Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Моделирование регионального баланса тяжелых металлов в атмосфере

ВАК РФ 25.00.30, Метеорология, климатология, агрометеорология

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Ильин, Илья Сергеевич

Введение

Глава 1 Тяжелые металлы: поступление в атмосферу, физико-химические свойства и результаты измерений

11 Свойства тяжелых металлов в атмосфере

1-2 Эмиссия тяжелых металлов в атмосферу

1.2.1 Природные источники

1.2.2 Глобальные антропогенные источники

1.2.3 Антропогенный выброс тяжелых металлов в регионе ЕМЕП

1.2.4 Ре-эмиссия в атмосферу

1.2.5 Неопределенность оценок эмиссии 33 1-3 Мониторинг тяжелых металлов в атмосфере

1.3.1 Измеряемые формы металлов и сети измерений

1.3.2 Станции измерения тяжелых металлов в 1996 году

1.3.3 Качество данных мониторинга

Глава 2 Разработка модели переноса и выпадений тяжелых металлов 44 21 Краткий обзор существующих моделей атмосферного переноса

2.2 Формулировка задачи

2.3 Описание расчетной сетки. Вертикальная структура

2.4 Атмосферный перенос

2.5 Параметризация химических трансформаций атмосферной ртути

2.6 Параметризация сухого поглощения

2.7 Параметризация влажного выведения

2.8 Условия на боковых границах модельной области

Глава

Подготовка входных данных для модели 31 Подготовка полей метеорологических данных 3-2 Подготовка полей эмиссионных данных

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "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 регионов -источников 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 модели -метеорологической 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.