Экология/ 6. Экологический мониторинг

К.ф.-м.н. Т.В. Андрухова, д.ф.-м.н. В.И. Букатый, д.ф.-м.н. И.А. Суторихин

Алтайский государственный университет,
Институт водных и экологических проблем СО РАН
Динамика элементного состава аэрозольных загрязнений снегового покрова г. Барнаула за период 2002–2011 гг.

Исследования микрофизических характеристик приземного атмосферного аэрозоля, в т.ч. его элементного состава являются важной составляющей системы мониторинга загрязнения окружающей среды. В условиях крупных промышленных городов, к числу которых можно отнести г. Барнаул, наиболее опасными источниками загрязнения атмосферы являются выбросы промышленных предприятий, топливно-энергетических комплексов, автотранспорта, топок печного отопления (на угле) частного сектора. В мониторинге загрязнения окружающей среды часто используются природные планшеты, одним из видов которых являются снеговые покровы [1]. Параметры приземного аэрозоля в городах и вне их значительно различаются между собой, поэтому в подобных исследованиях измерения проводятся в так называемых фоновых районах. В нашем случае в качестве опорного пункта для фоновых измерений служил район с. Озеро Красилово, удаленный на 60 км от г. Барнаула. Необходимо отметить, что систематические исследования элементного состава загрязнений снегового покрова г. Барнаула проводятся нами с 2002 г., в рамках Института водных и экологических проблем СО РАН и Алтайского государственного университета [2–4]. Также следует отметить работы [5–6] по изучению элементного состава аэрозолей, накапливаемых в снеговом покрове Алтайского края.

Нами отбирались и анализировались образцы снега в семи опорных пунктах г. Барнаула (рис.1). Проводился количественный спектральный анализ (атомно-эмиссионный, рентгенофлуоресцентный) твердого аэрозольного нерастворимого остатка, полученного путем естественного вытаивания снеговых проб, а также измерялись следующие характеристики: pH,

электропроводность, приток пыли. Под пылью понимается нерастворимый осадок снеговой воды на фильтре [1].

Рис.1. Опорные пункты забора проб на территории г. Барнаула (а) и точки забора проб в опорном пункте 7 (б)

Пробы снега, отобранные до начала естественного снеготаяния (конец марта – начало апреля каждого года), дают интегральный состав аэрозолей, а отобранные помесячно с ноября по март характеризуют их изменчивость в течение зимнего периода. Исследование снегового покрова можно разделить на четыре основных этапа: 1) отбор снеговых проб; 2) подготовка исследуемых образцов; 3) спектральный анализ отобранных проб; 4) обработка и интерпретация результатов.

Отбор проб снега производился снегозаборником, выполненным в форме трубы, из химически неактивного материала, площадью сечения 0,0095 м². Забор проб производился для городских опорных пунктов один раз в конце зимнего периода, а в опорном пункте 7 (административный центр г. Барнаула) –каждый месяц на протяжении всего периода (ноябрь – февраль). Обработка проб для определения комплекса загрязняющих веществ осуществлялась путем фильтрования через бумажный фильтр типа «синяя лента». Собранные пробы хранились в химически неактивной таре при температуре -5 – -15 ⁰С до момента исследования. Осадок, представляющий основной интерес для спектрального анализа, оседал на фильтре, высушивался в чистом изолированном стеклянном сосуде при температуре 18–20 ⁰С.

Изучение кислотных свойств снега дало следующие результаты. В различных опорных пунктах pH колеблется в пределах 4,5–7,9, таким образом, отмечается как повышенная кислотность, так и слабо щелочная реакция снеговой воды.

Электропроводность снеговой воды зависит, в основном, от степени минерализации (концентрации растворенных минеральных солей) и температуры. Благодаря этой зависимости, по величине электропроводности воды можно судить о её минерализации. В опорных пунктах забора проб электропроводность колеблется в пределах 312–434 мкСм/см, когда удельная электропроводность воды в реке Обь (в районе г. Барнаула) составляет ~ 160 мкСм/см.

Приток пыли, определяемый путем взвешивания сухого остатка, удаленного после просушивания фильтра, колеблется для различных опорных пунктов в пределах 0,240–0,080 (г/дм²)/год. В фоновом районе этот показатель был равен 0,040 (г/дм²)/год.

Для проведения атомно-эмиссионного спектрального анализа проб, взятых в период 2002–2010 гг., использовался разработанный аппаратный комплекс, состоящий из модификации источника возбуждения спектров ИВС-28, спектрографа ДФС-452 высокой разрешающей способности, многоэлементного фотоприемника и ЭВМ со специально разработанным в среде LabView 7.0 программным обеспечением. Для максимально точного определения элемента методом качественного атомно-эмиссионного анализа была создана база спектральных линий, содержащая более 7500 значений. Начиная с 2010–2011 гг. для анализа проб рентгенофлуоресцентным методом был использован портативный рентгенофлуоресцентный спектрометр ALPHA SERIES^TM Альфа-2000. Сбор, анализ и хранение данных, а также управление режимами работы анализатора осуществляются с помощью съемного портативного компьютера под управлением ОС Windows. Специальное программное обеспечение позволяет вести параллельный анализ до 25 элементов периодической таблицы. Все данные выводятся на сенсорный экран КПК и автоматически сохраняются в памяти.

Анализатор определяет концентрации химических элементов в диапазоне от Z=15 (фосфор) до Z=92 (уран). Одновременно определяются 25 элементов (предустановленный набор – Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Hf, Ta, W, Re, Pt, Au, Pb, Bi, Zr, Nb, Mo, Pd, Ag, Cd, Sn, Sb).

В результате атомно-эмиссионного спектрального анализа проб, взятых в период 2002–2010 гг., проведен количественный спектральный анализ для элементов Fe, Рb, Cu, Mn, Co, Ni, Al, Ca и изучена их годовая динамика. В результате рентгенофлуоресцентного анализа проб, взятых в период 2010–2011 гг., проведен количественный спектральный анализ для элементов Ti, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Ta, Pb, Bi, Zr, Mo и изучена их годовая динамика. Наибольшая концентрация выявлена для Fe, Cu, Mn и др. а также получено наличие Bi, Ta в некоторых точках забора опорного пункта 7, чего раньше атомно-эмиссионным методом не фиксировалось.

При определении концентрации веществ в собранном аэрозоле атомно-эмиссионным спектральным методом анализа погрешность составляет 15%, а рентгенофлуоресцентного метода – 0, 01%.

Проведенный анализ зависимостей концентраций исследуемых химических элементов от метеорологических параметров окружающей среды подтверждает теорию о зависимостях между концентрацией химических элементов в снеговом покрове и состоянием атмосферы (влажностью, давлением и т.д.). Установлено, что в течение зимнего периода концентрации элементов понижаются в начале января, но уже к февралю выходят на уровень ноября и даже превосходят его. Данное уменьшение концентрации в январе можно объяснить выдуванием снега из-за сильных ветров. При постоянном выбросе от предприятий, ТЭЦ, топок печного отопления и автотранспорта основными метеорологическими факторами, влияющими на концентрацию элементов в снеговом покрове, являются ветер, влажность, осадки и давление. Наблюдается увеличение концентрации выброса железа за период 2002–2011 гг., что можно объяснить увеличением парка автотранспорта и повышением расхода автомобильного топлива в холодный период года и соответствующим увеличением антропогенных выбросов.

В результате исследований выяснено, что объемная концентрация (количество вещества в единице объема талой воды) железа в снеговом покрове составляет в среднем 0,82 мг/л, меди – 0,38 мг/л, алюминия – 0,29 мг/л.

В качестве примера на рисунках 2–3 приведена динамика концентраций некоторых элементов в разные годы (в процентах от массы нерастворимого твердого аэрозольного остатка) в опорном пункте 7 г. Барнаула.

Рис. 2. Динамика концентрации железа, свинца в 2010–2011 гг.

(рентгенофлуоресцентный метод)

Рис. 3. Динамика концентрации железа на перекрестке пр. Ленина – ул. Молодежная (атомно-эмиссионный спектральный анализ)

Литература

1. Бояркина А.П., Байковский В.В., Васильев Н.В. и др. Аэрозоли в природных планшетах Сибири /Томск, Изд-во ТГУ, 1993. –157 с.

2. Андрухова Т.В., Букатый В.И., Чефранов И.П. Изучение элементного состава аэрозольных загрязнений снежного покрова г. Барнаула за 2002–2005 гг. //Известия АлтГУ. №1. – Барнаул, 2006. – С. 59–62.

3. Андрухова Т.В., Букатый В.И., Суторихин И.А., Чефранов И.П. Элементный анализ аэрозольных загрязнений снежного покрова г. Барнаула //Тезисы международной конференции «Взаимодействие общества и окружающей среды в условиях глобальных и региональных изменений». – Барнаул, 2003. – С. 46–47.

4. Бортников В.Ю., Букатый В.И. Автоматизированная установка для проведения эмиссионного спектрального анализа аэрозолей //Сборник трудов пятой международной конференции «Естественные и антропогенные аэрозоли», НИИФ им. В.А. Фока – СпбГУ, 2006. – С. 18.

5. Зинченко Г.С., Павлов В.Е., Суторихин И.А., Хвостов И.В. Элементный состав аэрозоля, накапливаемого в снеговом покрове Алтайского края //Оптика атмосферы и океана, 2006, т. 19, №6. с. 513–517.

6. Зинченко Г.С., Павлов В.Е., Суторихин И.А., Хвостов И.В. Снежный покров как индикатор загрязнения урбанизированной территории Алтайского края //Оптика атмосферы и океана, 2009, т. 22, №1. с. 96–100.