровня.

 

Таблица. Средняя массовая концентрация eBC, счетная концентрация N, массовая концентрация PM_2.5 и PM₁₀, средний вклад сжигания ископаемых топлив FF% и биомасс ВВ%, среднее отношение eBC/PM_2.5 и PM_2.5 /PM₁₀ на уровне городского фона, в эпизоды загрязнения и за весь период измерений с 7 июня по 21 сентября 2023 г.

Период

N, см‒3

PM2.5, мкг/м3

PM10, мкг /м3

eBC, мкг/м3

FF%

ВВ%

eBC/PM2.5

PM2.5 /PM10

Уровень городского фона

119 ± 110

5 ± 3

16 ± 9

0.5 ± 0.3

88 ± 5

12 ± 5

0.1 ± 0.1

0.3 ± 0.1

I

24.06–28.06

111 ± 37

5 ± 2.5

15 ± 8

1 ± 0.6

93 ± 4

7 ± 4

0.3 ± 0.1

0.2 ± 0.1

II

22.07–29.07

493 ± 122

15 ± 4

31 ± 11

1.4 ± 0.6

90 ± 9

10 ± 9

0.5 ± 0.1

0.1 ± 0.03

III

1.08–8.08

275 ± 158

12 ± 5

30 ± 7

1.2 ± 0.7

92 ± 7

8 ± 7

0.4 ± 0.1

0.1 ± 0.1

IV

6.09–8.09

141 ± 59

11 ± 6

36 ± 22

2 ± 1.2

96 ± 2

4 ± 2

0.3 ± 0.03

0.2 ± 0.03

Весь период наблюдения

158 ± 151

7 ± 5

18 ± 11

0.7 ± 0.6

0.7 ± 0.6

11 ± 6

0.15 ± 0.1

0.4 ± 0.1

 

Временной ход массовой концентрации еBC за весь период наблюдений с 7 июня по 21 сентября 2023 года представлен на рисунке 3г. Наблюдается значительная варьируемость, максимальные значения 2.3, 2.7, 3.4 и 4.2 мкг/м³ зарегистрированы 8 июня, 26 июля, 3 августа и 7 сентября. Средняя массовая концентрация еBC за весь период измерений составила 0.7 ± 0.6 мкг/м³ (таблица). Такой уровень характерен для городов в летний сезон (см. ссылки в [Popovicheva et al., 2020]).По сравнению с крупными городами РФ Новый Уренгой уступает немного: летом средний уровень еВС на условно-фоновой станции в Томске составил 0.8 ± 0.4 мкг/м³ [Козлов и др., 2010], в Москве 1.0 ± 0.2 мкг/м³ [Popovicheva et al., 2022].

Ранее городские эмиссии черного углерода исследовались вблизи г. Салехард [Поповичева и др., 2020]. Средняя концентрация еВС в среднем в июне и июле 2019 г. была 0.15 ± 0.1 мкг/м³, значительно ниже наблюдаемого в Новом Уренгое. Салехард — административный центр ЯНАО, определяющие источники загрязнения его городской среды — теплоэнергетика и автотранспорт, использующие дизель, бензин и газ в качестве топлива. Значение ВС/PM_2.5 в среднем 0.1 ± 0.1 в атмосфере Нового Уренгоя за весь период измерений значительно уступает характерному для городской среды с высокой транспортной нагрузкой [Klimont et al., 2017].

Анализ временной изменчивости массовых концентраций еBC позволяет выделить значения 12-ти часовых средних концентраций, превышающие пороговую величину 0.85 мкг/м³, оцененную как 75% персинтилей значений eВС за время всего периода измерений. Определены четыре эпизода загрязнения каждый длительностью более суток в конце июня (I) и июля (II), в начале августа (III) и сентября (IV) (рис. 3г). В целом, эпизоды загрязнений длились 25.3% всего времени измерений. Концентрации еBC ниже порогового соответствуют уровню городского фона, равному в среднем 0.5 ± 0.3 мкг/м³ (таблица). За весь период эпизодов загрязнений средняя концентрация eBC в 2.5 раза превысила уровень городского фона (1.3 ± 0.8 мкг/м³) (таблица).

Эпизоды загрязнения II и III сопровождались повышенной счетной концентрацией N в диапазоне от 200 нм до 10 мкм, в среднем до 493 ± 122 см^–3 и 275 ± 158 см^–3 (рис. 3а). В субмикронном и микронном диапазонах спектра по размерам формируются и накапливаются вторичные аэрозоли (сульфаты, нитраты), частицы почвы, пыли и морской соли [Eleftheriadis et al., 2014], поэтому уровни повышенных концентраций N в результате увеличения частиц в этих диапазонах не всегда совпадают с эпизодами загрязнения еВС, что наблюдается на рис. 3а и г.

Городские эмиссии характеризуется низкими концентрациями PM_2.5 и PM₁₀, в среднем 5 ± 3 мкг/м³ и 16 ± 9 мкг/м³. Эпизоды загрязнения выделяются повышенными концентрациями (таблица); за весь период загрязнений средняя концентрация в ~2 раза превышала уровень городских эмиссий для PM_2.5 (11 ± 5 мкг/м³) и в 1.8 раза для PM₁₀ (28 ± 13 мкг/м³). Отношение eBC/PM2.5 увеличивалось в периоды эпизодов загрязнения почти в 2 раза по сравнению с периодами низких концентраций, указывая на обогащение аэрозолей дымовой компонентой. В период максимального эпизода загрязнения IV оно было в 5 раз выше (0.5 ± 0.1).

3.3. Черный углерод и источники загрязнения

За время наблюдений высокие концентрации черного углерода (более 800 нг/м³) наблюдались при застойной погоде (ws менее 1 м/с), в направлениях ветров восточного, северо-восточного и юго-восточного направлений (ws более 1 м/с) (рис. 2б). Концентраций более 300 нг/м³ не зарегистрировано при ws выше 2 м/с в восточном и 4 м/с в северном и южном направлениях. Анализ двумерного распределения еВС по направлению и скорости ветра выделил четыре кластера (рис. 2в), данные статистической обработки которых представлены на рисунке 2г). Кластеры восточный (В), юго-восточный (Ю-В), северный (С), а также западный (З) характеризуются наивысшим 800, 260, 380 нг/м³ и наименьшим 240 нг/м³ медианными значениями, соответственно. Географическое местоположение секторов, определенных кластерным анализом указано на рис. 1. Направление источников (наивысших концентраций) черного углерода определяется в восточном секторе, где расположены объекты инфраструктуры ТЭК УНГКМ. Наивысшие концентрации еВС более 1000 нг/м³, измеренные при скоростях ветра в диапазоне более 2 м/c (рис. 2б), указывают на удаленный источник в этом направлении. В секторах (С) спального района города и (Ю-В) многофункциональной городской зоны определяются средние уровни загрязнения черным углеродом. В секторе (З) минимальных концентраций оказался юго-западный район города и незаселенный лесотундровый ландшафт.

Расчеты вклада сжигания ископаемых топлив и биомасс за весь период наблюдения проводились по формулам (1–6). Временной ход FF% и ВВ% представлен на рисунке 2д). В среднем уровни FF% и ВВ% характеризуются значением 89 ± 6% и 11 ± 6% (таблица). Отметим низкий ВВ% по сравнению с уровнем для многих городов Европы, где сжигание биомасс (древесины для отопления в жилом секторе) превышает 13% и достигает максимума 39% [Savadkoohi et al., 2023]. В летний период в Москве (где население не использует биомасс) зарегистрирован уровень 10 ± 5%, определяемый дальним переносом эмиссий сжигания биомасс из региона вокруг мегаполиса [Popovicheva et al., 2024b].

24–28 июня наблюдался период загрязнения I, в котором концентрация еВС в среднем (1 ± 0.6 мкг/м³) в 2 раза превысила уровень городского фона (таблица). Для данного периода характерен высокий процент FF% (рис. 2д), достигший 93 ± 4%, что свидетельствует о значительном преобладании в то время продуктов горения ископаемых топлив. 22–29 июля в эпизоде загрязнения II концентрация еВС была в среднем 1.4 ± 0.6 мкг/м³, что более, чем в 2.5 раза превысило уровень городского фона. В начале данного эпизода с 22 по 24 июля FF% упал до 78 ± 4%, возрос процент сжигания биомасс ВВ%, который достиг 23 июля наивысшего значения 26%. В это время счетная концентрация общего числа частиц N и массовая концентрация РМ₁₀ достигли наиболее высоких за все время наблюдения значений 800 см^–3 и 46.4 мкг/м³ (рис. 3а,б) в результате поступления пылевой компоненты аэрозолей вместе с дымовыми шлейфами.

С 1 по 8 августа, в эпизод загрязнения III концентрация еВС (1.2 ± 0.7 мкг/м³) более, чем в 2 раза превосходила уровень городского фона, наблюдался высокий FF% (92 ± 7%). Эпизод высокого ВВ% порядка 28% 5 августа был зарегистрирован 5 августа при низкой концентрации еВС и скорости ветра, что указывает на локальный источник горения вблизи места наблюдения. Рекордно высокая концентрация еВС в период загрязнений IV (2.0 ± 1.2 мкг/м³) в 4 раза превысила уровень городских эмиссий. Для этого периода был зарегистрирован самый высокий процент FF% (96 ± 2%).

Анализ двумерного распределения вклада сжигания природных топлив FF% в зависимости от скорости и направления ветра подтверждает восточное направление источника (рис. 4). Наибольший процент FF% в период I отмечается в северо-западном и северо-восточном направлениях при скоростях порядка 3 м/c. В периоды наиболее высоких эпизодов загрязнений II, III и IV вклад FF% более 92% отмечается при ветрах северо-восточного направления и скоростях более 3 м/c. В это время в месте расположения АК в направлении объектов ТЭК УНГКМ наблюдались дымовые шлейфы удаленных факельных установок, что предполагает вклад процесса сжигания углеводородов в повышенную концентрацию черного углерода в эпизодах загрязнения.

 

Рис. 4. Вклад сжигания ископаемых топлив FF% в зависимости от скорости и направления ветра в периоды загрязнения I, II, III и IV.

 

Расчеты двумерной функции распределения BB% в зависимости от скорости и направления во время эпизода загрязнения II (c 22 по 29 июля) указывают на источник высокого вклада, более 20%, в юго-западном направлении (рис. 5а). Согласно сводкам ФБУ «Авиалесохрана» данных дистанционного мониторинга [https://aviales.ru/] в этот период значительное число пожаров было зарегистрировано в таежных лесах Красноярского края, ХМАО, и ЯНАО общей площадью 4377 га, в лесных и лесостепных зонах Южного Урала и Поволжья общей площадью 1500 га. Траекторный анализ, проведенный 23 июля с целью определения направления регионального источника пожарных эмиссий во время достижения ВВ% наивысшего значения, показал перенос воздушных масс из Красноярского края и с северных территорий Казахстана (рис. 5б). Над территорией ЯНАО воздушные массы совершили поворот на северо-восток в направлении Нового Уренгоя, проходили над областями пожаров в Надымском и Пуровском районах ЯНАО.

 

Рис. 5. а) Двумерное представление процента вклада сжигания биомасс BB% в зависимости от скорости и направления ветра в эпизод загрязнения II c 22 по 29 июля, б) космоснимок и обратные траектории воздушных масс 23 июля на высоте 500 м над землёй; указаны время и дата прихода на АК. Красными точками показаны пожары c 23 по 27 июля, кругом — область дымовых шлейфов вблизи Нового Уренгоя.

 

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования, проведенные на Аэрозольном комплексе в Новом Уренгое, продемонстрировали современные достижения инструментальной системы экологического мониторинга состояния атмосферы в промышленном центре Арктического региона. Оценка качества воздуха в Новый Уренгой в летнее-осенний сезон показывает уровни счетной концентрации общего числа частиц и массовой концентрации черного углерода, характерные для городов с невысокой аэрозольной нагрузкой, где среднесуточные значения РМ2.5 и РМ10 не превышают предельно допустимые концентрации. Концентрация черного углерода определяется влиянием эмиссий транспорта, объектов ТЭК УНГКМ, городских предприятий, средний уровень немного уступает крупным городам РФ и значительно превосходит административный центр ЯНАО город Салехард. Вклад черного углерода в PM2.5 значительно ниже характерного для городской среды с большой транспортной нагрузкой. Особенностью вариабельности концентрации черного углерода являются эпизоды загрязнений, наблюдавшиеся в 25% всего времени наблюдений. Источник наивысших концентраций черного углерода зарегистрирован в восточном и северо-восточном направлении расположения объектов инфраструктуры ТЭК УНГКМ и факельных установок сжигания углеводородов. Анализ влияния эмиссий горения показывает высокий вклад сжигания ископаемых топлив и низкий вклад продуктов горения биомасс, что определяется географическим положением промышленного центра в субарктической зоне тайги и в центре газоносной провинции Западной Сибири. В эпизод максимального увеличения процента сжигания биомасс в юго-западном направлении зарегистрированы шлейфы дымовых эмиссий природных пожаров.

Работа выполнена при поддержке проекта РНФ № 22-17-00102 и Института экологического проектирования и изысканий. Инструментальная поддержка Аэрозольного комплекса МГУ проведена на базе гранта на обновление оборудования для научных исследований в рамках федерального проекта «Развитие передовой инфраструктуры для проведения исследований и разработок в Российской Федерации» национального проекта «Наука и университеты».

Об авторах

Д. А. Хозяинова

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: olga.popovicheva@gmail.com
Россия, Ленинские горы, 1, Москва, 119991

О. Б. Поповичева

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: olga.popovicheva@gmail.com
Россия, Ленинские горы, 1, Москва, 119991

М. А. Чичаева

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: olga.popovicheva@gmail.com
Россия, Ленинские горы, 1, Москва, 119991

Р. Г. Ковач

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: olga.popovicheva@gmail.com
Россия, Ленинские горы, 1, Москва, 119991

В. Ю. Слободян

Институт экологического проектирования и изысканий

Email: olga.popovicheva@gmail.com
Россия, Ленинские горы, 1, стр. 75г, Москва, 119234

Н. С. Касимов

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: olga.popovicheva@gmail.com
Россия, Ленинские горы, 1, Москва, 119991

Список литературы

Дополнительные файлы