М.С. Загайнова, научный сотрудник Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова
Чистый воздух является основным условием здоровья и благополучия человека. Потенциальные серьезные последствия воздействия высоких уровней загрязнения атмосферного воздуха стали очевидны в середине ХХ века, когда города столкнулись с ощутимым загрязнением воздуха. Позже эпидемиологические исследования выявили неблагоприятные последствия для здоровья даже при низких концентрациях загрязняющих веществ в атмосферном воздухе. Загрязнение воздуха затрудняет экономическое развитие, способствует изменению климата и ухудшает состояние окружающей среды.
Ниже представлена краткая характеристика тенденции изменения содержания некоторых загрязняющих веществ в атмосферном воздухе Санкт-Петербурга за последние десять лет. Описаны сезонно-суточное распределение концентраций озона и формальдегида и причины формирования повышенных концентраций этих веществ в воздухе города.
Государственная система мониторинга загрязнения атмосферного воздуха в СанктПетербурге включает девять пунктов государственной наблюдательной сети ФГБУ «Северо-Западное УГМС» Росгидромета и 25 автоматических станций территориальной системы Администрации Санкт-Петербурга. Для оценки качества воздуха в городе используются сопоставимые данные наблюдений за концентрациями пяти загрязняющих веществ (диоксид серы, оксид углерода, озон, диоксид и оксид азота), всего в городе измеряются концентрации 24 веществ. Ежегодная оценка уровня загрязнения воздуха в городе проводится по данным около 60 тыс. дискретных и 1,3 млн непрерывных наблюдений.
Изменение уровня загрязнения атмосферного воздуха в Санкт-Петербурге за 2013–2022 годы
Уровень загрязнения воздуха в 2022 году оценивался как повышенный, в расчет комплексного индекса загрязнения атмосферы (ИЗА) вошли значения среднегодовых концентраций приоритетных для города веществ: формальдегида, взвешенных веществ, озона, аммиака и диоксида азота. Средние за год концентрации взвешенных веществ, формальдегида и озона превышали санитарногигиенические нормативы – предельно допустимые концентрации. ИЗА – комплексный индекс, отражает степень хронического воздействия загрязненного воздуха на здоровье с учетом опасности каждого загрязняющего вещества. В ходе исследований выявлена зависимость заболеваемости населения и показателя ИЗА, на основе чего установлены категории низкого, повышенного, высокого и очень высокого уровня загрязнения воздуха. Уровень загрязнения считается низким при значениях ИЗА менее 5, повышенным – при ИЗА от 5 до 6, высоким – при ИЗА от 7 до 13 и очень высоким – при ИЗА, равном или более 14. Также учитываются показатели СИ и НП: СИ – стандартный индекс, измеренная разовая концентрация загрязняющего вещества, НП – наибольшая повторяемость превышения максимальной разовой ПДКм.р.
За последние десять лет высокий уровень загрязнения в городе наблюдался в 2013-м и 2014 году, далее до 2020 года постепенно снижался, в 2018–2020 годах уровень загрязнения был низкий. С 2021 года увеличение показателя до повышенного связано с введением в действие СанПиН 1.2.3685-21, в котором для ряда загрязняющих веществ установлены более жесткие нормативы, обеспечивающие допустимые уровни риска при хроническом (не менее одного года) воздействии – ПДКс.г. В первую очередь, на оценку уровня загрязнения в городе повлияли изменения значений ПДКс.г. для формальдегида и взвешенных веществ. При прежних нормативах (ГН 2.1.6.3492-17) уровень загрязнения в 2021–2022 годах, так же как в 2018– 2020 годах, оценивался бы как низкий (рис. 1).
Тенденция содержания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе города за 2013–2022 годы. Сезонно-суточный ход озона
Рассмотрим изменения содержания некоторых загрязняющих веществ в атмосферном воздухе города за последние десять лет. Если принять средние за 2013 год в целом по городу концентрации за 100%, то видно, что практически все среднегодовые концентрации основных загрязняющих веществ за десятилетний период снизились. Снижение средних за год концентраций бенз(а)пирена, оксида углерода (СО) и диоксида азота (NO2) составило более 50%, взвешенных веществ – 24%. Среднегодовые концентрации озона в целом по городу возросли на 14% (рис. 2).
Концентрации взвешенных веществ. Межгодовая изменчивость средних концентраций взвешенных веществ показана на рис. 3. Последние десять лет средние за год концентрации взвешенных веществ (пыли) в городе превышают ПДКс.г. (красная линия) – установленную главным санитарным врачом РФ в 2021 году (СанПиН 1.2.3685-21), в отличие от действовавшей ранее нормы ПДКс.с. (зеленая пунктирная линия), согласно ГН 2.1.6.3492-17, которую средние по городу концентрации пыли за рассмотренный период не превышали.
Взвешенные вещества включают неорганическую пыль, золу, сажу, сульфаты, нитраты и другие твердые вещества. Они могут иметь как антропогенное, так и естественное происхождение (например, образовываться в результате почвенной эрозии). В данных о выбросах все эти вещества отнесены к твердым; они также образуются в результате сгорания всех видов топлива и при производственных процессах. В зависимости от состава выбросов они могут быть и высокотоксичными, и почти безвредными. Вдыхаемые твердые частицы влияют как непосредственно на респираторный тракт, так и на другие органы за счет токсического воздействия входящих в состав частиц различных компонентов.
Концентрации озона. Среднегодовые концентрации в Санкт-Петербурге в последние годы изменялись в диапазоне от 0,9 до 1,2 ПДКс.г. Приземный озон (О3) не выбрасывается непосредственно в воздух антропогенными источниками, является вторичным веществом и образуется в результате фотохимических реакций в загрязненной атмосфере городов между веществами-предшественниками – оксидами азота (NOx) и летучими органическими соединениями (ЛОС), поступающими с выбросами промышленности и автотранспорта, в присутствии солнечного света. В городских районах связь между фотохимическим образованием озона и концентрацией его предшественников не является линейной; она зависит от концентраций NOx и ЛОС, отношения NOx к ЛОС и интенсивности солнечной радиации. Еще одним источником озона в тропосфере могут быть реакции окисления метана (CH4) и оксида углерода (CO). Увеличение содержания озона в приземном слое воздуха также может происходить в результате динамического обмена между тропосферой и стратосферой, особенно в весенний период.
Изменения концентрации озона, контролируемые рядом процессов, включая фотохимию, перенос и скорость осаждения, могут приводить к локальным повышенным уровням приземного озона и вызывать значительные суточные, сезонные и межгодовые колебания его содержания. Загрязнение воздуха озоном максимально в летние месяцы, поскольку интенсивная солнечная радиация и жаркая погода способствуют быстрому течению реакций образования озона, что нередко приводит к сверхнормативному уровню загрязнения воздуха. В России установлен норматив максимальной концентрации озона на уровне 160 мкг/м3 , усредненное за 8 часов значение концентрации – 100 мкг/м3 , и 30 мкг/ м3 – среднегодовая концентрация (ПДКс.г.). Такие концентрации могут оказывать негативное влияние на здоровье людей, а также влиять на растительность и материалы. Ряд исследований отмечают негативное влияние озона на здоровье людей независимо от концентраций других загрязняющих веществ. ВОЗ также установлено ежедневное максимальное усредненное за 8 часов значение 100 мкг/м3 , обеспечивающее необходимую охрану здоровья. Уровень 160 мкг/ м3 и выше приводит к значительному негативному кратковременному влиянию на здоровье.
Характерными признаками годового хода озона в Санкт-Петербурге являются его повышенные концентрации в теплый период, часто весной и летом, минимальные значения отмечаются в зимний период. В суточном ходе концентраций озона наибольшая амплитуда наблюдается также в теплый период, максимальные концентрации фиксируются после полудня, около 15 часов, что совпадает с суточным максимумом температуры воздуха. В 2021 году в Курортном районе проявляется весенне-летний максимум концентраций, в центре города наибольшее загрязнение воздуха отмечено в дневное время летних месяцев (июнь–июль), также здесь выше загородных летние ночные концентрации, что возможно связано с наличием в воздухе города веществ-предшественников, поступающих от автотранспорта (рис. 4, 5).
Концентрации формальдегида. Среднегодовые концентрации формальдегида в атмосферном воздухе Санкт-Петербурга, как во многих городах России, превышают ПДКсг. В соответствии с нормативными документами, регламентирующими содержание загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест (СанПиН 1.2.3685-21), формальдегид классифицируется как вещество 2-го класса опасности, входит в перечень приоритетных для Санкт-Петербурга загрязняющих веществ, токсичен и обладает мутагенными свойствами, среднегодовая предельно-допустимая концентрация фиксируется на уровне 3 мкг/м3 .
Сочетание канцерогенных и иммунодепрессивных свойств ставит формальдегид в ряд опаснейших для человека веществ, статистические данные с охватом больших групп населения подтверждают канцерогенное действие формальдегида на человека. Рост загрязнения атмосферы формальдегидом может становиться существенным фактором риска, определяющего онкологическую заболеваемость.
На рис. 6 показаны средние за год концентрации вещества на стационарных пунктах наблюдений за загрязнением атмосферы во Фрунзенском (ПНЗ №2) и Московском (ПНЗ №8) районах, где наблюдается небольшой рост концентраций за десятилетний период. Видно, что в данных районах города среднегодовые концентрации регулярно превышали норматив (ПДКс.г.).
Формальдегид, так же как озон, является вторичным веществом, но при этом присутствует в выбросах некоторых предприятий и автотранспорта. Попадая с выбросами или образуясь в атмосфере, формальдегид испытывает дальнейшие химические превращения, в основном под действием солнечного излучения, реагирует с другими веществами. Учитывая разнообразие веществ-предшественников в загрязненном городском воздухе, образование формальдегида в результате последовательных реакций часто превышает выбросы от природных или промышленных источников. Ряд зарубежных исследований показал, что вклад фотохимических процессов в общее содержание формальдегида в воздухе городов может достигать 70–90%, особенно в летний период, когда интенсивность солнечной радиации максимальна.
Измерения концентраций формальдегида в различных городах мира фиксируют наибольшие его концентрации вдоль автомагистралей, что вызвано максимальным содержанием в воздухе у дорог веществ-предшественников в результате выбросов автотранспорта. Также известно, что важным предшественников формальдегида является метан, попадающий в атмосферу как от естественных, так и антропогенных источников (в том числе от автотранспорта, использующего в качестве топлива природный газ или другое альтернативное топливо).
Первичный анализ суточного хода концентраций формальдегида в Санкт-Петербурге также подтверждает увеличение концентраций при возрастании интенсивности дорожного движения. По данным измерений на станции, расположенной в Выборгском районе города у автодороги, в июле 2023 года наблюдалось два максимума концентраций, совпадающих с утренним (8.00–11.00) и вечерним (17.00–19.00) пиками интенсивности дорожного движения (рис. 7).
Сравнение средних за 2022 год концентраций загрязняющих веществ в Санкт-Петербурге со средними значениями в целом по стране
Значения средних за 2022 год концентраций диоксида азота, озона и взвешенных веществ в Санкт-Петербурге и в целом по РФ примерно сопоставимы, концентрация аммиака в городе выше на 30%, чем в целом по стране. Концентрации оксида углерода и бенз(а)пирена в Санкт-Петербурге значительно ниже, чем в среднем по РФ (рис. 8).
За последние десять лет наблюдается снижение содержания основных загрязнителей в воздухе города, но отмечается небольшой рост концентраций озона. Для Санкт-Петербурга остается актуальной проблема загрязнения воздуха озоном, формальдегидом и взвешенными веществами (пылью), концентрации которых превышают ПДКс.г.
В результате анализа информации о концентрациях озона и формальдегида в городах России за последние годы обнаружена четкая связь между повышением температуры воздуха и ростом концентраций этих веществ, в теплый период года отмечаются превышения санитарно-гигиенических нормативов. Для Санкт-Петербурга рост концентраций озона отмечается в весенне-летний период, формальдегида – в летний.
Для уменьшения уровня загрязнения воздуха вторичными веществами, формальдегидом и озоном, предотвращения ситуаций фотохимического смога необходимо общее снижение антропогенных выбросов, в первую очередь выбросов от автотранспорта веществ-предшественников, в т. ч. оксидов азота, метана и других летучих органических соединений.
