Том 36, номер 06, статья № 7

Аннотация:

Результаты экспериментального определения плотности частиц приземного аэрозоля различного состава и размера публиковались на протяжении многих лет. Предложены алгоритм и параметры численной оценки массовой концентрации субмикронного и микронного городского аэрозоля, в основе которых лежат обобщенные литературные данные о плотности частиц приземного аэрозоля, а также результаты наших натурных наблюдений за микрофизическими характеристиками и составом приземного аэрозоля в Москве. С применением этого алгоритма и экспериментальных данных о распределении числа аэрозольных частиц по размерам в диапазоне диаметров 0,3–10 мкм, полученных в ходе регулярных наблюдений в Институте физики атмосферы им. А.М. Обухова в Москве в 2020–2022 гг., была рассчитана массовая концентрация различных фракций приземного аэрозоля.
Сравнительный анализ результатов такой оценки и данных измерений массовой концентрации аэрозольных частиц с использованием портативного аэрозольного спектрометра GRIMM 1.108 за последние два года показал хорошее соответствие между рассчитанными и измеренными значениями. Выбраны значения плотности для четырех диапазонов размеров аэрозольных частиц для корректной численной оценки массовой концентрации фракций РМ_2.5 и РМ₁₀ городского аэрозоля.

Ключевые слова:

Москва, приземный аэрозоль, плотность, распределение числа частиц по размерам, счетная концентрация, массовая концентрация, элементный состав, морфологическая структура, алгоритм численной оценки

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Seinfeld J.H., Pandis S.N. Atmospheric Chemistry and Physics: From Air Pollution to Climate Change. 2nd еd. New York: Wiley, USA, 2006. 1232 p.
2. Кондратьев К.Я., Ивлев Л.С., Крапивин В.Ф. Атмо­сферные аэрозоли: Свойства, процессы образования и воздействия. От нано- до глобальных масштабов. СПб.: ВВМ, 2007. 858 с.
3. Глобальные рекомендации ВОЗ по качеству воздуха: касающиеся твердых частиц (PM_2,5 и PM₁₀), озона, двуокиси азота, двуокиси серы и окиси углерода. Резюме [WHO global air quality guidelines: Particulate matter (PM_2.5 and PM₁₀), ozone, nitrogen dioxide, sulfur dioxide and carbon monoxide. Executive summary]. Женева: Всемирная организация здравоохранения; 2021. Лицензия: CC BY-NC-SA 3.0 IGO. URL: https: //apps.who.int/iris/bitstream/handle/10665/345334/9789240035409-rus.pdf?sequence=9 (дата обращения: 7.02.2023).
4. Air quality standards. URL: https://www.eea.europa.eu/themes/air/air-quality-concentrations/air-quality-standards (дата обращения: 7.02.2023).
5. СанПиН 1.2.3685-21. Гигиенические нормативы и тре­бования к обеспечению безопасности и (или) безвред­ности для человека факторов среды обитания. Утв. Постановлением Главного государственного санитар­ного врача РФ от 28.01.2021 г. № 2. URL: https:// docs.cntd.ru/document/573500115 (дата обращения: 3.02.2023).
6. Morawska L., Johnson G., Ristovski Z., Agra­novski V. Relation between particle mass and number for submicrometer airborne particles // Atmos. Environ. 1999. V. 33. P. 1983–1990. DOI: 10.1016/S1352-2310(98)00433-6.
7. Губанова Д.П., Виноградова А.А., Скороход А.И., Иорданский М.А. Аномальное аэрозольное загряз­нение воздуха в Москве вблизи локального антропо­генного источника в июле 2021 года // Гидрометеорологические исследования и прогнозы. 2021. № 4 (382). С. 134–148. DOI: 10.37162/2618-9631-2021-4-134-148.
8. Tang I.N., Munkelwitz H.R. Water activities, densities, and refractive-indexes of aqueous sulphates and sodium-nitrate droplets of atmospheric importance // J. Geophys. Res. 1994. V. 99. P. 18801–18808.
9. Baron P.A., Willeke K. Gas and particle motion, in: Aerosol Measurement: Principles, Techniques, and Applications / P.A. Baron, K. Willeke (eds.). New York: Wiley, 2001. P. 61–97.
10. Sarangi B., Aggarwal S.G., Sinha D., Gupta P.K. Aerosol effective density measurement using scanning mobility particle sizer and quartz crystal microbalance with the estimation of involved uncertainty // Atmos. Meas. Tech. 2016. V. 9. P. 859–875. DOI: 10.5194/ amt-9-859-2016.
11. DeCarlo P.F., Slowik J.G., Worsnop D.R., Davidovits P., Jimenez J.L. Particle morphology and density characterization by combined mobility and aerodynamic diameter measurements. Part 1: Theory // Aerosol. Sci. Technol. 2004. V. 38, N 12. P. 1185–1205. DOI: 10.1080/027868290903907.
12. Pitz M., Schmid O., Heinrich J., Birmili W., Maguhn J., Zimmermann R., Wichmann H.-E., Peters A., Cyrys J. Seasonal and diurnal variation of PM_2.5 apparent particle density in urban air in Augsburg, Germany // Environ. Sci. Technol. 2008. V. 42, N 14. P. 5087–5093. DOI: 10.1021/es7028735.
13. Pitz M., Cyrys J., Karg E., Wiedensohler A., Wich­mann H.-E., Heinrich J. Variability of apparent particle density of an urban aerosol // Environ. Sci. Technol. 2003. V. 37, N 19. P. 4336–42. DOI: 10.1021/ es034322p.
14. Hänel G. The real part of the mean complex refractive index and the mean density of samples of atmospheric aerosol particles // Tellus. 1968. V. 20, N 3. P. 371–379. DOI: 10.3402/tellusa.v20i3.10016.
15. Hänel G. The properties of atmospheric aerosol particles as functions of the relative humidity at thermodynamic equilibrium with the surrounding moist air // Adv. Geophys. 1976. P. 73–188. DOI: 10.1016/ s0065-2687(08)60142-9.
16. Hänel G., Thudium J. Mean bulk densities of samples of dry atmospheric aerosol particles: A summary of measured data // Pure Appl. Geophys. PAGEOPH. 1977. V. 115, N 4. P. 799–803. DOI: 10.1007/bf00881211.
17. Thudium J. A gas pycnometer (microliter) for determining the mean density of atmospheric aerosol particles // J. Aerosol Sci. 1976. V. 7, N 2. P. 167–173. DOI: 10.1016/ 0021-8502(76)90072-0.
18. Schleicher B., Künzel S., Burtscher H. In situ measurement of size and density of submicron aerosol particles // J. Appl. Phys. 1995. V. 78. P. 4416. DOI: 10.1063/1.359849.
19. McMurry P.H., Wang X., Park K., Ehara K. The relationship between mass and mobility for atmospheric particles: A new technique for measuring particle density // Aerosol. Sci. Technol. 2002. V. 36, N 2. P. 227–238. DOI: 10.1080/027868202753504083.
20. Ehara K., Shin S. Measurement of density distribution of aerosol particles by successive classification of particles according to their mass and diameter // J. Aerosol. Sci. 1998. V. 29, N 1. P. 19–20.
21. Emets E.P., Kascheev V.A., Poluektov P.P. A new technique for the determination of the density of airborne particulate matter // J. Aerosol. Sci. 1992. V. 23, N 1. P. 27–35.
22. Hu M., Peng J., Sun K., Yue D., Guo S., Wiedensohler A., Wu Z. Estimation of size-resolved ambient particle density based on the measurement of aerosol number, mass, and chemical size distributions in the winter in Beijing // Environ. Sci. Technol. 2012. V. 46. P. 9941–9947.
23. Geller M., Biswas S., Sioutas C. Determination of particle effective density in urban environments with a differential mobility analyzer and aerosol particle mass analyzer // Aerosol. Sci. Technol. 2006. V. 40, N 9. P. 709–723. DOI: 10.1080/02786820600803925.
24. Charvet A., Bau S., Paez Coy N.E., Bémer D., Thomas D. Characterizing the effective density and primary particle diameter of airborne nanoparticles produced by spark discharge using mobility and mass measurements (tandem DMA/APM) // J. Nanopart. Res. 2014. V. 16. P. 2418. DOI: 10.1007/s11051-014-2418-y.
25. Yin Z., Ye X., Jiang S., Tao Y., Shi Y., Yang X., Chen J. Size-resolved effective density of urban aerosols in Shanghai // Atmos. Environ. 2015. V. 100. P. 133–140. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2014.10.055.
26. Khlystov A., Stanier C., Pandis S.N. An algorithm for combining electrical mobility and aerodynamic size distributions data when measuring ambient aerosol // Aerosol. Sci. Technol. 2004. V. 38:S1. P. 229–238. DOI: 10.1080/02786820390229543.
27. Kassianov E., Barnard J., Pekour M., Berg L.K., Shilling J., Flynn C., Mei F., Jefferson A. Simultaneous retrieval of effective refractive index and density from size distribution and light-scattering data: Weakly absorbing aerosol // Atmos. Meas. Tech. 2014. V. 7. P. 3247–3261. DOI: 10.5194/amt-7-3247-2014.
28. Spencer M.T., Shields L.G., Prather K.A. Simultaneous measurement of the effective density and chemical composition of ambient aerosol particles // Environ. Sci. Technol. 2007. V. 41, N 4. P. 1303–1309. DOI: 10.1021/es061425+.
29. Zhao S., Yu Y., Yin D., He J. Effective density of submicron aerosol particles in a typical valley city, Western China // Aerosol. Air Qual. Res. 2017. V. 17. P. 1–13. DOI: 10.4209/aaqr.2015.11.0641.
30. Cabada J.C., Rees S., Takahama S., Khlystov A., Pandis S.N., Davidson C.I., Robinson A.L. Mass size distributions and size resolved chemical composition of fine particulate matter at the Pittsburgh supersite // Atmos. Environ. 2004. V. 38. P. 3127–3141. DOI: 10.1016/j. atmosenv.2004.03.004.
31. Maricq M.M., Xu N. The effective density and fractal dimension of soot particles from premixed flames and motor vehicle exhaust // J. Aerosol Sci. 2004. V. 35, N 10. P. 1251–1274. DOI: 10.1016/j.jaerosci.2004.05.00.
32. Bau S., Bémer D., Grippari F., Appert-Collin J.-C., Thomas D. Determining the effective density of airborne nanoparticles using multiple charging correction in a tandem DMA/ELPI setup // J. Nanopart. Res. 2014. V. 16, N 10. DOI: 10.1007/s11051-014-2629-2.
33. Ristimäki J., Virtanen A., Marjamäki M., Rostedt A., Keskinen J. On-line measurement of size distribution and effective density of submicron aerosol particles // J. Aerosol Sci. 2002. V. 33, N 11. P. 1541–1557. DOI: 10.1016/s0021-8502(02)00106-4.
34. Virtanen A., Ristimäki J., Keskinen J. Method for Measuring Effective Density and Fractal Dimension of Aerosol Agglomerates // Aerosol Sci. Technol. 2004. V. 38, N 5. P. 437–446. DOI: 10.1080/02786820490445155.
35. Hand J.L., Kreidenweis S.M. A New Method for Retrieving Particle Refractive Index and Effective Density from Aerosol Size Distribution Data // Aerosol. Sci. Technol. 2002. V. 36, N 10. P. 1012–1026. DOI: 10.1080/02786820290092276.
36. Karg E. The density of ambient particles from combined DMA and APS data // J. Aerosol Sci. 2000. V. 31. P. 759–760. DOI: 10.1016/s0021-8502(00)90769-9.
37. Kannosto J., Virtanen A., Lemmetty M., Mäkelä J.M., Keskinen J., Junninen H., Hussein T., Aalto P., Kulmala M. Mode resolved density of atmospheric aerosol particles // Atmos. Chem. Phys. 2008. V. 8. P. 5327–5337. DOI: 10.5194/acp-8-5327-2008.
38. Li Z., Wei Y., Zhang Y. Xie Y., Li L., Li K., Ma Y., Sun X., Zhao W., Gu X. Retrieval of atmospheric fine particulate density based on merging particle size distribution measurements: Multi-instrument observation and quality control at Shouxian // J. Geophys. Res.: Atmospheres. 2018. V. 123, N 12. P. 474–12,488. DOI: 10.1029/2018JD028956.
39. Sumlin B.J., Oxford C.R., Seo B., Pattison R.R., Williams B.J., Chakrabarty R.K. Density and homogeneous internal composition of primary brown carbon aerosol // Environ. Sci. Technol. 2018. V. 52, N 7. P. 3982–3989. DOI: 10.1021/acs.est.8b00093.
40. Olfert J.S., Symonds J.P.R., Collings N. The effective density and fractal dimension of particles emitted from a light-duty diesel vehicle with a diesel oxidation catalyst // J. Aerosol. Sci. 2007. V. 38, N 1. P. 69–82. DOI: 10.1016/j.jaerosci.2006.10.00.
41. Rissler J., Nordin E.Z., Eriksson A.C., Nilsson P.T., Frosch M., Sporre M.K., Wierzbicka A., Svenningsson B., Löndahl J., Messing M.E., Sjogren S., Hemmingsen J.G., Loft S., Pagels J.H., Swietlicki E. Effective density and mixing state of aerosol particles in a near-traffic urban environment // Environ. Sci. Technol. 2014. V. 48, N 11. P. 6300–6308. DOI: 10.1021/es5000353.
42. Stein S.W., Turpin B.J., Cai X., Huang P.-F., Mcmurry P.H. Measurements of relative humidity-dependent bounce and density for atmospheric particles using the DMA-impactor technique // Atmos. Environ. 1994. V. 28, N 10. P. 1739–1746. DOI: 10.1016/1352-2310(94)90136-8.
43. Malloy Q.G.J., Nakao S., Qi L., Austin R., Stothers C., Hagino H., Cocker D.R. Real-time aerosol density determination utilizing a modified scanning mobility particle sizer – aerosol particle mass analyzer system // Aerosol. Sci. Technol. 2009. V. 43, N 7. P. 673–678. DOI: 10.1080/02786820902832960/.
44. Joshi P.V. Density of atmospheric aerosol particles // Atmospheric Aerosols and Nucleation / P.E. Wagner, G. Vali (eds). Lecture Notes in Physics. Berlin, Heidelberg: Springer, 1988. N 309. DOI: 10.1007/3-540-50108-8_1034.
45. Park K., Cao F., Kittelson D.B., McMurry P.H. Relationship between particle mass and mobility for diesel exhaust particles // Environ. Sci. Technol. 2003. V. 37. P. 577–583.
46. Кудряшов В.И. Анализ элементного состава атмосферных аэрозолей физическими методами // Межвузовский сб. Проблемы физики атмосферы. Вып. 20. Физика и химия атмосферных аэрозолей. СПб.: Изд-во СПбГУ, 1997. С. 97–130.
47. Карандашев В.К., Туранов А.Н., Орлова Т.А., Лежнев А.Е., Носенко С.В., Золотарева Н.И., Москвина И.Р. Использование метода масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой в элементном анализе объектов окружающей среды // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2007. Т. 73, № 1. С. 12–22.
48. Эрхардт Х. Рентгенофлуоресцентный анализ. Применение в заводских лабораториях. М.: Металлургия, 1985. 256 с.
49. Kang E., Park I., Lee Y.J., Lee M. Characterization of atmospheric particles in Seoul, Korea using SEM-EDX // J. Nanosci. Nanotechnol. 2012. N 7. P. 6016–6021. DOI: 10.1166/jnn.2012.6394.
50. Sielicki P., Janik H., Guzman A., Namieśnik J. The progress in electron microscopy studies of particulate matters to be used as a standard monitoring method for air // Crit. Rev. Anal. Chem. 2011. V. 41. P. 314–334. DOI: 10.1080/10408347.2011.607076.
51. Губанова Д.П., Виноградова А.А., Иорданский М.А., Скороход А.И. Временные вариации состава атмосферного аэрозоля в Москве весной 2020 года // Изв. РАН. Физ. атмосф. и океана. 2021. Т. 57, № 3. С. 334–348. DOI: 10.31857/s0002351521030056.
52. Виноградова А.А., Губанова Д.П., Иорданский М.А., Скороход А.И. Влияние метеорологических условий и дальнего переноса воздушных масс на состав приземного аэрозоля в Москве в зимние сезоны // Оптика атмосф. и океана. 2022. Т. 35, № 6. С. 436–446; Vinogradova A.A., Gubanova D.P., Iordanskii M.A., Skorokhod A.I. Effect of meteorological conditions and long-range air mass transport on surface aerosol composition in winter Moscow // Atmos. Ocean. Opt. 2022. V. 35, N 6. P. 758–768.
53. Gubanova D.P., Vinogradova A.A., Iordanskii M.A., Skorokhod A.I. Variability of near-surface aerosol composition in Moscow in 2020–2021: Episodes of extreme air pollution of different genesis // Atmosphere. 2022. V. 13, N 4. P. 574–599. DOI: 10.3390/atmos13040574.
54. Расписание погоды. URL: http://rp5.ru.
55. Windy.com. URL: http://www.windy.com/ru.
56. WeatherArchive. URL: https://weatherarchive.ru/ Pogoda/ Moscow.
57. Stein A.F., Draxler R.R., Rolph G.D., Stunder B.J.B., Cohen M.D., Ngan F. NOAA's HYSPLIT atmospheric transport and dispersion modeling system // Bull. Am. Meteor. Soc. 2015. V. 96. P. 2059–2077. DOI: 10.1175/BAMS-D-14-00110.1.
58. NOAA Air Resources Laboratory. URL: www.arl. noaa.gov.
59. Ebert M., Weinbruch S., Hoffmann P., Ortner H.M. The chemical composition and complex refractive index of rural and urban influenced aerosols determined by individual particle analysis // Atm. Environ. 2004. V. 38(38). P. 6531–6545. DOI: 10.1016/j.atmosenv. 2004.08.048.
60. Gubanova D.P., Vinogradova A.A., Sadovskaya N.V. Brochosomes and other bioaerosols in the surface layer of the atmosphere of Moscow metropolis // Atmosphere. 2023. V. 14, N 3. P. 504. DOI: 10.3390/atmos14030504.
61. Xu G., Shi X. Characteristics and applications of fly ash as a sustainable construction material: A state-of-the-art review // Resources, Conservation and Recycling. 2018. V. 136. P. 95–109. DOI: 10.1016/j.resconrec. 2018.04.010.
62. Плотность грунта. URL: http://thermalinfo.ru/ svojstva-materialov/mineraly/plotnost-grunta.
63. Таблица насыпной плотности материалов. URL: https: //www.center-pss.ru/st/st183.htm.
64. Peters T.M., Ott D., O’Shaughnessy P.T. Comparison of the Grimm 1.108 and 1.109 portable aerosol spectrometer to the TSI 3321 aerodynamic particle sizer for dry particles // Ann. Occup. Hyg. 2006. V. 50, N 8. P. 843–850. DOI: 10.1093/annhyg/mel067.