THE INFLUENCE OF WIND ON LEAD POLLUTION IN THE URBAN ATMOSPHERE

International independent scientific journal №80/2025 3 EARTH SCIENCES THE INFLUENCE OF WIND ON LEAD POLLUTION IN THE URBAN ATMOSPHERE Makarov V. Permafrost Institute, Russia ВЛИЯНИЕ ВЕТРА НА ЗАГРЯЗНЕНИЕ СВИНЦОМ ГОРОДСКОЙ АТМОСФЕРЫ Макаров В. Институт мерзлотоведения, Россия https://doi.org/10.5281/zenodo.17878284 Abstract The influence of wind force on pollution of the urban atmosphere is considered. The bulk of suspended matter in the summer atmosphere of Yakutsk consists of fine sand and large dust particles, and in the winter - of small dust particles. Due to the geological and landscape features of the urban area and the spread of unimproved areas, with strong winds there is an increase in the concentration of dust in the air due to blowing sand. In the spring and summer months from April to July, with an average monthly wind force of 2.0-3.1 m/s, the concentration of dust in the air increases by 2-3 times. The maximum volume of Pb fallout from the atmosphere of 1.2 g/m2 is observed in June and July with abnormal wind speeds of 2.3-3.1 m/s and dust content of 140-150 g/m3. Аннотация Рассматриваются влияние силы ветра на загрязнение городской атмосферы. Основная масса взвешенных веществ в летней атмосфере Якутска состоят из тонких песчаных и крупных пылевых частиц, а в зимней - из мелких пылевых. В силу геологических и ландшафтных особенностей городской территории и распространения неблагоустроенных районов, при сильных ветрах происходит повышение концентрации пыли в воздухе за счет выдувания песка. В весенние и летние месяцы с апреля по июль, при среднемесячной силе ветра 2,0-3,1 м/с, концентрация пыли в воздухе возрастает в 2-3 раза. Максимальный объем выпадения Pb из атмосферы 1,2 г/м2 наблюдается в июне и июле при аномальных скоростях ветра 2,3-3,1 м/с и содержании пыли 140-150 г/м3 . Keywords: atmosphere, city, wind, dust, lead Ключевые слова: атмосфера, город, ветер, пыль, свинец К резкому возрастанию концентраций вредных веществ в приземном слое атмосферы приводят неблагоприятные метеорологические условия. В настоящее время установлено, что между уровнями загрязнения атмосферного воздуха и климатическими факторами существует определенная связь. На степень и интенсивность загрязнения воздушного бассейна влияют рельеф местности, направление и скорость ветра, влажность, количество, интенсивность и продолжительность осадков, циркуляция воздушных потоков, инверсии и т.п.[1] В отдельные периоды, неблагоприятные для рассеяния выбросов, концентрации вредных веществ могут резко возрасти относительно среднего или фонового городского загрязнения. Частота и продолжительность периодов высокого загрязнения атмосферного воздуха зависят от режима выбросов вредных веществ, а также от характера и продолжительности метеоусловий, способствующих повышению концентрации примесей в приземном слое воздуха. Ветер может способствовать рассеиванию загрязняющих веществ, когда они задерживаются над каким-либо регионом. Он также может разнести загрязняющие вещества далеко от их источника. Внутри городских территорий опасной может быть и низкая скорость ветра. Так, при ветре до 1– 2 м/с у земли оседают токсичные вещества от систем вентиляции, а в пределах 4–6 м/с — от крупных электростанций. , возникающие тепловые волны могут заложить основу для опасных условий качества воздуха. Согласно исследованиям [2] слои воздуха в инверсии взаимодействуют с теплом и загрязняющими веществами в городских районах, вызывая серьезное загрязнение воздуха Территория Якутска находится в долине Туймада, где циркуляция воздуха осложняется городской жарой и плохими возможностями вентиляции для рассеивания загрязняющих веществ за его пределами. Результаты исследований и обсуждение Загрязняющие воздух взвешенные вещества (ВВ) − твердые частицы, атмосферные аэрозоли, непосредственно поступающие в воздух, и частицы, образующиеся в процессе превращения газов. Размер частиц в воздухе колеблется от 0.01 до 100 мкм (PM0,01-100). PM – аббревиатура “particulate matter”, цифра показывает содержание всех частиц диаметром 0,01-100 мкм. Установлена серьезная угроза здоровью людей при их воздействии [2]. Уровень загрязнения ВВ − один из важнейших показателей качества воздуха, которым дышат люди. Взвешенные вещества − недифференцированная по составу пыль (аэрозоль), содержащаяся в воздухе International independent scientific journal №80/2025 4 населенных пунктов; показатель вредности − резорбтивное действие, класс опасности – 3 [3]. Угрозу здоровью населения могут представлять и присутствующие в ВВ химические элементы различного класса токсичности, в том числе и Pb - 1 класса токсичности [3]. Изучение количества выпадающих взвешенных веществ (пыли) и атмосферных осадков проведено на комплексном геокриологическом стационаре ИМЗ СО РАН «Туймаада» и на территории Якутска в 2024 г. Аналитическая обработка геохимических проб проведена в лаборатории подземных вод и геохимии криолитозоны ИМЗ СО РАН (аналитики Л.Ю. Бойцова, Е.С. Петрова, О.В. Шепелева) и в Аналитическом сертификационном испытательном центре Института проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН. Количество выпадений из атмосферы (Р), поступивших с осадками на земную поверхность, рассчитывалось по формуле: 𝑃=100∙𝐶∙𝑉 𝜋∙𝑟2, мг/м2, где С - концентрация в растворе образца, мг/мл; V - исследуемый объем, мл; r - радиус горлышка сосуда с образцом, мм. Взвешенные вещества - недифференцированная по составу пыль (аэрозоль), содержащаяся в воздухе населенных пунктов; показатель вредности - резорбтивное действие, класс опасности – 3, наряду с такими токсичными металлами как V, W, Mn, Ge и др. Величина ПДК (мг/м3): максимальная разовая – 0,5, среднесуточная – 0,15. Почти 2/3 массы ВВ в летней атмосфере города состоят из тонких песчаных и крупных пылевых частиц диаметром 10-100 мкм - PM10-100 (Таблица 1). Взвешенные вещества в зимней атмосфере состоят из мелких пылевых и глинистых частиц диаметром меньше 10 мкм (PM≤10). Таблиц 1 Гранулометрический состав ВВ в атмосфере Якутска [4] Фракции частиц Диаметр частиц, мм Встречаемость,% Лето Зима Песок крупный и грубый 2000-500 1,2 - Песок средний 500-250 4,0 - Песок мелкий 250-100 17,0 - Песок тонкий 100-50 30,0 - Пыль крупная 50-10 38,0 - Пыль мелкая 10-2 9,0 80 Глина <2 0,8 20 Кол-во пыли, г/м2 Фон, Сгеом 1,09 0,77 Экологическая оценка атмосферы Якутска: (Якутское УГМС) Концентрация пыли / ПДКсс 2,1 1,6 Концентрация пыли (взвешенных веществ – ВВ) в воздухе города постоянно превышает ПДКсс. Cреднегодовые концентрации ВВ в 1,8 раз выше санитарных норм: в летний период – в 2,1, зимний – в 1,6 раз. Дождь может способствовать разбавлению высоких концентраций загрязняющих веществ в воздухе. Поскольку крупные твердые частицы (PM10), такие как пыль, грязь и пыльца, крупнее и тяжелее других частиц, дождь может помочь PM10 оседать на землю быстрее, но менее эффективен для разбавления более мелких частиц PM2,5. Однако дожди в Якутске кратковременны и происходят в периоды наиболее ветренной погоды. В таблице 2 приведены данные о атмосферных осадках, их количестве и величиной запыленности, а также силой ветра на стационаре Таблица 2 Атмосферные осадки, запыленность и сила ветра на стационаре .2024 г. Cредне е I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Ветер, м/с 0,7 0,9 1,7 2,3 3,0 3,1 2,3 2,0 3,1 1,9 1,0 1,1 1,9 Осадки , мм 7,0 18, 2 9,9 7,0 7,0 45,5 47,1 35,4 20, 1 25, 3 15, 1 8,3 20,5 Пыль, мг/л 33, 6 50, 0 64, 5 105, 3 105, 3 151, 9 136, 8 142, 9 37, 0 47, 1 40, 0 34, 5 80,0 Для низких и неорганизованных источников выбросов формирование повышенного уровня загрязнения воздуха происходит при слабых ветрах за счет скопления примесей в приземном слое атмосферы, а при очень сильных ветрах происходит убывание концентраций за счет быстрого переноса. Однако в силу геологических и ландшафтных особенностей городской территории и распространения неблагоустроенных районов, при сильных ветрах происходит повышение концентрации пыли в воздухе за счет выдувания песчаного материала (Рисунок 1). International independent scientific journal №80/2025 5 Рисунок 1. Зависимость между силой ветра и концентрацией пыли в атмосфере В весенние и летние месяцы с апреля по июль, при среднемесячной силе ветра 2,0-3,1 м/с, концентрация пыли в воздухе возрастает до 100-150 мг/л. При этом рост уровня загрязнения пылью повышаются в 2-3 раза по сравнению с уровнем при других скоростях ветра (см. таблицу 2). Благодаря преобладающему СЗ направлению ветров и рассредоточенным источникам выбросов, область наибольшего пылевого загрязнения воздуха создается в центре города (Рисунок 2). Рисунок 2. Объемы выпадения пыли из атмосферы на территории Якутска (лето) 1 – пункты наблюдений; 2-5 - выпадения пыли, г/м2 ·сут: 2 - ≤ 0,01; 3 - 0,01-1,0; 4 – 1,0-5,0; 5 - ≥ 5,0. Объемы выпадения ВВ из атмосферы в летний и зимний периоды времени различаются на порядок, соответственно, 0,720 и 0,068 г/м2. В городской пыли присутствуют элементы третьего (Ba, V, W, Mn, Sr), второго (B, Co, Ni, Mo, Cu, Sb, Cr) и даже первого (As, Cd, Hg, Pb, Zn) класса токсичности [5], Рассмотрим зависимость между силой ветра и концентрацией одного из токсичных металлов - Pb в атмосферной пыли. В летние месяцы на протяжении всего теплого периода с мая по август, при скорости ветра 2-3 м/с, наблюдается повышение объема выпадения токсичного металла из атмосферы: в два раза выше среднего в мае и августе (0,2-0,5 г/м2) и на порядок возрастающего до 0,5-1,2 г/м2 в июне и июле при скорости ветра 2,3-3,1 м/с и концентрации пыли 140-150 г/м3 (Рисунок 3). Высокое поступление Pb в атмосферу и последующее выпадение на земную поверхность определяется скоростью ветра и связанным с этим возрастанием запыленности воздуха. y = 0,0111x + 1,0362 R² = 0,3384 0 1 2 3 4 050 100 150 200 Ветер, м/с Пыль, мг/л International independent scientific journal №80/2025 6 Рисунок 3. Зависимость между силой ветра и выпадением Pb с атмосферной пылью Выводы Исследование закономерностей распространения атмосферных примесей и особенностей их пространственно-временного распределения в зависимости от ветрового режима территории являются основой для объективной опенки состояния и тенденции изменений загрязнения воздушной среды, а также разработки возможных мероприятий по обеспечению чистоты атмосферы. Характер переноса и рассеивания примесей в основном зависит не только от режима ветра и источника выброса, но и от характера субстрата. Загрязняющие воздух ВВ - это дым, сажа, пыль и капельки жидкости, образующиеся при хозяйственной деятельности (сгорании топлива) и присутствующие в воздухе. Взвешенные частицы, могут быть причиной как химического загрязнения воздуха (при высокой концентрации токсичных веществ) – так и биологического за счет содержания вредных микроорганизмов, включая бактерии, вирусы и грибки. Основная масса ВВ – городской атмосферной пыли формируется в результате выдувания материала придорожных почв, применения противогололедной песчаной подсыпки, выпадений аэрозолей из атмосферы, воздействия транспортных средств и инфраструктуры. Городская пыль аккумулирует в себе загрязняющие вещества из различных компонентов городского ландшафта и, в свою очередь, является важным источником загрязнения почв, аквальных ландшафтов – озер и воздуха, поставляя в атмосферу города около 70% массы частиц PM10-100 . В весенние и летние месяцы с апреля по июль, при среднемесячной силе ветра 2,0-3,1 м/с, загрязнение городского воздуха повышается в 2-3 раза и концентрация пыли достигает100-150 мг/л. В июне и июле при скорости ветра 2,3-3,1 м/с и концентрации пыли 140-150 г/м3 . объемы выпадения Pb достигают максимальных значений - 0,51,2 г/м2. Высокое поступление Pb в атмосферу и последующее выпадение на земную поверхность определяется скоростью ветра и связанным с этим возрастанием запыленности воздуха. Во избежание отрицательного воздействия повышенного уровня загрязнения атмосферного воздух на здоровье, особенно в июне и июле, необходимо прогнозировать и учитывать неблагоприятные метеорологические условия и предупреждать жителей о наступлении «плохих» дней. Список литературы: 1. Zhang H., Feng J., Zhu W., Liu C., Xu S., Sao P., Wu D., Yang W., Gu J. Chronic toxicity of rareearth elements on human beings: implications of blood biochemical indices in REE-high regions, South Jiangxi / Biol. Trace Elem. Res., 2000, Vol. 73 № 1, pp. 1–17. 2. Zereini F., Wiseman C.L.S. Urban.airborne particulate matter: origin, chemistry, fate and health impacts Heidelberg: Springer–Verlag Berlin. 2011. 656 р. DOI: 10.1007/978-3-642-12278-1. 3. СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания». Москва, 2021. С. 41. 4. Климова И.В., Макаров В.Н. Торговкин Н.В. Минералогический состав взвешенных веществ городской приземной атмосферы // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Северо-Востока России. Материалы XII Всероссийской научно-практической конференции,. Якутск, Изд-во: СевероВосточный федеральный университет. 2022. С. 403406. http:// ucom.ru/doc/na.2019 5. Макаров В.Н., Торговкин Н.В. Загрязнение атмосферы г. Якутска взвешенными веществами // Природные ресурсы Арктики и Субарктики. 2020, Т. 25, № 1. С.41-47. https:// DOI.ORG//10.31242/2618-9712-2020-25-1-4. y = 0,2561x - 0,1809 R² = 0,2227 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Pb, г/м2 Ветер, м/с