Рябова С.А.*
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт динамики геосфер имени академика М.А. Садовского Российской академии наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук, riabovasa@mail.ru)\
Аннотация
На основе данных инструментальных наблюдений, выполненных в Центре геофизического мониторинга г. Москвы Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института динамики геосфер имени академика М.А. Садовского Российской академии наук, исследуются вариации массовой концентрации аэрозольных частиц в приповерхностном слое Земли, а также их связь с вариациями температуры воздуха в приземной атмосфере. На основе коэффициента линейной корреляции Пирсона установлены корреляционные зависимости между вариациями температуры и концентрацией аэрозольных частиц размером меньше 2.5 мкм.
Ключевые слова
Температуры воздуха, приземная атмосфера, аэрозольные частицы, корреляция. Источник финансирования
Исследования выполнены в рамках государственного задания ИДГ РАН № 1220329000185- 5 "Проявление процессов природного и техногенного происхождения в геофизических полях" и в рамках государственного задания ИФЗ РАН.
Введение
Аэрозоли ‒ это твердые или жидкие дисперсные фазы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Аэрозольные частицы различаются разнообразием химического состава [2]. В их составе находятся соединения кремния, кальция и углерода, - оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка и др.
В зависимости от своего состава атмосферные аэрозоли могут быть высокотоксичными или же практически безвредными, но даже в этом случае они могут представлять опасность из- за своих физических свойств [5]. Известно, что с уменьшением размера частиц увеличивается их активность и проникающая способность [10]. Наибольшую опасность для здоровья человека представляют мелкие частицы диаметром до 5 мкм. Благодаря своим физическим свойствам они проникают во внутреннюю среду организма, не задерживаясь в верхних дыхательных путях, а попадая сразу в альвеолы и получая почти прямой контакт с кровью. Частицы диаметром до 10 мкм (по международной классификации – PM10) имеют не столь сильную проникающую способность, тем не менее они также считаются опасными для здоровья [6]. Существует статистически установленная связь между загрязнением атмосферного воздуха и общей заболеваемостью населения [7].
Твердые частицы влияют не только на здоровье человека, но и на окружающую среду. Воздействие PM2.5 на окружающую среду проявляется в снижении видимости, кислотных дождях, повышенном загрязнении воздуха, материальном ущербе, ущербе для экосистемы, нарушении функционирования растений и деревьев, загрязнении рек и океанов, а также в снижении продуктивности и урожайности сельскохозяйственных культур [2, 8].
В целом динамика атмосферы оказывает влияние на вариации концентрацию аэрозольного загрязнения. В частности, ряд недавних исследований [4, 9] демонстрируют наличие связи между изменениями температуры и концентрации твердых частиц в приземном слое атмосферы, однако вопрос о влиянии температуры на изменение концентрации пока не до конца проработан.
Целью настоящей работы 6ылo исследование возможного влияния температуры воздуха на концентрацию аэрозольных частиц размером меньше 2.5 мкм в приповерхностном слое Земли на основе данных, полученных в Центре геофизического мониторинга г. Москвы Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института динамики геосфер имени академика М.А. Садовского Российской академии наук (ИДГ РАН) в августе 2023 года.
Исходные данные и методы
При проведении настоящих исследований для обработки и анализа привлекались данные инструментальных наблюдений за вариациями температуры воздуха и массовой концентрации частиц PM2.5 в приземном слое атмосферы за август 2023 г.
Измерение массовой концентрации микрочастиц выполнялось с помощью оригинальной системы на основе аппаратной платформы Arduion Uno и лазерного датчика микрочастиц Sensirion SPS30. Датчик способен работать в температурных условиях от -10 до 60° С, что важно для проведения измерений вне помещений. Sensirion SPS30 сертифицирован MCERTS Performance Standards for Indicative Ambient Particulate Monitors (№ SiraMC200350/01) для
измерений PM2.5 в диапазоне 0-75 мкг/м3. При проведении настоящих исследований использовались данные, полученные с помощью автономной метеорологической станции (АМК– 04). АМК–04 способна на автоматическое измерение и регистрацию значений основных метеорологических величин (с задаваемым периодом усреднения): скорость и направление горизонтального ветра, скорость вертикального ветра, температура и относительная влажность атмосферного воздуха, давление и вычисление ряда турбулентных характеристик полей метеовеличин (например, число Монина-Обухова).
При выполнении настоящих исследований был проведен стандартный статистический анализ [1] вариаций среднесуточной концентрации PM2,5 на основе вычисления среднего значения, максимального и минимального значений. С целью определения возможной связи между температурой и концентрацией частиц PM2.5 использовался корреляционной анализ. Показателем силы связи был выбран коэффициент линейной корреляции Пирсона. В дополнение вычислялась кросс-коррелограмма. Все используемые в настоящей работе методы подробно описаны в работе [1].
Результаты и их обсуждение
Статистический анализ показал, что минимальная среднесуточная температура (14.7 ºС) наблюдалась 29 августа 2023 г., максимальная температура (27.3 ºС) наблюдалась 6 августа 2023 г. Средняя за август 2023 г. среднесуточная температура составила 20.7 ºС, что выше на 3.7 ºС климатической нормы для Москвы. Минимальная среднесуточная массовая концентрация PM2.5 (3.8 мкг/м3) наблюдалась 9 августа 2023 г., максимальная концентрация PM2.5 (16.3 мкг/м3) наблюдалась 2 августа 2023 г. Средняя за август 2023 г. среднесуточная концентрация PM2.5 составила 9 мкг/м3. По данным ВОЗ среднесуточный уровень PM2.5 в воздухе не должен превышать 25 мкг/м3, т.е. в августе 2023 г. по данным Центра геофизического мониторинга г. Москвы ИДГ РАН не наблюдалось превышение нормы среднесуточной концентрации PM2.5. Коэффициент линейной корреляции Пирсона между среднесуточными значениями температуры и массовой концентрации частиц PM2.5 составил 0.29.
С целью определения корреляционных связей между температурой и массовой концентрацией частиц PM2.5 были отобраны дни с погодными условиями, близкими к условиям
«хорошей» погоды. Отбраковывались дни с осадками в виде дождя, с сильной облачностью, с максимальной среднесуточной горизонтальной скоростью ветра больше 3.5 м/с и с максимальной мгновенной горизонтальной скоростью ветра больше 7.5 м/с.
В ходе обработки и анализа данных инструментальных наблюдений были получены отрицательные корреляционные зависимости между суточным ходом температуры и суточным ходом массовой концентрации PM2.5. Лишь для 5 августа наблюдалась очень слабая зависимость между вариациями температуры и массовой концентрации частиц PM2.5 (практически полное отсутствие связи). 3 августа, 16 августа, 17 августа и 25 августа наблюдалась умеренная отрицательная зависимость между вариациями температуры и массовой концентрации частиц PM2.5. Сутки 6 августа и 19 августа характеризировались сильной корреляционной зависимостью между суточным ходом температуры и суточным ходом массовой концентрации PM2.5.
В дополнение был проведен анализ на основе вычисления кросс-корреляционной функции (кросс-коррелограммы). Пример вычисления приведен на рис. 1.
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт динамики геосфер имени академика М.А. Садовского Российской академии наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук, riabovasa@mail.ru)\
Аннотация
На основе данных инструментальных наблюдений, выполненных в Центре геофизического мониторинга г. Москвы Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института динамики геосфер имени академика М.А. Садовского Российской академии наук, исследуются вариации массовой концентрации аэрозольных частиц в приповерхностном слое Земли, а также их связь с вариациями температуры воздуха в приземной атмосфере. На основе коэффициента линейной корреляции Пирсона установлены корреляционные зависимости между вариациями температуры и концентрацией аэрозольных частиц размером меньше 2.5 мкм.
Ключевые слова
Температуры воздуха, приземная атмосфера, аэрозольные частицы, корреляция. Источник финансирования
Исследования выполнены в рамках государственного задания ИДГ РАН № 1220329000185- 5 "Проявление процессов природного и техногенного происхождения в геофизических полях" и в рамках государственного задания ИФЗ РАН.
Введение
Аэрозоли ‒ это твердые или жидкие дисперсные фазы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Аэрозольные частицы различаются разнообразием химического состава [2]. В их составе находятся соединения кремния, кальция и углерода, - оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка и др.
В зависимости от своего состава атмосферные аэрозоли могут быть высокотоксичными или же практически безвредными, но даже в этом случае они могут представлять опасность из- за своих физических свойств [5]. Известно, что с уменьшением размера частиц увеличивается их активность и проникающая способность [10]. Наибольшую опасность для здоровья человека представляют мелкие частицы диаметром до 5 мкм. Благодаря своим физическим свойствам они проникают во внутреннюю среду организма, не задерживаясь в верхних дыхательных путях, а попадая сразу в альвеолы и получая почти прямой контакт с кровью. Частицы диаметром до 10 мкм (по международной классификации – PM10) имеют не столь сильную проникающую способность, тем не менее они также считаются опасными для здоровья [6]. Существует статистически установленная связь между загрязнением атмосферного воздуха и общей заболеваемостью населения [7].
Твердые частицы влияют не только на здоровье человека, но и на окружающую среду. Воздействие PM2.5 на окружающую среду проявляется в снижении видимости, кислотных дождях, повышенном загрязнении воздуха, материальном ущербе, ущербе для экосистемы, нарушении функционирования растений и деревьев, загрязнении рек и океанов, а также в снижении продуктивности и урожайности сельскохозяйственных культур [2, 8].
В целом динамика атмосферы оказывает влияние на вариации концентрацию аэрозольного загрязнения. В частности, ряд недавних исследований [4, 9] демонстрируют наличие связи между изменениями температуры и концентрации твердых частиц в приземном слое атмосферы, однако вопрос о влиянии температуры на изменение концентрации пока не до конца проработан.
Целью настоящей работы 6ылo исследование возможного влияния температуры воздуха на концентрацию аэрозольных частиц размером меньше 2.5 мкм в приповерхностном слое Земли на основе данных, полученных в Центре геофизического мониторинга г. Москвы Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института динамики геосфер имени академика М.А. Садовского Российской академии наук (ИДГ РАН) в августе 2023 года.
Исходные данные и методы
При проведении настоящих исследований для обработки и анализа привлекались данные инструментальных наблюдений за вариациями температуры воздуха и массовой концентрации частиц PM2.5 в приземном слое атмосферы за август 2023 г.
Измерение массовой концентрации микрочастиц выполнялось с помощью оригинальной системы на основе аппаратной платформы Arduion Uno и лазерного датчика микрочастиц Sensirion SPS30. Датчик способен работать в температурных условиях от -10 до 60° С, что важно для проведения измерений вне помещений. Sensirion SPS30 сертифицирован MCERTS Performance Standards for Indicative Ambient Particulate Monitors (№ SiraMC200350/01) для
измерений PM2.5 в диапазоне 0-75 мкг/м3. При проведении настоящих исследований использовались данные, полученные с помощью автономной метеорологической станции (АМК– 04). АМК–04 способна на автоматическое измерение и регистрацию значений основных метеорологических величин (с задаваемым периодом усреднения): скорость и направление горизонтального ветра, скорость вертикального ветра, температура и относительная влажность атмосферного воздуха, давление и вычисление ряда турбулентных характеристик полей метеовеличин (например, число Монина-Обухова).
При выполнении настоящих исследований был проведен стандартный статистический анализ [1] вариаций среднесуточной концентрации PM2,5 на основе вычисления среднего значения, максимального и минимального значений. С целью определения возможной связи между температурой и концентрацией частиц PM2.5 использовался корреляционной анализ. Показателем силы связи был выбран коэффициент линейной корреляции Пирсона. В дополнение вычислялась кросс-коррелограмма. Все используемые в настоящей работе методы подробно описаны в работе [1].
Результаты и их обсуждение
Статистический анализ показал, что минимальная среднесуточная температура (14.7 ºС) наблюдалась 29 августа 2023 г., максимальная температура (27.3 ºС) наблюдалась 6 августа 2023 г. Средняя за август 2023 г. среднесуточная температура составила 20.7 ºС, что выше на 3.7 ºС климатической нормы для Москвы. Минимальная среднесуточная массовая концентрация PM2.5 (3.8 мкг/м3) наблюдалась 9 августа 2023 г., максимальная концентрация PM2.5 (16.3 мкг/м3) наблюдалась 2 августа 2023 г. Средняя за август 2023 г. среднесуточная концентрация PM2.5 составила 9 мкг/м3. По данным ВОЗ среднесуточный уровень PM2.5 в воздухе не должен превышать 25 мкг/м3, т.е. в августе 2023 г. по данным Центра геофизического мониторинга г. Москвы ИДГ РАН не наблюдалось превышение нормы среднесуточной концентрации PM2.5. Коэффициент линейной корреляции Пирсона между среднесуточными значениями температуры и массовой концентрации частиц PM2.5 составил 0.29.
С целью определения корреляционных связей между температурой и массовой концентрацией частиц PM2.5 были отобраны дни с погодными условиями, близкими к условиям
«хорошей» погоды. Отбраковывались дни с осадками в виде дождя, с сильной облачностью, с максимальной среднесуточной горизонтальной скоростью ветра больше 3.5 м/с и с максимальной мгновенной горизонтальной скоростью ветра больше 7.5 м/с.
В ходе обработки и анализа данных инструментальных наблюдений были получены отрицательные корреляционные зависимости между суточным ходом температуры и суточным ходом массовой концентрации PM2.5. Лишь для 5 августа наблюдалась очень слабая зависимость между вариациями температуры и массовой концентрации частиц PM2.5 (практически полное отсутствие связи). 3 августа, 16 августа, 17 августа и 25 августа наблюдалась умеренная отрицательная зависимость между вариациями температуры и массовой концентрации частиц PM2.5. Сутки 6 августа и 19 августа характеризировались сильной корреляционной зависимостью между суточным ходом температуры и суточным ходом массовой концентрации PM2.5.
В дополнение был проведен анализ на основе вычисления кросс-корреляционной функции (кросс-коррелограммы). Пример вычисления приведен на рис. 1.
Рисунок 1. Кросс-коррелограмма между вариациями температуры воздуха и массовой концентрации аэрозольных частиц размером меньше 2.5 мкм в приповерхностном слое Земли для 3 августа 2023 г.
В целом кросс-корреляционный анализ показал, что вариации температуры опережают вариации массовой концентрацией частиц PM2.5 на 2-3 часа. Однако 5 августа наблюдается, наоборот, опережение вариаций массовой концентрацией частиц PM2.5 на 8 часов вариаций температуры воздуха, а 19 августа отмечаются синхронные вариации этих величин.
Выводы
В ходе обработки и анализа данных инструментальных наблюдений были получены положительная корреляция между среднесуточными вариациями температуры и суточным ходом массовой концентрации PM2.5 и отрицательные корреляционные зависимости между суточным ходом температуры и суточным ходом массовой концентрации PM2.5, что вероятнее всего связано с разными механизмами влияния температуры воздуха на PM2.5 на разных временных масштабах. Кроме того, различие в корреляционных зависимостях на суточном
масштабе можно связать с разным состоянием атмосферы, на основе анализа числа Монина Обухова можно сделать вывод о том, что сила связи зависит от устойчивости атмосферы в течение суток.
Библиография
1. Адушкин В.В., Рябова С.А., Спивак А.А. Геомагнитные эффекты природных и техногенных процессов. М.: ГЕОС, 2021. 264 с.
2. Аэрозоль и климат / Под ред. К. Я. Кондратьева. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 191 с. 3. Гильмундинов В.М., Казанцева Л.К., Тагаева Т.О., Кугаевская К.С Влияние загрязнения окружающей среды на здоровье населения регионов России. // Регион: экономика и социология. 2013. № 1. С. 209–228.
28
4. Губанова Д.П., Беликов И.Б., Еланский Н.Ф., Скороход А.И., Чубарова Н.Е. Изменчивость приземной концентрации аэрозолей PM2,5 в г. Москве по наблюдениям в Метеорологической обсерватории МГУ // Оптика атмосферы и океана. 2017. Т. 30. № 12. С. 1033- 1042.
5. Ивлев Л. С., Довгалюк Ю. А. Физика атмосферных аэрозольных систем. СПб.: НИИХ СПбГУ, 1999. 5 с.
6. Калаева С.З., Чистяков Я.В., Муратова К.М., Чеботарев П.В Влияние мелкодисперсной пыли на биосферу и человека.// Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2016. № 3. С. 40–63.
7. Кику П.Ф., Бениова С.Н., Гельцер Б.И. Среда обитания и экологозависимые заболевания человека. Владивосток: Дальневост. федерал. ун-т, 2017. 390 с
8. Кондратьев К.Я., Москаленко Н.И., Поздняков Д.В. Атмосферный аэрозоль. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 121 с.
9. Рябова С.А., Крашенинников А.В., Локтев Д.Н., Соловьев С.П. Вариации концентрации микрочастиц в приземном слое атмосферы в летние периоды 2021 и 2022 годов по данным обсерватории «Михнево» // Геофизические процессы и биосфера. 2023. Т. 22, № 4. С. 5– 12. doi:10.21455/GPB2023.4-1.
10. Чомаева М.Н. Промышленная пыль как вредный производственный фактор // Национальная безопасность и стратегическое планирование. 2015. № 2-1(10). С. 119–122.
В целом кросс-корреляционный анализ показал, что вариации температуры опережают вариации массовой концентрацией частиц PM2.5 на 2-3 часа. Однако 5 августа наблюдается, наоборот, опережение вариаций массовой концентрацией частиц PM2.5 на 8 часов вариаций температуры воздуха, а 19 августа отмечаются синхронные вариации этих величин.
Выводы
В ходе обработки и анализа данных инструментальных наблюдений были получены положительная корреляция между среднесуточными вариациями температуры и суточным ходом массовой концентрации PM2.5 и отрицательные корреляционные зависимости между суточным ходом температуры и суточным ходом массовой концентрации PM2.5, что вероятнее всего связано с разными механизмами влияния температуры воздуха на PM2.5 на разных временных масштабах. Кроме того, различие в корреляционных зависимостях на суточном
масштабе можно связать с разным состоянием атмосферы, на основе анализа числа Монина Обухова можно сделать вывод о том, что сила связи зависит от устойчивости атмосферы в течение суток.
Библиография
1. Адушкин В.В., Рябова С.А., Спивак А.А. Геомагнитные эффекты природных и техногенных процессов. М.: ГЕОС, 2021. 264 с.
2. Аэрозоль и климат / Под ред. К. Я. Кондратьева. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 191 с. 3. Гильмундинов В.М., Казанцева Л.К., Тагаева Т.О., Кугаевская К.С Влияние загрязнения окружающей среды на здоровье населения регионов России. // Регион: экономика и социология. 2013. № 1. С. 209–228.
28
4. Губанова Д.П., Беликов И.Б., Еланский Н.Ф., Скороход А.И., Чубарова Н.Е. Изменчивость приземной концентрации аэрозолей PM2,5 в г. Москве по наблюдениям в Метеорологической обсерватории МГУ // Оптика атмосферы и океана. 2017. Т. 30. № 12. С. 1033- 1042.
5. Ивлев Л. С., Довгалюк Ю. А. Физика атмосферных аэрозольных систем. СПб.: НИИХ СПбГУ, 1999. 5 с.
6. Калаева С.З., Чистяков Я.В., Муратова К.М., Чеботарев П.В Влияние мелкодисперсной пыли на биосферу и человека.// Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2016. № 3. С. 40–63.
7. Кику П.Ф., Бениова С.Н., Гельцер Б.И. Среда обитания и экологозависимые заболевания человека. Владивосток: Дальневост. федерал. ун-т, 2017. 390 с
8. Кондратьев К.Я., Москаленко Н.И., Поздняков Д.В. Атмосферный аэрозоль. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 121 с.
9. Рябова С.А., Крашенинников А.В., Локтев Д.Н., Соловьев С.П. Вариации концентрации микрочастиц в приземном слое атмосферы в летние периоды 2021 и 2022 годов по данным обсерватории «Михнево» // Геофизические процессы и биосфера. 2023. Т. 22, № 4. С. 5– 12. doi:10.21455/GPB2023.4-1.
10. Чомаева М.Н. Промышленная пыль как вредный производственный фактор // Национальная безопасность и стратегическое планирование. 2015. № 2-1(10). С. 119–122.
Проект "Климат и экология" реализуется при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации