Об аномально высоких приземных концентрациях озона в

«Îïòèêà àòìîñôåðû è îêåàíà», 14, € 4 (2001)
ÓÄÊ 551.510.42
Ì.Þ. Àðøèíîâ, Á.Ä. Áåëàí, À.Ï. Ïëîòíèêîâ, Ã.Í. Òîëìà÷åâ
Îá àíîìàëüíî âûñîêèõ ïðèçåìíûõ êîíöåíòðàöèÿõ îçîíà
â ðàéîíå ã. Òîìñêà â çèìíèé ïåðèîä
Èíñòèòóò îïòèêè àòìîñôåðû ÑÎ ÐÀÍ, ã. Òîìñê
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 26.03.2001 ã.
Ðàññìàòðèâàåòñÿ ïîÿâëåíèå â ðàéîíå ã. Òîìñêà íåîáû÷àéíî âûñîêèõ êîíöåíòðàöèé îçîíà (480 ìêã/ì3),
êîòîðûå ôèêñèðîâàëèñü â íî÷íîå âðåìÿ. Àíàëèçèðóÿ ýòè ýïèçîäû ïî äðóãèì êîìïîíåíòàì, îáû÷íî èìåþùèì
àíòðîïîãåííîå ïðîèñõîæäåíèå, ìîæíî ñäåëàòü âûâîä, ÷òî âñïëåñêè ïðèçåìíîé êîíöåíòðàöèè îçîíà ÿâëÿþòñÿ
îòðàæåíèåì òåõíîãåííûõ âûáðîñîâ.
Îçîí â ïðèçåìíîì ñëîå âîçäóõà îòíîñèòñÿ ê îäíîé èç íàèáîëåå òîêñè÷íûõ ïðèìåñåé âîçäóõà, ïîñêîëüêó îêàçûâàåò íåáëàãîïðèÿòíîå âîçäåéñòâèå êàê
íà áèîëîãè÷åñêèå îáúåêòû, òàê è íà ýëåìåíòû òåõíîëîãè÷åñêîé ñðåäû. Ïîýòîìó ïî ðåøåíèþ Âñåìèðíîé
ìåòåîðîëîãè÷åñêîé îðãàíèçàöèè îí âêëþ÷åí â ïåðå÷åíü 6 îñíîâíûõ ñîåäèíåíèé, çà êîòîðûìè äîëæåí
áûòü óñòàíîâëåí ïîñòîÿííûé êîíòðîëü â íàñåëåííûõ
ïóíêòàõ.
 ðàéîíå ã. Òîìñêà òàêîé êîíòðîëü óñòàíîâëåí íà
TOR-ñòàíöèè ÈÎÀ ÑÎ ÐÀÍ. Ïîëíîå îïèñàíèå TORñòàíöèè èìååòñÿ â [1]. Äëÿ èçìåðåíèé èñïîëüçóåòñÿ
îçîíîìåòð 3-02Ï, ðàçðàáîòàííûé è èçãîòîâëåííûé ïðåäïðèÿòèåì ÎÏÒÝÊ (ã. Ñ.-Ïåòåðáóðã), êîòîðûé ðåãóëÿðíî êàëèáðóåòñÿ ñ ïîìîùüþ ãåíåðàòîðà îçîíà ÃÑ-2 òîãî æå ïðåäïðèÿòèÿ. Ïî ìåðå íåîáõîäèìîñòè îçîíîìåòð
è ãåíåðàòîð ïîâåðÿþòñÿ âî ÂÍÈÈÌ èì. Ä.È. Ìåíäåëååâà. Îòíîñèòåëüíàÿ ïîãðåøíîñòü ýòîãî îçîíîìåòðà â äèàïàçîíå 5....1000 ìêã/ì3 íå ïðåâûøàåò 15%.
Êîíòðîëü ïðèçåìíîé êîíöåíòðàöèè îçîíà (ÏÊÎ)
áûë íà÷àò â ñåíòÿáðå 1989 ã. è ïðîäîëæàåòñÿ ïî íàñòîÿùåå âðåìÿ. Èçìåðåíèÿ ïðîâîäÿòñÿ â ðàéîíå Àêàäåìãîðîäêà åæå÷àñíî è êðóãëîñóòî÷íî â àâòîìàòè÷åñêîì ðåæèìå. Ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé çà 10-ëåòíèé
ïåðèîä îáîáùåíû ðàíåå â [2]. Áûëî ïîêàçàíî, ÷òî
â ïåðèîä ñ 1990 ïî 1992 ã. ÏÊÎ âîçðàñòàëà, à ñ 1993
ïî 1999 ã. íàìåòèëàñü òåíäåíöèÿ ê åå óìåíüøåíèþ.
Îáû÷íî â âåñåííå-ëåòíèå ïåðèîäû, êîãäà îêðóæàþùàÿ ãîðîä ðàñòèòåëüíîñòü âûáðàñûâàåò â âîçäóõ áîëüøîå êîëè÷åñòâî îçîíîîáðàçóþùåé ãàçîâîé îðãàíèêè,
ïðèâîäÿùåé ê ïîÿâëåíèþ ïðèðîäíûõ ñìîãîâ [3],
ÏÊÎ â ïóíêòå èçìåðåíèé íå ïðåâûøàåò 240 ìêã/ì3.
Èíîãäà â îñåííå-çèìíèå ïåðèîäû â íî÷íîå âðåìÿ, êîãäà ôîòîõèìè÷åñêàÿ ãåíåðàöèÿ îçîíà îòñóòñòâóåò, íàáëþäàþòñÿ íî÷íûå âòîðè÷íûå ìàêñèìóìû, ïðåâûøàþùèå äíåâíûå [2]. Ïîñêîëüêó ìàêñèìóì ãåíåðàöèè îçîíà ïðèïîäíÿò íàä ïîâåðõíîñòüþ çåìëè [4], òî
ëîãè÷íî ïðåäïîëîæèòü, ÷òî èõ ïîÿâëåíèå îáóñëîâëåíî îñåäàíèåì âîçäóõà èç âûøåëåæàùèõ ñëîåâ. Ýòîò
âûâîä ïîäòâåðäèëè è âåðòèêàëüíûå ïðîôèëè êîíöåíòðàöèè îçîíà, èçìåðåííûå â ðàçíîå âðåìÿ ñóòîê [2, 4].
Âòîðîé âîçìîæíîé ïðè÷èíîé ïîÿâëåíèÿ íî÷íûõ
ìàêñèìóìîâ ìîã ñòàòü ïåðåíîñ îáîãàùåííîãî îçîíîì
âîçäóõà ñ òåððèòîðèè ã. Òîìñêà, ãäå îçîí ìîæåò ãåíå-
ðèðîâàòüñÿ â õîäå ôîòîõèìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ èç àíòðîïîãåííûõ ãàçîâûõ âûáðîñîâ. Ýòà ãèïîòåçà ïðîâåðÿëàñü ïî ñèíîïòè÷åñêèì êàðòàì è ïî ôàêòè÷åñêè íàáëþäàåìîìó íàïðàâëåíèþ âåòðà (íà TOR-ñòàíöèè),
íî íå íàøëà ñâîåãî ïîäòâåðæäåíèÿ. Îäíàêî ðåçóëüòàòû ïîñëåäíèõ èçìåðåíèé, íà÷èíàÿ ñ îêòÿáðÿ 2000 ã.,
çàñòàâëÿþò âíîâü âåðíóòüñÿ ê ýòîé ãèïîòåçå. Îêàçàëîñü, ÷òî â îòäåëüíûå íî÷è ïðèçåìíàÿ êîíöåíòðàöèÿ
îçîíà çíà÷èòåëüíî ïðåâûøàëà äíåâíûå ìàêñèìóìû, à
èíîãäà è ìàêñèìàëüíóþ ðàçîâóþ ÏÄÊ. Ïîñêîëüêó
ãåíåðàöèÿ îçîíà ñóùåñòâåííî çàâèñèò îò êîíöåíòðàöèè îçîíîîáðàçóþùèõ âåùåñòâ è èíòåíñèâíîñòè ñîëíå÷íîé ðàäèàöèè, òî îíà çíà÷èòåëüíî ñëàáåå â õîëîäíîå âðåìÿ [5]. Ïîýòîìó ìîæíî ïðåäïîëîæèòü, ÷òî
ðîñò ÏÊÎ â íî÷íîå âðåìÿ îáóñëîâëåí ïåðåíîñîì îçîíà èç ìåñò, ãäå èìåþòñÿ áîëåå áëàãîïðèÿòíûå óñëîâèÿ
äëÿ åãî îáðàçîâàíèÿ. Ïî-âèäèìîìó, òàêèì ìåñòîì ÿâëÿåòñÿ âíóòðèãîðîäñêîé âîçäóøíûé áàññåéí, â êîòîðûé ïîñòóïàþò â çèìíåå âðåìÿ íå òîëüêî âûáðîñû àâòîòðàíñïîðòà, íî è âûáðîñû îò êîòåëüíûõ è ïå÷íîãî
îòîïëåíèÿ.
Ýïèçîä îäíîãî èç ñàìûõ èíòåíñèâíûõ ïîâûøåíèé ÏÊÎ íàáëþäàëñÿ 10–11 ôåâðàëÿ 2001 ã. Êàê
âèäíî íà ðèñ. 1, à, ðîñò ÏÊÎ íà÷àëñÿ â 12 ÷ ïî ìåñòíîìó âðåìåíè. Îí ñîïðîâîæäàëñÿ èçìåíåíèåì íàïðàâëåíèÿ âåòðà ñ ñåâåðíîãî íà þãî-çàïàäíîå. Åñëè
îáðàòèòüñÿ ê êàðòå (ðèñ. 2), íà êîòîðîé ïîêàçàíî
âçàèìíîå ðàñïîëîæåíèå ãîðîäà è ïóíêòà èçìåðåíèé â
Àêàäåìãîðîäêå, òî õîðîøî âèäíî, ÷òî ïðè íàáëþäàåìîì íàïðàâëåíèè âåòðà âîçäóõ ê ïóíêòó èçìåðåíèé
ïîñòóïàåò èç þæíîé ÷àñòè ãîðîäà. Íà ðèñ. 1, à òàêæå
âèäíî, ÷òî äíåâíîé ìàêñèìóì ÏÊÎ áûë â 3 ðàçà ìåíåå èíòåíñèâíûì, ÷åì íî÷íîé, êîãäà êîíöåíòðàöèÿ
îçîíà äîñòèãëà 480 ìêã/ì3. Óìåíüøåíèå ÏÊÎ ñîâïàëî ñ èçìåíåíèåì íàïðàâëåíèÿ âåòðà ñ þãî-çàïàäíîãî
íà þæíîå è þãî-âîñòî÷íîå. Íà êàðòå âèäíî, ÷òî â
ýòîì ñëó÷àå ïåðåíîñ âîçäóõà îñóùåñòâëÿåòñÿ, ìèíóÿ
òåððèòîðèþ ãîðîäà.
Îá àíîìàëüíî âûñîêèõ ïðèçåìíûõ êîíöåíòðàöèÿõ îçîíà â ðàéîíå ã. Òîìñêà â çèìíèé ïåðèîä
319
500
300
3
250
400
200
300
150
200
100
100
50
0
7
9 11 13 15 17 19 21 23
3
;
3,
1
3
5
40 NO2
0
SO2
30
25
30
20
20
15
10
10
5
0
0
7
9 11 13 15 17 19 21 23
3
NO2,
;
SO2,
1
3
5
3
Ðèñ. 1. Âðåìåííîé õîä íàïðàâëåíèÿ âåòðà, êîíöåíòðàöèè
îçîíà, äèîêñèäîâ àçîòà è ñåðû 10–11 ôåâðàëÿ 2001 ã.
Òîìñêèé àêàäåìãîðîäîê
Ðèñ. 2. Ðàñïîëîæåíèå ïóíêòà èçìåðåíèé îòíîñèòåëüíî
ã. Òîìñêà
Ñîãëàñíî ñëîæèâøèìñÿ ïðåäñòàâëåíèÿì [6] êëþ÷åâóþ ðîëü â èçìåíåíèè ÏÊÎ èãðàþò ôîòîõèìè÷åñêèå ïðîöåññû, â õîäå êîòîðûõ èç ìåòàíà, îêñèäà óãëåðîäà èëè ãàçîîáðàçíûõ óãëåâîäîðîäîâ â ïðèñóòñòâèè îêñèäîâ àçîòà è ãèäðîêñèëà ïîä äåéñòâèåì
ñîëíå÷íîãî ñâåòà îáðàçóþòñÿ îçîí, àëüäåãèäû è äðóãèå õèìè÷åñêèå ñîåäèíåíèÿ.
 íàøåì ñëó÷àå àíîìàëüíîå óâåëè÷åíèå ÏÊÎ
ñêîðåå âñåãî áûëî îáóñëîâëåíî àíòðîïîãåííûìè âûáðîñàìè. Êàê âèäíî íà ðèñ. 1, á, â ñàìîì íà÷àëå ïðîöåññà ãåíåðàöèè îçîíà êîíöåíòðàöèÿ äèîêñèäà àçîòà
âîçðîñëà äî 38 ìêã/ì3. Ýòî ñîîòâåòñòâóåò íà÷àëüíîé
ôàçå ñìîãîîáðàçîâàíèÿ, êîãäà âûáðàñûâàåìûé àíòðîïîãåííûìè èñòî÷íèêàìè îêñèä àçîòà ïåðåâîäèòñÿ â
äèîêñèä [4]. Çàòåì áàëàíñ öèêëà NO – O3 – NO2 íàðóøàåòñÿ, òàê êàê äîáàâëÿþòñÿ óãëåâîäîðîäû, è êîíöåíòðàöèÿ NO2 óáûâàåò. Ñåðíèñòûé àíãèäðèä îáû÷íî
â ãåíåðàöèþ îçîíà áîëüøîãî âêëàäà íå âíîñèò [4, 6].
Íà ðèñ. 1, á èçìåíåíèå êîíöåíòðàöèè SO2 ïîêàçàëî,
÷òî ýòà ïðèìåñü â ðàéîíå Òîìñêà ïðèðîäíûõ èñòî÷íèêîâ íå èìååò. Ïîýòîìó ïî ðîñòó êîíöåíòðàöèè SO2
320
Àðøèíîâ Ì.Þ., Áåëàí Á.Ä., Ïëîòíèêîâ À.Ï., Òîëìà÷åâ Ã.Í.
O3 SO2
160
07.01.2001
80
120
60
80
40
40
20
0
14 16 18 20 22 24 2
SO2;
3;
O3 SO2
4
6
8 10 12 14
11.01.2001
0
300
80
200
60
Åñëè îáðàòèòü âíèìàíèå íà âðåìÿ ïîÿâëåíèÿ
ìàêñèìóìîâ êîíöåíòðàöèè Î3, òî âèäíî, ÷òî ïðè þãîçàïàäíîì ïåðåíîñå îíè ïîÿâëÿþòñÿ âå÷åðîì, ïðè âîñòî÷íîì – óòðîì. Âî âòîðîì ñëó÷àå ïåðåíîñ ïðîèñõîäèò
ïî áîëåå äëèííîé òðàåêòîðèè ïðè óñëîâèè, ÷òî èñòî÷íèê âûáðîñîâ îäèí è äîñòàòî÷íî ìîùíûé.  ïðîòèâíîì ñëó÷àå îáúÿñíèòü ðàçëè÷èÿ âî âðåìåííîé çàäåðæêå íàñòóïëåíèÿ ìàêñèìóìîâ ÏÊÎ íåâîçìîæíî.
Ýòîò âûâîä òåîðåòè÷åñêè îáîñíîâàí â [7]. Òàì æå ïðèâåäåíà ñõåìà öèðêóëÿöèè âîçäóõà â ðàéîíå ã. Òîìñêà,
êîòîðàÿ ïîêàçûâàåò íàëè÷èå ëîêàëüíûõ ïîòîêîâ â
ðàéîíå Àêàäåìãîðîäêà ïðè îáùåì çàïàäíîì ïåðåíîñå.
 çàêëþ÷åíèå ïîä÷åðêíåì, ÷òî ïîÿâëåíèå âûñîêèõ êîíöåíòðàöèé îçîíà â ðàéîíå ã. Òîìñêà ñâèäåòåëüñòâóåò î ïîÿâëåíèè â ãîðîäå èñòî÷íèêîâ, ñïîñîáíûõ îáðàçîâûâàòü ñìîã ïî òèïó ëîñ-àíäæåëåññêîãî.
Ïîýòîìó íåîáõîäèìî óñòàíîâèòü ñîñòàâ è èñòî÷íèê
âûáðîñîâ äëÿ ïðèíÿòèÿ ïðèðîäîîõðàííûõ ðåøåíèé.
Ðàáîòà âûïîëíåíà ïî ãðàíòó ÐÔÔÈ € 98-05-03161.
40
100
20
0
10 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
SO2;
3;
3
0
15.01.2001
SO2
160
200
120
80
100
40
0
24
2
3,
4
6
3
;
0
8 10 12 14 16 18 20 22 24
3
SO2,
;
,
Ðèñ. 3. Âðåìåííîé õîä íàïðàâëåíèÿ âåòðà, êîíöåíòðàöèè
îçîíà è äèîêñèäà ñåðû â îòäåëüíûå äíè ÿíâàðÿ 2001 ã.
ìîæíî çàêëþ÷èòü, ÷òî ñêà÷êîîáðàçíîå óâåëè÷åíèå
ÏÊÎ áûëî ñïðîâîöèðîâàíî àíòðîïîãåííûìè âûáðîñàìè, èíäèêàòîðîì êîòîðûõ ñåðíèñòûé àíãèäðèä è
ÿâëÿåòñÿ.
Äëÿ âûÿñíåíèÿ âîïðîñà, ÿâëÿåòñÿ ëè þãî-çàïàäíîå íàïðàâëåíèå êëþ÷åâûì äëÿ ïîÿâëåíèÿ ñìîãîâûõ
ñèòóàöèé, áûëè ðàññìîòðåíû äðóãèå ñëó÷àè ïîâûøåíèÿ êîíöåíòðàöèè îçîíà, íàïðèìåð â ÿíâàðå 2001 ã.
(ðèñ. 3).
Èç ðèñ. 3 âèäíî, ÷òî ðîñò ÏÊÎ 7 ÿíâàðÿ ïðîèñõîäèë ïðè âîñòî÷íîì âåòðå â óòðåííèå ÷àñû. Íà êàðòå
(ñì. ðèñ. 2) â ýòîì íàïðàâëåíèè îòñóòñòâóþò êàêèåëèáî ïðîìûøëåííûå îáúåêòû, êîòîðûå ìîãëè áû âûáðàñûâàòü àíòðîïîãåííûå îçîíîîáðàçóþùèå âåùåñòâà.
Òàêàÿ æå êàðòèíà ïîâòîðèëàñü è 15 ÿíâàðÿ.  òðåòüåì ñëó÷àå, 11 ÿíâàðÿ, íàïðàâëåíèå âåòðà ñíîâà áûëî
þãî-çàïàäíûì. Âî âñåõ ñëó÷àÿõ óâåëè÷åíèå êîíöåíòðàöèè Î3 ñîïðîâîæäàëîñü ðîñòîì SO2, ÷òî ãîâîðèò î
ÿâíîì àíòðîïîãåííîì ïðîèñõîæäåíèè ýïèçîäîâ. Âàæíî ïîä÷åðêíóòü, ÷òî ïðè âûðàæåííîì çàïàäíîì ïåðåíîñå âñïëåñêîâ ïîâûøåíèå ÏÊÎ íå çàôèêñèðîâàíî.
Îá àíîìàëüíî âûñîêèõ ïðèçåìíûõ êîíöåíòðàöèÿõ îçîíà â ðàéîíå ã. Òîìñêà â çèìíèé ïåðèîä
321
1. Àðøèíîâ Ì.Þ., Áåëàí Á.Ä., Äàâûäîâ Ä.Ê. è äð. //
Ìåòåîðîëîãèÿ è ãèäðîëîãèÿ. 1999. € 3. Ñ. 110–118.
2. Áåëàí Á.Ä., Ñêëÿäíåâà Ò.Ê., Òîëìà÷åâ Ã.Í. // Îïòèêà
àòìîñôåðû è îêåàíà. 2000. Ò. 13. € 9. Ñ. 826–832.
3. Ïåðîâ Ñ.Ï., Õðãèàí À.Õ. Ñîâðåìåííûå ïðîáëåìû àòìîñôåðíîãî îçîíà. Ë.: Ãèäðîìåòåîèçäàò, 1980. 288 ñ.
4. Áåëàí Á.Ä. // Îïòèêà àòìîñôåðû è îêåàíà. 1996. Ò. 9.
€ 9. Ñ. 1184–1213.
5. Áåëàí Á.Ä., Ñêëÿäíåâà Ò.Ê. // Îïòèêà àòìîñôåðû è
îêåàíà. 1999. Ò. 12. € 8. Ñ. 725–730.
6. Crutzen P.J. // Canad. J. Chem. 1974. V. 52. € 8.
P. 1569–1581.
7. Ïåíåíêî Â.Â., Êîðîòêîâ Ì.Ã. // Îïòèêà àòìîñôåðû è
îêåàíà. 1998. Ò. 11. € 6. Ñ. 567–572.
M.Yu. Arshinov, B.D. Belan, A.P. Plotnikov, G.N. Tolmachev. About extraordinary high concentrations of
near-ground ozone in the region of Tomsk in winter period.
An appearance of extremely high concentrations of ozone (480 mg/m3) at night time in the region of Tomsk in
winter is under discussion. Analysis of such episodes relative to other air components, usually of anthropogenic origin, leads to the conclusion that the episodes of such an anomalous behavior of the ozone near-ground concentration
are due to technogenic emissions.
322
Àðøèíîâ Ì.Þ., Áåëàí Á.Ä., Ïëîòíèêîâ À.Ï., Òîëìà÷åâ Ã.Í.