Загрязнение воздуха на Европейской части России и Украине в условиях жаркого лета 2010г.

© 2011 г. А. М. Звягинцев*, О. Б. Блюм**, А. А. Глазкова***, С. Н. Котельников****, И. Н. Кузнецова***, В. А. Лапченко*****, Е. А. Лезина******, Е. А. Миллер*, В. А. Миляев****, А. П. Попиков******, Е. Г. Семутникова******, О. А. Тарасова*******, И. Ю. Шалыгина***

*Центральная аэрологическая обсерватория

E-mail: azvyagintsev@cao-rhms.ru

**Национальный ботанический сад им. Н.Н. Грышко НАН Украины

E-mail: blum@voliacable.com

***Гидрометцентр Российской Федерации

E-mail: muza@mecom.ru

****Тарусский филиал Института общей физики РАН

E-mail: KotelnikovSN@yandex.ru

*****Карадагский природный заповедник НАН Украины

E-mail: lapchenko@pochta.ru

******Государственное природоохранное учреждение “Мосэкомониторинг”

E-mail: info@mosecom.ru

*******Всемирная метеорологическая организация

E-mail: OTarasova@yandex.ru

Представлены и проанализированы изменения концентраций ряда первичных (PM10, CO и NOx) и

вторичных (озон) загрязнителей атмосферы в московском регионе, Кировской области, г. Киеве и

Крыму в условиях аномально жаркого лета 2010 г.

В московском регионе концентрации озона, PM10, CO и NOx в период с конца июля по конец августа 2010 г. практически непрерывно превышали предельно допустимые. Наибольшее загрязнение атмосферы наблюдалось в период 4–9 августа, когда регион находился в интенсивном шлейфе пожаров от лесов и торфяников. Максимальные разовые концентрации озона, превысившие предельно допустимые в 2–3 раза, сопровождались высокими концентрациями продуктов горения: концентрации РМ10 и СО были также выше предельно допустимых в 3–7 раз. Максимальные уровни загрязнений наблюдались при метеорологических условиях, неблагоприятных для рассеяния загрязнений, в первую очередь, при малом вертикальном градиенте температуры в нижней части пограничного слоя атмосферы. Оценено число случаев дополнительной смертности вследствие превышений предельно допустимых концентраций РМ10 и озона в Москве. В Кировской области, Киеве и Крыму, практически не подвергшихся влиянию пожаров, при погодных условиях, близких к московским, качество воздуха оставалось, в основном, удовлетворительным.

ИСТОЧНИКИ ДАННЫХ

Лето 2010 г. на европейской части России и Украине выдалось сухим и необычно жарким, что явилось следствием установления над этими территориями малоподвижного  блокирующего антициклона необычной интенсивности и длительности (около 2 мес.) существования . В таких маоподвижных воздушных массах в приземном слое атмосферы нередко возникают эпизоды со значительным фотохимическим загрязнением воздуха, опасным для здоровья. Экологическую ситуацию в московском регионе усугубили пожары лесов и торфяников к востоку и югу от Москвы, значительно увеличившие концентрации загрязнителей атмосферы в регионе. Схожие ситуации имели место в московском регионе летом 2002 г., а также в Западной Европе в августе 2003 г., но они были не столь продолжительны. Настоящая работа посвящена сравнительному анализу состава воздуха в ряде пунктов центральной части европейской территории России

Использованы результаты измерений малых газовых составляющих атмосферы (МГС) – озон, моноксид углерода СО, диоксид азота NO2 – и взвешенных частиц РМ10 в московском регионе на около 30 автоматических станциях контроля загрязнения атмосферы ГПУ “Мосэкомониторинг”, озона на станции Долгопрудный и в Кировской области, а также озона и NO2 в Киеве и Карадагском природном заповеднике в Крыму. Для измерений концентрации озона использованы УФ-фотометрические газоанализаторы. Концентрации озона на станции Долгопрудный измеряли с помощью электрохимического газоанализатора, на станции Вятские Поляны – с помощью хемилюминесцентных газоанализаторов 3.02 П-А производства ЗАО “ОПТЭК”, в Киеве – с помощью УФ-фотометрического газоанализатора TEI-49i производства “THERMO” (США), в Карадагском природном заповеднике – с помощью хемилюминесцентных газоанализаторов 3.02 П-А и “Лань” (последний – производства Украины). Концентрации оксидов азота в Киеве и Карадагском природном заповеднике измеряли с помощью хемилюминесцентного газоанализатора “Лань”. Для анализа данных дополнительно использованы результаты измерений стандартных метеопараметров (в том числе в Москве – на станции ВВЦ, международный №27612), радиозондовых измерений на аэрологической станции Долгопрудный, а также измерений профиля температуры в пограничном слое атмосферы на станции Долгопрудный с помощью прибора МТП-5.

РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Качество воздуха по рекомендациям ВОЗ принято оценивать, прежде всего, по концентрациям в нем озона, взвешенных частиц (PM10 и РМ2.5), CO, NOx (NOx = NO + NO2) и SO2 (в московском регионе концентрации SO2 всегда малы и на качество воздуха практически не влияют). В фоновых районах мира вдали от крупных промышленных производств концентрации РМ10, CO, NOx и SO2 обычно на 1–3 порядка меньше предельно допустимых (ПДК), и лишь концентрации озона, который является естественным компонентом атмосферы, могут доходить до 0.5–0.8 ПДК. В опасных для здоровья концентрациях (выше ПДК) озон обычно образуется в фотохимических реакциях с участием NOx (практически всегда антропогенного происхождения) и летучих органических соединений (ЛОС), которые могут быть как естественного, так и антропогенного происхождения. Дополнительно озон образуется в атмосфере в фотохимических реакциях окисления СО или метана с участием NOx в роли катализаторов (т.е. при образовании озона они практически не расходуются).

Летом 2010 г. в результате аномалий крупномасштабных атмосферных процессов над ЕТР доминировали восточные и южные направления переноса воздушных масс, нетипичные для московского региона (обычно преобладает северозападный перенос). Такие направления переноса воздушных масс приводят здесь к повышенны уровням приземного озона. Также должны были заметно повысить уровни озона аномально высокие температуры, имевшие место летом во всех рассматриваемых пунктах наблюдений в России и Украине (http://meteo.infospace.ru/). Возникшие на огромных территориях от Московской до Нижегородской областей и южнее пожары лесов и торфяников привели к поступлению продуктов горения в центральные области ЕТР.

Шлейфы дымов многократно распространялись на московский мегаполис, вызывая появление сильной мглы (видимость уменьшалась до 100–200 м), едкие запахи гари и значительное увеличение концентраций предшественников озона.

В Западной Европе и США подавляющее большинство случаев признания качества воздуха неудовлетворительным вызывается превышениями ПДК озона и РМ10 . Если РМ10, СО и NO2 имеют вполне конкретные источники выбросов, которые, в принципе, можно регулировать, то озон образуется в фотохимических процессах непосредственно в атмосфере, и прогнозирование его концентраций с помощью химическо-транспортных моделей затруднено, как правило, из-за неполноты и недостаточного качества исходных данных для расчетов. Согласно накопленной для московского региона статистике, необходимыми условиями для возникновения разовых концентраций озона выше ПДК практически всегда являются приземные температура выше 28°С, относительная влажность менее 50% и скорость ветра в приземном слое не более 3 м/с. Именно такие условия существовали длительное время на большей части европейской территории России и Украины с конца июня по конец августа 2010 г.

В московском регионе разовые концентрации озона стали систематически превышать ПДК, начиная с 21 июля. Высокому уровню фотохимического загрязнения воздуха в регионе, как правило, сопутствовала мгла, которая, по данным метеорологической станции № 27612, в период с 19 июля по 18 августа наблюдалась в течение 20 суток, причем с 3 по 10 августа непрерывно. Наибольшие разовые концентрации озона наблюдались 6 августа: на станции Зеленоград-15 (в 40 км к северо-западу от Москвы) 508 мкг м–3, на станции Звенигород (в 50 км к западу от Москвы) 403 мкг м–3, на станции Долгопрудный (в 2 км к северу от Москвы) 344 мкг м–3; при этом наибольшая зарегистрированная концентрация в пределах МКАД была 328 мкг м–3. Синоптическая ситуация для этого дня с обширным антициклоном, расположившимся над центром ЕТР и Украиной, характерна для описываемого периода лета 2010 г. Влияние антициклона ощущалось и на его окраинах, в частности, в Крыму, хотя и в значительно меньшей мере, чем в центре ЕТР. Следует отметить, что максимальные концентрации озона в различные дни зарегистрированы на разных станциях: около половины рассмотренных дней они наблюдались на станции Зеленоград-15, они также отмечены как на юго-востоке Москвы (Косино), так и на западе (ул. Туристская). Ранее, по наблюдениям с 1991 г., наибольшая разовая концентрация озона в московском регионе наблюдалась во время лесных и торфяных пожаров в 2002 г. – 276 мкг м–3.

Причину того факта, что на большинстве станций московского региона максимальные концентрации озона наблюдались именно 6 августа, можно понять из сопоставления временных вариаций концентраций озона, других малых газовых составляющих атмосферы и метеопараметров. Продукты горения лесов и торфяников накрыли Москву, начиная с 27 июля: именно с этого дня отмечено сильное задымление, резко возросли концентрации РМ10 и СО, появился почти неисчезающий запах гари. Эта ситуация отчетливо наблюдалась также на снимках земной поверхности из космоса (http://modis.gsfc.nasa.gov/). В период с 6 по 9 августа, когда загрязнение московского региона продуктами горения лесов и торфяников оказалось наибольшим, а максимальные в течение суток температуры превышали 32°С, зарегистрированы также максимальные разовые концентрации РМ10 (до 1.7 мг м–3 7 августа), СО (до 37 мг м–3 7 августа) и NO2. Высокий коэффициент корреляции между максимальными в течение суток разовыми концентрациями РМ10 и СО, усредненными по всем станциям ГПУ “Мосэкомониторинг” (в период с 19 июля по 19 августа он составил 0.975), указывает на то, что основным источником РМ10 и СО являлись пожары.

В течение всего июля и первой половины августа ночью наблюдались температурные инверсии, которые разрушались только днем. Инверсии приводили к накоплению в пограничном слое предшественников озона (ЛОС, CO, NOx и др.), участвующих в процессе фотохимической генерации озона в светлое время суток. При вертикальном перемешивании происходил вынос этих предшественников и самого озона в более высокие слои тропосферы, ослабляя тем самым скорость генерации озона. Условия для интенсивного вертикального перемешивания возникали только днем, когда атмосфера становилась неустойчивой (это заведомо происходило при превышении сухоадиабатического градиента температуры grTСА = 9.8°С км–1 ); перемешивание шло тем интенсивнее, чем больше был вертикальный градиент температуры. В рассматриваемый период наиболее слабым вертикальное перемешивание оказалось 6 августа: максимальный суточный вертикальный градиент температуры grTmax в нижнем 200-м слое тропосферы едва достиг 6°С км–1, поздно был достигнут час суток tb, начиная с которого grT превышал половину grTСА, и минимальной была длительность времени суток без инверсии. Поэтому поздно наблюдался и утренний максимум концентрации СО – около 13 ч мск вместо обычных 9–10. К тому же 6 и 7 августа скорость южного ветра на уровне 925 гПа была очень низкой (1–2 м с–1), что также способствовало слабости вертикального перемешивания. Подобное слабое вертикальное перемешивание воздуха в пограничном слое имело место в московском регионе и в эпизодах с максимальными концентрациями озона в 1999 и 2002 гг. То обстоятельство, что наибольшая концентрация озона наблюдалась на станции Зеленоград-15, связано, по-видимому, с тем, что максимальные концентрации озона образуются в процессе движения пятна загрязнений по ветру через несколько часов после накопления в пограничном слое атмосферы его предшественников в пропорциях, оптимальных для фотохимической генерации.

Если до появления сильных пожаров максимальные концентрации озона в московском регионе не поднимались выше 160–200 мкг м–3, то после появления продуктов горения они увеличились в 1.5–2.5 раза. Поэтому естественно предположить, что существенную роль в интенсификации фотохимической генерации озона, кроме ЛОС, здесь сыграли и высокие концентрации СО. Если до 26 июля ход СО в светлое время суток зеркально отображал ход озона, как это обычно наблюдается в средних многолетних данных, то начиная с 27 июля утренний максимум концентрации СО сместился к полудню, ближе к максимуму озона (в период максимального задымления 6 и 7 августа максимум концентрации СО наблюдался около 13 ч мск летнего).

Загрязненные продуктами природных пожаров воздушные массы перемещались практически только в пределах центра ЕТР и на качество воздуха на расстояниях 800 км от Москвы влияния уже практически не оказывали. В Кировской области, Киеве и Крыму максимальные разовые концентрации приземного озона в период высоких температур находились в диапазоне 100–180 мкг м–3, ненамного превышая обычные уровни (лишь в Киеве 15 и 16 августа максимальные средние за 1 ч концентрации озона составили 196 и 181 мкг м–3 соответственно), а концентрации NOx изменились незначительно.

В период с 19 июля по 18 августа на станции Долгопрудный зарегистрировано 25 дней, когда разовые концентрации озона превысили отечественную ПДК, причем в восьми из них был превышен порог тревоги ЕС, а в 30 – рекомендуемый ВОЗ безопасный норматив для усредненной за 8 ч концентрации 100 мкг м–3. Концентрации озона в московском регионе, как правило, превышали наблюдавшиеся в Западной Европе во время “тепловой волны” в августе 2003 г. и, вероятно, стали причиной преждевременной смерти сотен человек.

Исходя из установленной специалистами ВОЗ закономерности, “увеличение ежедневной смертности в диапазоне 0.3–0.5% происходит на каждые 10 мкг м–3 прироста концентрации озона в усредненной за 8 часов концентрации выше расчетного базисного уровня 70 мкг м–3”. При среднем числе регистрируемых в июле и августе смертей в Москве в месяц по 9700 (по данным Росстата) и практически ежедневном превышении этого уровня средними за 8 ч концентрациями озона, наблюдавшимися на станции Долгопрудная, получим, что в период с 17 июля по 19 августа добавочная смертность населения только в Москве за счет повышенных концентраций озона могла составить от 290 до 480 человек, что близко к аналогичным показателям для Великобритании и Франции летом 2003 г. Еще большую долю в повышение смертности летом 2010 г. внесли и высокие концентрации РМ10. Среднесуточная “концентрация (РМ10) 150 мкг м–3 может соответствовать примерно 5% увеличению ежедневной смертности, а уровень, составляющий 100 мкг м–3, ассоциируется с приблизительно 2.5% увеличением ежедневной смертности”. Соответствующий расчет, использующий среднесуточные концентрации, средние по всем наблюдательным станциям ГПУ “Мосэкомониторинг”, приводит приблизительно к 500 дополнительным случаям общей смертности, причем около 370 из них – в период с 4 по 9 августа. Это значительно больше, чем рассчитано по результатам тепловой волны в центре ЕТР летом 2002 г. Число зарегистрированных в июле и августе 2010 г. смертей в Москве в сумме превысило среднестатистическое за тот же период в 2006–2009 гг. на 9999 случаев (при стандартном отклонении для среднемесячных значений около 350). В период с сентября по декабрь 2010 г. число зарегистрированных смертей ежемесячно было меньше среднестатистического (в целом за эти 4 месяца – на 3680). Это указывает на то, что погодные аномалии лета 2010 г. приблизили сроки смерти не только тех граждан, чья смерть должна была наступить в оставшиеся месяцы 2010 г., но и в последующие годы. Из приведенных данных также видно, что дополнительная смертность населения, связанная с загрязнением воздуха в Москве в июле–августе 2010 г., могла составить около 10% от дополнительной общей смертности, основную часть которой составила, по-видимому, смертность от жары.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В течение июля–августа 2010 г. в воздухе московского региона в течение около 30 дней для озона, PM10, CO и NOx почти непрерывно наблюдались концентрации, превышающие предельно допустимые. Наибольшие концентрации этих веществ наблюдались в период 4–9 августа, когда регион находился в интенсивном шлейфе пожаров лесов и торфяников. В период задымления заметно изменился характер суточных вариаций PM10 и CO и возросли концентрации всех загрязнителей атмосферы. Максимальные концентрации озона наблюдались 6 августа, что, по-видимому, явилось результатом замедленного прогрева земной поверхности в первой половине дня и, как следствие, ослабленного рассеяния предшественников озона при вертикальном перемешивании.

Максимальные значения концентраций всех загрязнителей и в особенности озона существенно превышали уровни, которые наблюдались в периоды наиболее интенсивных тепловых волн в московском регионе в 2002 г. и в странах Западной Европы в 2003 г. Такой уровень загрязнений в московском регионе, несомненно, привел к ухудшению здоровья его жителей и дополнительным случаям смертности, в первую очередь, из-за повышенных концентраций РМ10 и озона. В Кировской области, Киеве и Крыму, практически не подвергшихся влиянию пожаров, при погодных условиях, близких к московским, качество воздуха оставалось в основном удовлетворительным.