Изменение выбросов летучих органических соединений в городах: множество путей к тому, чтобы воздух стал чище
- Author(s):
- Изобель Симпсон и Клавдия Волощук
Загрязнение воздуха является одним из самых серьёзных для здоровья человека рисков, связанных с окружающей средой. Загрязнение атмосферного воздуха является причиной смерти более чем 4 миллионов человек ежегодно, главным образом в развивающихся странах (World Health Organization (WHO), 2019). Хотя качество воздуха улучшилось во многих странах благодаря эффективным стратегиям ограничения выбросов, в других частях мира по-прежнему отмечается плохое или ухудшающееся качество воздуха. Более 90 % населения мира живёт в городах, которые не соответствуют рекомендациям ВОЗ по качеству воздуха, однако в наиболее загрязнённых районах мира зачастую имеется меньше всего систем мониторинга или оповещения о качестве воздуха (WHO, 2016; Kumar et al., 2018). Стратегии по улучшению качества воздуха требуют детального знания компонентов загрязнения воздуха и того, как выбросы этих компонентов меняются с течением времени.
Роль летучих органических соединений в городской окружающей среде
Летучие органические соединения (ЛОС) являются одним из компонентов загрязнения воздуха, в состав которых входит сложная смесь сотен углеродосодержащих газов (Lewis et al., 2000). В таблице 1 перечислены некоторые из наиболее распространённых и важных ЛОС во многих городах. Если концентрации ЛОС в атмосфере превышают рекомендуемые пределы, риски для здоровья включают подверженность воздействию самих ЛОС и вторичных загрязнителей воздуха, образующихся в результате химических реакций между ЛОС и другими компонентами. Например, ЛОС вступают в реакцию с оксидами азота, образуя озон и ультрамелкие частицы, которые являются компонентом смога, оказывающего влияние на здоровье человека, растительность и климат (ВМО, 2018 г.).
Измерения и глобальное моделирование показывают, что уровни озона в приземном слое превышают рекомендуемые пределы во многих частях мира, особенно в Азии (рис. 1). Окисление ЛОС также приводит к образованию вторичных органических аэрозолей, которые являются важным компонентом твёрдых примесей или ТП2,5 (Gentner et al., 2017; Guo et al., 2017). Подверженность воздействию ТП2,5 является ещё одной серьёзной проблемой для здоровья населения (WHO, 2013). Поскольку образование озона и вторичного органического аэрозоля зависит от относительного количества исходных ЛОС и оксидов азота, стратегии сокращения выбросов требуют целостного подхода, учитывающего взаимодействие между несколькими компонентами загрязнения воздуха (Lyu et al., 2016; Zhao et al., 2017). Определение того, какие химически активные ЛОС с наибольшей вероятностью образуют озон и вторичные органические аэрозоли, а затем определение того, какие источники несут основную ответственность за их выбросы, является одной из главных задач исследований загрязнения воздуха.
Успехи и смещение сигнатур летучих органических соединений
Выбросы ЛОС в городах часто представляют собой комплексное сочетание выбросов, связанных с транспортными средствами, промышленностью, использованием растворителей, сжиганием отходов, а также выбросов от других источников. Естественные выбросы ЛОС от растений и деревьев также вносят вклад в сочетание городских выбросов ЛОС. Каждый из этих источников выпускает ЛОС с характерной сигнатурой или «отпечатком». Например, изопрен является характерным ЛОС, выделяемым широколиственными деревьями, в то время как этен является продуктом сгорания, связанным с выхлопными газами транспортных средств (таблица 1). Поэтому каждый город имеет уникальный отпечаток ЛОС, который отражает его основные источники. Этот отпечаток эволюционирует с течением времени по мере того, как уровни ЛОС растут или падают по причине изменения источников или появления экологических норм и стандартов.
|
|
Рисунок 1. ЛОС являются прекурсорами озона в приземном слое (О3), ключевого элемента в образовании |
|
|
Таблица 1. ЛОС, часто встречающиеся в городах, с указанием приблизительной продолжительности их |
|
| Рисунок 2. Тренды, наблюдаемые с 1960 года: а) продажи топлива в Калифорнии, б) максимальные уровни озона за 1 час в бассейне Лос-Анджелеса, в) отдельные ЛОС около центра Лос-Анджелеса, г) оксид углерода (СО) в центре Лос-Анджелеса (Warneke et al., 2012). (Источник: воспроизведено из Journal of Geophysical Research (журнал геофизических исследований) с разрешения авторов). |
Например, транспорт является основным источником выброса ЛОС в городах. Однако технологии контроля выбросов транспортных средств, такие как каталитические преобразователи, позволили снизить уровень ЛОС во многих регионах мира, особенно в Европе, Северной Америке и некоторых частях Азии (Chang et al., 2017). Благодаря такой технологии автомобили во многих странах в настоящее время выделяют только около 1 % ЛОС по сравнению с тем, что было 50 лет назад (Parrish et al., 2016). В результате уровень летучих органических соединений и озона неуклонно снижался во многих промышленно развитых городах в течение последних 50 лет, несмотря на увеличение продаж топлива и рост количества транспортных средств (рис. 2). Например, уровни ЛОС в Лос-Анджелесе с 1960 года снизились почти на два порядка в связи с ранним осуществлением мер по сокращению выбросов ЛОС (Warneke et al., 2012). Аналогичным образом, уровень выбросов ЛОС в Лондоне быстро снизился с 1990-х годов в связи с появлением стратегий сокращения выбросов (von Schneidemesser et al., 2010).
Ещё одной стратегией улучшения качества воздуха в городах является использование альтернативных видов топлива. Например, во многих городах системы общественного транспорта перешли от использования дизельного топлива для автобусов и такси к более чистым видам топлива, таким как сжиженный нефтяной газ (СНГ) или сжатый природный газ (СПГ), или к вариантам без ископаемых видов топлива, таким как электричество. В то время как дизельное топливо выделяет более тяжёлые летучие органические соединения, такие как октан и толуол, более чистое топливо содержит более лёгкие углеводороды, такие как пропан и бутан в случае СНГ, и метан и этан в случае СПГ (Kado et al., 2005; Guo et al., 2011; Gentner et al., 2017). Поэтому использование альтернативных видов топлива может сместить отпечаток летучих органических соединений города в сторону более легких углеводородов, которые химически менее активны и, следовательно, медленнее образуют озон. Например, отпечаток ЛОС в Гонконге, Китай, сместился с соединений, богатых толуолом, на соединения, богатые бутаном, поскольку дизельное топливо было заменено сжиженным нефтяным газом в такси и небольших автобусах, а уровни толуола были ограничены в десятках видов продуктов, содержащих растворители (Guo et al., 2017; Lyu et al., 2017).
Так как выбросы ЛОС от автотранспорта во многих городах сократились, другие источники ЛОС приобретают относительную важность. По оценкам, в настоящее время в Соединенных Штатах Америки и Европе на летучие химические продукты, такие как пестициды, лакокрасочные материалы и чернила, чистящие средства и средства личной гигиены, приходится половина от выбросов ЛОС, связанных с использованием ископаемого топлива (McDonald et al., 2018). Маркеры для этих продуктов включают ЛОС, такие как этанол, ацетон и толуол, а выделяемые ЛОС могут быть важными прекурсорами вторичных органических аэрозолей. Поэтому в городах с эффективным контролем выбросов транспортных средств всё более важной становится необходимость понять роль источников ЛОС, не связанных с автотранспортом, в образовании озона и вторичных органических аэрозолей.
Текущие проблемы и решения
 |
| Гонконг, Китай, во время смога и в ясный день (по лицензии НКО Creative Commons (Творческое сообщество)). Во многих городах меры по сокращению выбросов направлены на увеличение количества дней с «голубым небом». |
Несмотря на то, что в некоторых регионах мира выбросы ЛОС успешно сокращены, остаётся ещё множество проблем. Многие страны все ещё находятся на начальном этапе разработки стандартов качества воздуха и эффективной нормативно-правовой базы. Кроме того, обширные районы земного шара, на территории многих из которых отмечается сильное загрязнение озоном и твёрдыми частицами, всё ещё недостаточно изучены. Надёжные программы мониторинга качества воздуха необходимы для понимания отпечатка ЛОС каждого города и его эволюции во времени.
Наряду с тем, что создана базовая инфраструктура для проведения измерений, ограниченные «разовые» полевые исследования могут предоставить ценную информацию для разработки политики. Например, короткая полевая кампания показала, что в Лахоре, Пакистан, одном из самых загрязнённых городов мира, в воздухе было больше всего этена и ацетилена, которые являются характерными индикаторами выхлопных газов автомобилей (Barletta et al., 2017). В то же время в воздухе в Мекке, Саудовская Аравия, наблюдался неожиданно высокий уровень изопентана, индикатора испарения бензина, в дополнение к индикаторам выхлопных газов автомобилей (Simpson et al., 2014). Поэтому, наряду с установлением норм выбросов транспортных средств в Мекке, также было рекомендовано использовать простую технологию уменьшения испарения бензина, такую как добавление возможности для улавливания паров бензина в топливораздаточные пистолеты, чтобы уменьшить выбросы ЛОС и воздействие паров во время заправки автомобилей. Таким путём стратегии ограничения выбросов могут быть адаптированы к условиям любого города в соответствии с его уникальным отпечатком ЛОС.
В других регионах с утверждёнными программами мониторинга качества воздуха обнаружили сложную взаимосвязь между ростом выбросов ЛОС в одних секторах и снижением выбросов в других.
 |
| Отбор проб воздуха в промышленной зоне Кот Лакхпат, Лахор, Пакистан |
Например, в Китае с 1990 года наблюдается постоянный рост выбросов ЛОС, несмотря на сокращение с 2005 года выбросов, связанных с жилищным и транспортным секторами (Li et al., 2019). Этот рост связан с увеличением выбросов в промышленном секторе и выбросов от использования растворителей, хотя он был замедлен посредством эффективны мер контроля в жилищном и транспортном секторах, особенно после того, как в 2013 году в Китае был введён в действие План мероприятий по сохранению чистого воздуха. В Китае уже проведён масштабный мониторинг ЛОС в основных регионах, являющихся источниками выбросов, включая Великую Китайскую равнину, дельту реки Янцзы и дельту реки Чжуцзян, который обеспечивает прочную основу для оценки эволюции выбросов ЛОС в Китае (Guo et al., 2017).
Даже когда городам удаётся снизить уровень загрязнения и улучшить качество воздуха, они всё же могут не добиться соответствия существующим требованиям в отношении озона и других загрязняющих веществ. Трансграничный перенос является дополнительной проблемой, затрудняющей ситуацию в некоторых районах, например, когда в соседних районах наблюдаются разные уровни загрязнения или контроль выбросов находится на разном уровне. Результатом часто является сложное сочетание вклада местных и региональных источников выбросов ЛОС, которые варьируются в зависимости от погоды, например, в зависимости от изменения направления ветра. Выявление относительного вклада местных и региональных источников загрязнения является ещё одной проблемой исследований качества воздуха.
Дальнейшие перспективы
Сильное загрязнение воздуха является проблемой для окружающей среды и здоровья человека в городах во всём мире. Снижение загрязнения возможно с помощью существующих технологий. Страны, в которых стандарты качества воздуха находятся в стадии разработки, могут действовать с учётом успехов и трудностей в других регионах. Технология контроля выбросов транспортных средств и переход к использованию более чистых видов топлива позволили успешно сократить выбросы ЛОС от источников, связанных с автотранспортом, во многих городах, несмотря на растущее количество автомобилей. По мере сокращения выбросов от источников, связанных с автотранспортом, могут быть четче выявлены другие выбросы ЛОС, такие как ЛОС, связанные с растворителями или другими летучими химическими продуктами. Программы, одновременно направленные на работу с разными источниками ЛОС, могут быть целесообразными, например, разработка нормативов для выбросов от автотранспорта, использования растворителей или от других источников.
Чтобы добиться успеха в сокращении содержания озона, все усилия по смягчению воздействия ЛОС должны учитывать сложное взаимодействие между ЛОС, оксидами азота и озоном. В дополнение к мерам по сокращению выбросов, надёжный мониторинг качества воздуха является важным компонентом регулирования загрязнения воздуха. Долгосрочный мониторинг отдельных широко распространённых ЛОС рекомендуется для отслеживания изменений в отпечатке ЛОС каждого города в результате стратегий контроля выбросов. В то же время краткосрочные обследования могут дать первоначальные указания относительно того, какие ЛОС вносят самый большой вклад в образование озона и вторичного органического аэрозоля.
Деятельность ВМО в области качества воздуха в городах и летучих органических соединенийВМО присоединилась к глобальному обязательству сократить смертность от загрязнения воздуха на две трети к 2030 году. Чтобы выполнить это обязательство, ВМО прилагает усилия, направленные на совершенствование данных наблюдений за уровнем загрязнения воздуха и обеспечение средств для предотвращения случаев катастрофического загрязнения воздуха. Научно-консультативная группа по химически активным газам Глобальной службы атмосферы ВМО (ГСА) координирует глобальные измерения, анализы и исследование малых газовых составляющих, включая летучие органические соединения (ЛОС). Это исследование важно для того, чтобы лучше понять выбросы, образование, взаимодействие и уменьшение количества веществ, загрязняющих воздух. Хотя многие виды деятельности связаны с фоновыми измерениями (кратко изложены ниже), также проводятся исследования городской среды. Проект ГСА по научным исследованиям в области городской метеорологии и окружающей среды сосредоточен на разработке улучшенных систем прогнозирования качества воздуха, а также вносит вклад в более широкую инициативу по обслуживанию в городах, разрабатываемую в ВМО. В руководящих принципах ВМО по комплексному обслуживанию в городах в области гидрометеорологии, климата и окружающей среды сформулировано перспективное видение поддержки устойчивых городов и сообществ, которая была определена в качестве одной из Целей в области устойчивого развития. ВМО содействует разработке и внедрению прогнозов и предупреждений о качестве воздуха, а также сотрудничает с сектором здравоохранения и ВОЗ для предоставления комплексной информации о погоде, климате и окружающей среде. В конце 1990-х годов сообщество специалистов по атмосферным наукам предложило объединить различные возможности для наблюдений, имеющиеся в ГСА, для облегчения доступа к данным и повышения качества данных. Текущая сеть фонового мониторинга ЛОС, вносящая свой вклад в ГСА или сотрудничающая с ней, включает следующее (Schultz et al., 2015):
|
Литература
Anenberg, S., D. Henze, V. Tinney, P.L. Kinney, W. Raich, et al., 2018: Estimates of the global burden of ambient PM2.5, ozone, and NO2 on asthma incidence and emergency room visits. Environmental Health Perspectives, 126(10), doi.10.1289/EHP3766.
Barletta, B., I.J. Simpson, N.J. Blake, S. Meinardi, L.K. Emmons, et al., 2017: Characterization of carbon monoxide, methane and nonmethane hydrocarbons in emerging cities of Saudi Arabia and Pakistan and in Singapore. Journal of Atmospheric Chemistry, 74(1):87–113, doi:10.1007/s10874-016-9343-7.
Chang, K.L., I. Petropavlovskikh, O.R. Cooper, M.G. Schultz and T. Wang, 2017: Regional trend analysis of surface ozone observations from monitoring networks in eastern North America, Europe and East Asia. Elementa Science of the Anthropocene, 5: 50, doi.10.1525/elementa.243.
Gentner, D.R., S.H. Jathan, T.D. Gordon, R. Bahreini, D.A. Day, et al., 2017: Review of urban secondary organic aerosol formation from gasoline and diesel motor vehicle emissions. Environmental Science and Technology, 51:1074–1093, doi:10.1021/acs.est.6b04509.
Guo, H., S.C. Zou, W.Y. Tsai, L.Y. Chan and D.R. Blake, 2011: Emission characteristics of nonmethane hydrocarbons from private cars and taxis at different driving speeds in Hong Kong. Atmospheric Environment, 45:2711–2721, doi:10.1016/j.atmosenv.2011.02.053.
Guo, H., Z.H. Ling, H.R. Cheng, I.J. Simpson, X.P. Lyu, et al., 2017: Tropospheric volatile organic compounds in China. Science of the Total Environment, 574:1021–1043.
Kado, N.Y., R.A. Okamoto, P.A. Kuzmicky, R. Kobayashi, A. Ayala, et al., 2005: Emissions of toxic pollutants from compressed natural gas and low sulfur diesel-fueled heavy-duty transit buses tested over multiple driving cycles. Environmental Science and Technology, 39:7638–7649, doi:10.1021/es0491127.
Kumar, R., V.-H. Peuch, J.H. Crawford and G. Brasseur, 2018: Five steps to improve air-quality forecasts. Nature, 561:27–29.
Lewis, A.C., N. Carslaw, P.J. Marriott, R.M. Kinghorn, P. Morrison, et al., 2000: A larger pool of ozone-forming carbon compounds in urban atmospheres. Nature, 405:778–781.
Li, M., Q. Zhang, B. Zheng, D. Tong, Y. Lei, et al., 2019: Persistent growth of anthropogenic non-methane volatile organic compound (NMVOC) emissions in China during 1990–2017: drivers, speciation and ozone formation potential. Atmospheric Chemistry and Physics, 19:8897–8913, doi.10.5194/acp-19-8897-2019.
Lyu, X., H. Guo, I.J. Simpson, S. Meinardi, P.K.K. Louie, et al., 2016: Effectiveness of replacing catalytic converters in LPG-fueled vehicles in Hong Kong. Atmospheric Chemistry and Physics, 16:6609–6626, doi: 10.5194/acp-16-6609-2016.
Lyu, X.P., L.W. Zeng, H. Guo, I.J. Simpson, Z.H. Ling, et al., 2017: Evaluation of the effectiveness of air pollution control measures in Hong Kong. Environmental Pollution, 220:87–94, doi.10.1016/j.envpol.2016.09.025.
McDonald, B.C., J.A. de Gouw, J.B. Gilman, S.H. Jathar, A. Akherati, et al., 2018: Volatile chemical products emerging as largest petrochemical source of urban organic emissions. Science, 359:760–764, doi: 10.1126/science.aaq0524.
Parrish, D.D., J. Xu, B. Croes and M. Shao, 2016: Air quality improvement in Los Angeles—perspectives for developing cities. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 10(5):11, doi:10.1007/s11783-016-0859-5.
Simpson, I.J., O.S. Aburizaiza, A. Siddique, B. Barletta, N. J. Blake, et al., 2014: Air quality in Mecca and surrounding holy places in Saudi Arabia during Hajj: initial survey. Environmental Science & Technology, 48:8529–8539, doi.10.1021/es5017476.
Von Scheindemsser, E., P.S. Monks and C. Plass-Duelmer, 2010: Global comparison of VOC and CO observations in urban areas. Atmospheric Environment, 44:5053–5064.
Warneke, C., J.A. de Gouw, J.S. Holloway, J. Peischl, T.B. Ryerson, et al., 2012: Multiyear trends in volatile organic compounds in Los Angeles, California: five decades of decreasing emissions. Journal of Geophysical Research, 117:D00V17, doi:10.1029/2012JD017899.
World Health Organization, 2013: Health Effects of Particulate Matter: Policy Implications for Countries in Eastern Europe, Caucasus and Central Asia. Copenhagen.
———, 2016: Ambient Air Pollution: A Global Assessment of Exposure and Burden of Disease. Geneva.
———, 2019: Air pollution, https://www.who.int/airpollution/en/.
World Meteorological Organization, 2018: WMO Reactive Gases Bulletin. No 2: Highlights from the Global Atmospheric Watch Programme. Geneva.
Zhao, Y., R. Saleh, G. Saliba, A. A. Presto, T. D. Gordon, et al., 2017: Reducing secondary organic aerosol formation from gasoline vehicle exhaust. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(27):6984–6989, doi:10.1073/pnas.162901114.
Ссылки на деятельность ВМО в области качества воздуха в городах и летучих органических соединений
Helmig, D., S. Rossabi, J. Hueber, P. Tans, S. A. Montzka, et al., 2016: Reversal of global atmospheric ethane and propane trends largely due to US oil and natural gas production, Nature Geoscience, doi:10.1038/NGEO2721.
Simpson, I.J., M.P.S. Andersen, S. Meinardi, L. Bruhwiler, N.J. Blake, et al., 2012: Long-term decline of global atmospheric ethane concentrations and implications for methane. Nature, 488(7412):490–494, doi: 10.1038/nature11342.
Tørseth, K., W. Aas, K. Breivik, A.M. Fjæraa, M. Fiebig, et al., 2012: Introduction to the European Monitoring and Evaluation Programme (EMEP) and observed atmospheric composition change during 1972–2009. Atmospheric Chemistry and Physics, 12(12):5447–5481, doi: 10.5194/acp-12-5447-2012.
Schultz, M.G., H. Akimoto, J. Bottenheim4, B. Buchmann, I. E. Galbally, S. Gilge, D. Helmig, H. Koide, A. C. Lewis, P. C. Novelli, C. Plass-Dülmer, T. B. Ryerson, M. Steinbacher, R. Steinbrecher, O. Tarasova, K. Tørseth, V. Thouret, C. Zellweger, 2015: The Global Atmosphere Watch reactive gases measurement network. Elementa, 3: 000067, doi: 10.12952/journal.elementa.000067