Моделирование регионального баланса тяжелых металлов в атмосфере

Актуальность проблемы.

В ходе хозяйственной деятельности человечество выбрасывает в атмосферу различные загрязняющие вещества, в частности, токсичные тяжелые металлы. Зачастую антропогенный поток тяжелых металлов в атмосферу многократно превышает поток, обусловленный природными циклами. Эмитированные металлы рассеиваются в атмосфере благодаря ветровым потокам и турбулентной диффузии, и выпадают на подстилающую поверхность за счет процессов сухого и влажного выведения.

После того, как металлы поступили из атмосферы на подстилающую поверхность, они могут попасть в организм человека с пищей или с питьевой водой. В силу своей токсичности металлы могут негативно воздействовать на здоровье человека. Например, свинец, содержание которого в крови является биологическим индикатором воздействия, отрицательно влияет на нервную систему. Ртуть в организме также приводит к проблемам нервной системы, что проявляется в виде ухудшения памяти, ослаблению координации движения и повышению агрессивности. Также отмечаются негативные воздействия тяжелых металлов как на отдельные животные и растительные организмы, так и на экосистемы в целом.

За последние несколько десятилетий данные полевых наблюдений свидетельствуют о значительном росте содержания тяжелых металлов в атмосфере, осадках, торфяниках, речных и морских отложениях, находящихся на расстояниях сотен и тысяч километров от основных источников. Факт увеличения содержания тяжелых металлов в средах на значительных от источников расстояниях обусловил проблему дальнего атмосферного переноса тяжелых металлов. В силу того, что с ветровыми потоками ряд загрязняющих веществ может переноситься через государственные границы на территории соседних стран, проблема переноса на большие расстояния приобрела не только научный, но и политический и экономический аспект. В 1979 году странами Европы, США и Канадой была подписана Конвенция о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния. В рамках Конвенции был подписан ряд протоколов, направленных на сокращение странами-участницами Конвенции национальных выбросов загрязняющих воздух веществ, в частности в 1998 году был подписан Протокол об ограничении выбросов тяжелых металлов. Основываясь на вышеизложенном, можно сказать, что проблема дальнего атмосферного переноса является актуальной и практически значимой. Из большого числа токсичных металлов Протокол выделяет три приоритетных — свинец, кадмий и ртуть. В связи с этим данная работа посвящена именно этим трем металлам.

Цель работы.

Целью работы является создание и верификация численной региональной модели атмосферного переноса, химических трансформаций и выпадений и тяжелых металлов (свинец, кадмий и ртуть) в атмосфере и получение с ее помощью полей концентраций и выпадений, а также оценок трансграничных потоков тяжелых металлов для стран Европы на основе эмиссионных и метеорологических данных за 1996 год.

Рассматриваемый регион.

Для контроля за тем, как осуществляются положения Конвенции, была учреждена Совместная Программа по Мониторингу и Оценке Дальнего Переноса Загрязняющих Воздух Веществ в Европе (программа ЕМЕП). Регион ЕМЕП покрывает Европу с окружающими территориями. Схематическое изображение региона ЕМЕП и сетки, на которой осуществляете расчет, показано на рисунке I. Детальное математическое описание сетки ЕМЕП представлено в главе 2.

Рисунок I. Схематичное изображение региона ЕМЕП. Научная новизна работы.

1) Разработана и верифицирована оперативная модель расчета переноса и выпадений тяжелых металлов.

2) Создан и внедрен в оперативную модель модуль физико-химических трансформаций ртути.

3) Произведена оценка полей природной эмиссии тяжелых металлов и ре-эмиссии ртути.

4) Рассчитаны поля выпадений, концентраций в воздухе и в осадках свинца, кадмия и ртути для Европы и сопредельных морей и регионов.

5) Оценено влияние стран Европы друг на друга за счет атмосферного трансграничного переноса.

6) Оценена атмосферная нагрузка на акватории окружающих Европу морей.

7) Оценены тренды выпадений и концентраций тяжелых металлов (свинец и кадмий) в атмосфере Европы за период с 1990 по 1998 год.

На защиту выносятся следующие положения:

— описание разработанной модели атмосферного переноса и выпадений тяжелых металлов.

— параметризация влажного выведения аэрозольных компонентов в зависимости от сезона.

— разработка модуля химических трансформаций ртути для оперативного моделирования.

— подход к оценке поля pe-эмиссии ртути в Европе.

— расчет полей выпадений и концентраций тяжелых металлов.

— оценки трансграничных выпадений для различных стран Европы тренды выпадений свинца и кадмия за период с 1990 по 1998 год.

Научно-практическая ценность работы.

Разработанная модель может выступать в качестве надежного инструмента, позволяющего оценивать уровни загрязнения атмосферы тяжелыми металлами на региональном уровне, а также выявлять степень влияния различных регионовисточников на уровень загрязнения в том или ином регионе-рецепторе.

Апробация работы.

Результаты данной работы были доложены и обсуждены на следующих научных форумах:

— на конференции молодых ученых «Малые Примеси в Атмосфере» (Москва, Россия, 23 апреля 1998 года, Институт физики атмосферы),.

— на конференции «Ртуть как Глобальный Загрязнитель» (Рио-де-Жанейро, Бразилия, 23−28 мая 1999 года),.

— на Международной Конференции по Тяжелым Металлам в Окружающей Среде (Анн-Арбор, Мичиган, США, 6−10 августа 2000 года),.

— на конференции «Загрязнение воздуха — VIII» (Кембридж, Великобритания, 24 -26 июля 2000 года),.

— на семинарах по эффект-ориентированным подходам для расчетов критических нагрузок (Шверин, Германия, 12−15 октября 1999 года, Братислава, Словакия, 7 -9 мая 2001 года),.

— на тренировочных семинарах по расчетам критических нагрузок тяжелых металлов (Пущино, Россия, 27 сентября — 2 октября, 1999 года, Кишинев, Молдавия, 22 — 24 марта 2000 года),.

— на симпозиуме ЕВРОТРАК-2 (Гармиш-Партенкирхен, Германия, 27−31 марта 2000 года).

— на конференции «Ртуть как глобальный загрязнитель» (Минамата, Япония, 15 -19 октября 2001 года).

Содержание работы по главам.

Во Введении представлена актуальность рассматриваемой проблемы, сформулированы цели и задачи, обоснована практическая значимость данной работы и ее научная новизна.

В главе 1 представлена информация о свойствах тяжелых металлов в атмосфере, их эмиссиях и мониторинге.

В первом разделе данной главы описаны формы нахождения свинца, кадмия и ртути в атмосферном воздухе и приведены те их свойства, которые оказывают существенное влияние на пространственное распределение концентраций и выпадений этих металлов — растворимость, размер частиц-носителей, способность к вступлению в химические реакции, и др. В этом разделе также освещены физико-химические формы рассматриваемых металлов в выбросах.

Второй раздел посвящен источникам тяжелых металлов в атмосфере. Тяжелые металлы могут поступать в атмосферу за счет природных процессов, антропогенных выбросов и вторичной эмиссии ранее выпавших антропогенных металлов, которая называется ре-эмиссией. В этом разделе приводятся оценки антропогенной и природной эмиссии на глобальном уровне, а также для каждой из стран Европы. Также приводится разработанный нами способ оценки суммарной ре-эмиссии ртути от рассматриваемого региона.

В третьем разделе приводится краткая информация о современной организации мониторинга тяжелых металлов в Европе и о существующих сетях мониторинга. Для адекватной интерпретации получаемых моделью результатов необходимо иметь представление о степени надежности измерительных данных, с которыми производится сравнение этих результатов. Поэтому есть необходимость произвести критический анализ имеющихся измерительных данных и отобрать из них наиболее надежные. Критерии оценки качества и отбора данных, а также результат этого отбора также приводятся в данном разделе главы 1.

Для оценки выпадений, концентраций тяжелых металлов, их региональных балансов и трансграничных потоков была разработана численная модель переноса и выпадений тяжелых металлов. Постановка задачи и описание модели приводится в главе 2. Модель включает в себя основные процессы, ответственные за формирование полей концентраций, выпадений и баланса металлов в атмосфере — эмиссию, адвективный перенос, турбулентное рассеяние, влажное и сухое выведение, химические трансформации. По вертикали модель имеет пять неравномерных слоев и простирается до примерно четырех км. В начальной части главы приводится краткий обзор современных существующих моделей переноса и выпадений тяжелых металлов регионального и глобального уровня. В нем же сформулированы основные требования к представляемой в данной работе модели — пространственный охват, достаточное пространственное разрешение, хорошая сопоставимость с данными измерений. В разделе 2 приводится математическое описание расчетной области. В остальных разделах приводятся описания параметризаций процессов, рассматриваемых данной моделью.

Адвекция примеси описывается с помощью схемы, разработанной М. Пекарь [1996]. Схема является положительно определенной, устойчивой и консервативной. В схеме присутствует алгоритм подавления вычислительной вязкости. Химические трансформации ртути описываются с помощью химического модуля, разработанного [Petersen et al, 1998]. Этот модуль был нами существенно модифицирован, что позволило применить его в оперативных расчетах. Сухое осаждение описывается с помощью полуэмпирических зависимостей. Скорость сухого осаждения аэрозольных компонентов определяется через скорость трения и параметр шероховатости. Для газообразных соединений ртути этот процесс описывался исходя из данных полевых наблюдений. Влажное выведение описывается с помощью отношения вымывания. На основании данных многолетнего мониторинга нами были выведены среднемесячные значения отношения вымывания для свинца и кадмия. Граничные концентрации для модели получены на основе данных для фоновых районов Земли, приведенных в литературе.

В главе 3 приводится описание подходов подготовки входных данных моделиметеорологической информации и эмиссионных данных. Метеорологическая информация включает скорость и направление ветра, количество осадков и температуру воздуха. Она должна быть представлена в каждой ячейке расчетной сетки и обновляться через каждые шесть часов (в соответствии с синоптическими сроками). Подготовка метеорологической информации осуществляется Российским гидрометеорологическим центром.

Эмиссионные данные также должны быть представлены в виде полей. В главе 3 освещены подходы, с помощью которых суммарные для стран или регионов величины переводятся в значения в ячейках расчетной сетки. Таким образом формируются поля природной и антропогенной эмиссии трех металлов и поле ре-эмиссии ртути. Помимо этого, описываются предлагаемый метод задания сезонных изменений антропогенной эмиссии металлов.

Глава 4 посвящена результатам, полученным в ходе выполнения данной работы. К таковым относятся поля концентраций и выпадений металлов, интегральные показатели баланса атмосферного переноса металлов для региона в целом (суммарные эмиссии, выпадения, поступление из-за границ расчетной области и т. д.), оценки трансграничного влияния стран друг на друга. С целью верификации модели полученные концентрации в воздухе и в осадках были сравнены с данными мониторинга. Отмеченные для некоторых станций расхождения с измеренными величинами были прокомментированы и предложены возможные причины этих несоответствий. Анализ полей концентраций и выпадений позволяет определить уровни загрязнения во всех точках расчетной области, т. е. и в тех, что не покрыты измерительной сетью. Помимо этого, карты полей выпадений и концентраций позволяют увидеть пространственное распределение не измеряемых на сегодняшний момент величин, например, концентрации газообразной окисленной ртути. Оценка интегральных балансовых компонент позволяет определить относительную значимость тех или иных процессов для региона в целом, а также то, является ли регион ЕМЕП по отношению к глобальной атмосфере чистым эмиттером или чистым рецептором. Помимо баланса для региона в целом представляет интерес рассмотрение балансов на уровне отдельных стран. Особенно важно показать, в какой степени выпадения на данную страну или на определенные районы страны определяются ее национальными выбросами, и в какой — трансграничным влиянием других стран. Приведенные в данной главе результаты расчетов матриц выпадений «страна-на-страну» позволили выявить основные источники загрязнения для каждой из европейских стран. С помощью рассматриваемой модели были получены тренды в выпадениях свинца и кадмия за период с 1990 по 1998 год. В главе 4 представлены результаты сравнений рассчитанных и измеренных потоков влажных выпадений за этот девятилетний период.

В Заключении представлены основные итоги данной работы, кратко сформулированы выводы, полученные при решении поставленной задачи.