Информационный метод определения неравномерности концентрации приземного озона в зоне аэропорта

DOI:

Введение. Известно, что приземный озон (О₃) считается вторичным загрязнителем, фотохимическим оксидантом и основным компонентом смога. Озон способен серьезно повредить дыхательные пути человека, поразить легкие. Из-за фитотоксичности О₃ высокая концентрация озона отрицательно влияет на растительность. Поверхностный озон, концентрация которого свыше 40 ppbv, может повредить урожайные поля, уменьшить способность лесов поглощать карбон [5; 13].

Основными прекурсорами поверхностного озона являются летучие органические соединения (VOC), окись азота (NOx). Как указывает N. Banan [13], измерения концентра- ции приземного озона в станциях мониторинга осуществлялись анализатором типа “Teledyne Ozone Analyzer Model 400 A UV Absorption”, работающего на основе закона Бугера – Бера. На рисунке 1 показаны графики дневного изменения концентраций O3, NO2 и NO, построенные на базе данных измерений, проведенных в городе Путроджая, Малайзия [13].

Как видно из приведенных на рисунке 1 графиков, между концентрациями поверхностного озона и NO _x имеется достаточно сильная отрицательная корреляция.

На рисунке 2 приведена скатерограмма между концентрациями O3 и NO, измеренными на станции Джерантут, Малайзия.

Рис. 1. Дневные изменения концентраций приземного озона, NO и NO2 [1]

NO (ppbv)

Рис. 2. Скатерограмма между измеренными величинами концентрации O3 и NO [1]

Известно, что скорость генерации поверхностного озона увеличивается при низких концентрациях NO _x вплоть до максимальной величины, и далее увеличение NO _x приводит к удалению радикалов OH из-за их реакции с NO₂, способствуя снижению скорости фотохимического формирования O₃ [1; 8; 11; 14].

Приземный озон подвержен сильным сезонным, эпизодическим и дневным изменениям [3; 4; 10].

Согласно экспериментальным исследованиям, проведенным с помощью радиометра PMA 2200, предназначенного для измерения интенсивности UVB радиации (280– 315 нм), а также анализатора ML 9811, осуществляющего измерение концентрации озона в диапазоне (0–2000 мкг/м3), было обнаружено наличие значительной положительной корреляции между интенсивностью UVB радиации и концентрацией приземного озона при коэффициенте корреляции равной 0,52.

Между концентрациями O₃ и NO имеется логарифмическая взаимосвязь [2; 6; 9; 12]. В то же время между концентрациями O₃ и NO₂ существует типичная линейная зависимость. Между концентрациями NO и NO _x была обнаружена связь в виде степенной функции, а также найдена сильная линейная взаимосвязь между концентрацией O₃ и отноше-

X NO2 .

нием концентраций I no I [17].

Согласно Т.С. Селегей [12], высокая степень эмиссии NO из автомобильного транспорта приводит к низкой концентрации приземного озона вдоль магистралей. Аналогичная закономерность имеет место применительно к интенсивно используемой взлетной полосы аэропортов [7; 17]. В то же время существует многомерная регрессионная зависимость между концентрацией поверхностного озона и всеми факторами, наступающими в качестве прекурсора генерации O3 [7; 15; 16; 18; 19]. Общеизвестно, что линейная регрессионная модель является аппроксимацией первого порядка нелинейной зависимости, что позволяет выработать новые методы измерения пространственной вариации концентрации приземного озона на базе общих свойств линейных и нелинейных моделей.

Цель исследований. Целью исследований в настоящей статье является разра- ботка метода определения степени пространственной вариации приземного озона между центральным, нетранспортным участком аэропорта, характеризующимся повышенной концентрацией O3, и взлетной полосой, характеризующейся минимальной концентрацией O3.

Предлагаемый метод. Как было отмечено выше, между концентрацией приземного озона C_O и показателями факторов – прекурсоров генерации О₃ – существует линейная регрессионная связь в виде:

С оз = a , F_x + а 2 F 2 +... + а „ F „ , (1)

где F i ,i = (1, n ) - i -й фактор - прекурсор О_з; а i , i = (1, n ) - коэффициенты регрессии.

Приняв F ₁ = C_NO, запишем уравнение (1) для двух сравниваемых пространственных точек (точка, взятая вдоль взлетной полосы, и точка, находящаяся вне зоны влияния взлетной полосы). Имеем:

С оз,1 = а F' + а 2 F 2 +... + а . F „ , (2)

С оз,2 = а 1 F 1max + а 2 F 2 +... + а , Е „ . (3)

При этом считаем, что значения факторов F i , i = (2, n ) не изменяются. Из выражений (2) и (3) получим

АС оз = С оз,2 — С озД = а > ( F max — F 1min ). (4)

Таким образом, для выбранных двух характерных точек приращение АС_о может быть оценено по величине приращения прекурсора F 1 при неизменности F i , i = (2, n ) .

Вышеуказанное заключение в первом приближении верно и для нелинейных моделей зависимости C O = ф ( F 1 ) , так как линейные регрессионные модели являются линейным приближением нелинейных регрессионных моделей.

В качестве нелинейной модели регрессионной зависимости и CNO воспользуемся следующим выражением [7]:

С оз =- a In(C No ) + b , (5)

где a = 11,072; b = 95,163.

Запишем выражение (5) для двух рассматриваемых точек проведения измерений. Имеем

Соз,тах =-a ln(CNo,mm) + Ь,(6)

C03,min =— a ln(CNo,max) + Ь .(7)

Из выражений (6) и (7) получим

AC03 = Созтах — Созтт = a ( C.„

^{- a}                 a           ^N0,^max . (8)

^ln(CNO,min ) ^{+ ln(C}NO,max )     ^ln l ~ I

V ^CNO,min )

Из выражения (8) получим

( ^

C NO,max

C      + a ■ ln|            I

O₃ max O₃ min                          .

V ^CNO,min )

Таким образом, согласно предлагаемому методу, для вычисления специфического приращения концентрации O₃ между двумя выбранными характерными точками измерений следует воспользоваться выражением (8). При этом значение C_{O ,max} может быть вычислено по формуле (9) и по результатам измерений C O₃,min ,C NO,max и C NO,min .

Модельные исследования. Рассмотрим модельный случай проведения измерений A C O₃ i между несколькими точками B i вне взлетной полосы с соответствующими точками A_i вдоль полосы (рис. 3).

Рис. 3. Модель измерения между несколькими точками Bi вне взлетной полосы с соответствующими точками Ai вдоль полосы

В соответствии с формулой (8) суммарное значение измеренных величин AC O i , i = (1, n )

определим как

^{A C}O₃,S

n

^ ^{A C}O3, .

i =1 ________________

a

= n ■ ln| C V c

NO,max

NO,min

Однако правая часть выражения (10) определяется с точностью некоторого постоянного множителя d количество информации при проведении n измерений концентрации NO. Следовательно, формула (10) приобретает вид:

_ d ■ M (C_No)

^{A C}O3, ep =       n

.

Таким образом, согласно результату проведенного модельного исследования, усредненная величина разности концентрации поверхности озона в рассматриваемой ситуации пропорциональна величине количества информации, извлекаемого при проведении измерений C_NO,max и C_NO,min в соответствующих точках измерений.

Заключение. Наличие сильной отрицательной корреляции между концентрацией поверхностного озона и его основным прекурсором, каковым является NO, позволяет выработать новый метод измерения приращения концентрации поверхностного озона в различных точках зоны аэропорта вне взлетной полосы относительно интенсивно используемой взлетной полосы. Показано, что усредненная величина таких приращений может быть определена в качестве общего количества информации, вырабатываемого при проведении измерений концентраций NO в сравниваемых точках территории аэропорта.