Смог за пределами Бишкека: Географическое распределение смога и определение зон риска в Чуйской долине

2024

Аналитическое исследование Талгата Джумашева

С наступлением отопительного сезона показатели индекса качества воздуха в Бишкеке последние несколько лет достигают антирекордных значений. Около 98% датчиков качества воздуха в Чуйской долине расположены в Бишкеке или в непосредственной близости от нее. Неудивительно, что внимание граждан страны обращены на проблемы воздуха в столице, так же как и статьи в СМИ и исследования по смогу в основном также посвящены Бишкеку. При этом десятки населенных пунктов, которые также как и Бишкек, расположены ниже уровня температурной инверсии — главного метеорологического фактора образования смога — остаются в слепой зоне. 

Данное исследование направлено на изучение географии распределения смога по всей Чуйской долине, для  того, чтобы привлечь внимание к другим населенным пунктам Чуйской долины, которые часто остаются «невидимыми» для широкого слоя населения и для исследователей. Там проживают тысячи кыргызстанцев, которые также живут в зоне риска. По данным ВОЗ, смог способствует возникновению и обострению респираторных заболеваний, сердечно-сосудистых заболеваний и развитию рака (ВОЗ, 2019). 

Смог (англ. smog ← smoke «дым» + fog «туман») — чрезмерное загрязнение воздуха вредными веществами, выделенными в результате работы промышленных производств, транспортом и теплопроизводящими установками при определённых погодных условиях. [wikipedia].

Повышенная концентрация вредных веществ в воздухе может значительно повредить здоровье людей, долго находящихся в такой среде. Микрочастицы в смоге могут негативно влияют не только на здоровье людей, но также и на воду и почву и на природу в целом.

Смог, повышенное содержание вредных веществ в воздухе, достигает особо высоких показателей, в дни когда образовывается температурная инверсия.

Температурная инверсия – (от лат. inversio — перестановка), повышение температуры воздуха с высотой в некотором слое атмосферы, вместо обычного её убывания. В тропосфере (самом нижнем слое атмосферы) с увеличением высоты обычно температура воздуха падает, но порой встречаются слои, где температура воздуха с высотой не меняется или даже начинает повышаться. Такие слои называются соответственно изотермическими и инверсионными. Это явление блокирует движение воздуха вверх, и холодный воздух на нижнем слое не может подняться выше уровня температурной инверсии. Соответственно, все загрязнители воздуха продолжают накапливаться у поверхности. 

Обеспокоенность вызывает, что количество дней с температурной инверсией в Чуйской области с 2015 по 2020 год удвоилось. Возросшая частота дней с температурной инверсией связывается с глобальными изменениями климата (Е. Исаев, Б. Аджикеев 2022). Как следствие, могут увеличиться дни с сильным смогом. Это может свидетельствовать о тревожной тенденции, и подчеркивает необходимость принятия шагов для минимизации негативных последствий смога. 

Это исследование сфокусировано на определении средней высоты инверсионного слоя, для определения территорий, который имеют высокие риски образования смога в Чуйской долине

Методология исследования

Обычно факт наличия температурной инверсии фиксируется метеостанциями, расположенными на низине и на возвышенности. Если показатели температуры воздуха станции на возвышенности выше, чем данные со станции на низине — это говорит о наличии температурной инверсии.

Однако такие замеры, не смотря на все преимущества, имеют ряд недостатков. Всего в Чуйской долине установлены 6 стационарных станций 4 из них расположены ниже 800 метров, один на высоте более 1500 метров, один на высоте более 2000 метров над уровнем моря. Так как станции стационарные, им невозможно измерить на какой именно высоте расположен инверсионный слой. К тому же имеются ограничения к получению полной и доступной информации с метеостанций

Поэтому в данное исследование использует альтернативный метод измерения более точной информации о высоте инверсионного слоя. В рамках исследования были использованы инструменты дистанционного зондирования земли: беспилотный летательный аппарат, или дрон; спутниковые снимки и цифровые модели рельефа. Также произведен обзор видеоматериалов о смоге в сети интернет и использована геоинформационная система для обработки данных. 

1. Определение высоты инверсионного слоя производились дроном DJI Mavik mini 2. Дрон имеет измеритель высоты — альтиметр и имеет достаточно качественную фото-, видеокамеру. В дни с неблагоприятными показателями индекса качества воздуха, запускался дрон до высоты температурной инверсии. Затем делались фото и видео фиксация. Границы инверсионного слоя визуально четко прослеживаются с камеры дрона. Показатели альтиметра дрона складываются с высотой места запуска, тем самым определяется высота инверсионного слоя.

2. Для определения высоты инверсионного слоя в предыдущие периоды, были просмотрены видео с 2019 года по теме смога. В этом случае высшая точка температурной инверсии определялась относительно гор, и других объектов, например — труб ТЭЦ Бишкек. 

3. В дополнение были изучены спутниковые снимки, глобальная цифровая модель местности, автоматически распознанные со спутниковых снимков здания. Эти источники данных позволили определить топографию долины и визуализировать ее рельеф, и определить размеры населенных пунктов и получить представление о погодных условиях в определенные дни.

4. Полученные данные обрабатывались в геоинформационной системе Quantum GIS (QGIS)

Результаты замеров: 

Замеры с дрона производились 8 раз в за отопительный сезон 2023-24 года. Замеры производились в нескольких локациях, в столице, в близлежащих городах и селах. Показатели подтверждают, что высота инверсионного слоя равномерно расположена практически над всей территорией Чуйской долины. Разница локально может составлять ±50 метров

Замеры с дрона показали следующую картину 

№	Дата	Локация	Высота, м
1	21.12.23	Бишкек	1100
2	22.12.23	Бишкек	1000
3	16.01.24	Бишкек	1200
4	17.01.24	Бишкек	1100
5	18.01.24	Сокулук	750
6	18.01.24	Бишкек	800
7	18.01.24	Александровка	750
8	18.01.24	Беловодск	800
9	15.03.24	Бишкек	1400
10	15.03.24	Кант	1350
11	15.03.24	Токмок	1350
Средний уровень высоты инверсионного слоя по данным города Бишкек, м			1100

По результатам замеров, средняя высота инверсионного слоя составила 1100 метров. Два замера показали наибольшее отклонение от средних значений — 750-800 метров 18 января,  1350-1400 метров 15 марта 2024 года

Для обзора исторических видеоматериалов по смогу был произведен поиск по ключевым словам “Токмок”, “Кара-Балта”, “Бишкек”, “Сокулук”, “Кант” + “Смог”. По результатам поиска были отобраны видеоматериалы, где фиксируется инверсионный слой, а также ориентиры по которым можно определить высоту инверсии. Критериям поиска соответстовали в основном видео снятые на дрон. Все найденные материалы были размещены на видеохостинге YouTube и касались только города Бишкек. Данные обзора исторических видеоматериалов приведены в таблице ниже:

№	Дата:	Локация	Высота	Источник	Автор
1	17.12.2019	Бишкек	1000	https://www.youtube.com/watch?v=aqliqg4EcuM	Kaktus Media
2	01.12.2020	Бишкек	1040	https://www.youtube.com/watch?v=QVlwgIXckVE	MAKS Tour
3	15.12.2020	Бишкек	1250	https://www.youtube.com/watch?v=i3U-4oaxOU0	АКИpress news
4	05.11.2021	Бишкек	1050	https://www.youtube.com/watch?v=3V0Yelu1k9k	Kaktus Media
5	8.11.2021	Бишкек	1100	https://www.youtube.com/watch?v=mp4OjuP2ZyQ	AKIpress news
6	18.11.2022	Бишкек	1200	https://www.youtube.com/watch?v=f2cjjQTQHeA	Kaktus Media
7	12.12.2022	Бишкек	1000	https://www.youtube.com/watch?v=IKUx_8ySepI	Kaktus Media
8	14.12.2022	Бишкек	1200	https://www.youtube.com/watch?v=UTiGLKwCmO4	24KG
Средний уровень высоты инверсионного слоя по данным города Бишкек, м			1105

Средняя высота инверсионного слоя из 8 найденных в сети материалов составила 1105 метров над уровнем моря.

Как видно из полученных данных, высота инверсионного слоя над городом Бишкек в среднем составляет 1100 метров над уровнем моря. Это подтверждается наблюдениями Павла Исаенко, который пишет “…при движении от Бишкека к югу в сторону Аламединского ущелья смог заканчивался в селе Беш-Кюнгей…” и “…В конце объездной дороги началось заметное снижение загрязнения, а к Кемину оно впервые достигло безопасных значений, дальше продолжало падать” И Беш-Кунгей и Кемин находятся немного выше 1100 метров. Как видно, при высоте температурной инверсии в 1100 метров, качество воздуха в населенных пунктах выше этой отметки обычно остается безопасным.

Инверсионный слой равномерно распределяется над обширными территориями. Например на снимке от 15 марта видно, как практически ровным слоем смог навис над Бишкеком до города Токмок и далее. На спутниковом снимке от 30 декабря 2023 года, когда высота инверсионного слоя составила 1400 метров, видно что облака над долиной ровно пролегают под этой высотой, находясь под слоем теплых воздушных масс.

Это означает, что если в городе Бишкек смог, то высока вероятность, что смог образуется и в других населенных пунктах. Потому что главный метеорологический фактор — температурная инверсия охватывает бОльшую часть Чуйской области. 

Для определения населенных пунктов, расположенных в зоне риска, необходимо учесть еще один параметр — толщину смога. Она зависит от высоты температурной инверсии, времени суток, и в среднем составляет 300-400 метров. Толщины смога определяет, где смог соприкасается с поверхностью земли. 

Поэтому важно выявить не только средний уровень инверсионного слоя, но и вычесть от него толщину слоя, чтобы выявить зоны, наиболее подверженные риску смога. В Чуйской долине это средняя полоса 700 и 1100 метрами над уровнем моря.

Например, при высоте температурной инверсии 1100 метров и толщине смога 400 метров, слой смога касается земли на отметке 700 метров над уровнем моря (примерно рынок Старый Толчок, или нижняя часть села Александровка). Если вы находитесь ниже 700 метров, например на рынке Дордой (около 680 м), то слой смога начнется в 20 метрах над вашей головой 

Как раз в этой полосе проходят транспортные артерии республиканского значения: Бишкек-Кара-Балта и Бишкек-Торугарт. И вдоль трассы с запада на восток выстроились практически все крупные населенные пункты Чуйской долины. Такие как Кара-Балта, Ак-Суу, Александровка, Сокулук и г. Шопоков, село Кожомкул (быв. Военно-Антоновка), г. Бишкек, Новопокровка, Кант, Токмок и другие, всего более 150 населенных пунктов. В этих городах и городках и селах, между 700 и 1100 метрами над уровнем моря,  проживает более 1,55 миллиона человек или более 70% жителей всей Чуйской области, включая Бишкек. Без учета жителей столицы, около 650 тысяч человек Чуйской долины проживают в полосе с повышенным риском образования смога.

Аналогично, 72% зданий всей Чуйской долины находятся в этом среднем поясе. Кроме жилых домов, здесь также расположены объекты крупной промышленности, такие как ТЭЦ Бишкек (750 м), Кантский Цементно-Шиферный Завод (700 м), Нефтеперерабатывающий Завод Джунда (800 м) и тд. Трассы Бишкек — Кара-Балта и Бишкек — Торугарт также находятся в пределах этих высот и являются загруженными автотранспортом дорогами. 

Выводы и Рекомендации

Измерение средней высоты инверсионного слоя предложенным методом позволило установить зону высокой вероятности образования смога во время отопительного сезона. Средняя полоса Чуйской долины, расположенная между 700 и 1100 метров над уровнем моря, которая включает в себя большую часть Бишкека, и другие крупные населенные пункты, города, с долей населения всей области более 70%, или 1,55 миллиона жителей, попадает в эту зону риска. 

Все выбросы в атмосферу в дни образования инверсионного слоя, не рассеиваются в верхние слои атмосферы, а накапливаются в нижних слоях, и могут заполнить долину смогом в пределах высоты инверсии.

Главными антропогенными загрязнителями воздуха являются печное отопление и сжигание низкокачественного топлива, выбросы от транспортных средств и крупных производственных объектов, связанные с сжиганием топлива. В средней полосе Чуйской долины в зимний период формируется “идеальный шторм”, когда основные источники вредных выбросов сочетаются с географическим расположением долины, высотой инверсионного слоя, и накладываются друг на друга и усиливают негативный эффект повышая риски образования смога. 

Для снижения потенциальному вреду здоровью жителей этой полосы, особенно в отопительный период, необходимо предпринять комплекс мер по снижению вредных выбросов

Также необходимо увеличить количество датчиков качества воздуха во всех населенных пунктах Чуйской долины, для получения полной информации об экологической обстановке в долине.

Автор надеется, что при отсутствии других возможностей для определения зон с высокой вероятностью образования смога, исследователи могут использовать нашу методологию, возможно в более усовершенствованном виде. Особенно стоит обратить внимание на Ферганскую долину. Она так же как и Чуйская долина окружена горами и имеет высокую плотность населения.

Кроме этого, пока открытым остается вопрос изучения воздействия смога на сельскохозяйственные угодья и в целом на почву и на открытые и грунтовые воды

 

Использованные материалы:

1. Kanat Sultanaliev, Rahat Sabyrbekov, Zheenbek Kulenbekov 2021. Smog in Bishkek: Myths and Reality. https://www.auca.kg/en/tspc_news/4843/ 
2. Erkin Isaev, Boobek Ajikeev, Urmatbek Shamyrkanov 2022 Impact of Climate Change and Air Pollution Forecasting Using Machine Learning Techniques in Bishkek. https://doi.org/10.4209/aaqr.210336 
3. Pavel Isayenko 2021. Как смог переполнил Чуйскую долину зимой 2020–2021 годов. https://pavel-isayenko.medium.com/ 
4. World Health Organization 2019. Health consequences of air pollution on populations https://www.who.int/news/item/15-11-2019-what-are-health-consequences-of-air-pollution-on-populations 
5. Инициатива Peshkom 2022. Как мы дышим диоксидом азота — опасным антропогенным газом. https://peshcom.org/kak-my-dyshim-dioksidom-azota-opasnym-antropogennym-gazom 
6. МувГрин 2022. Анализ данных и исследования. https://movegreen.kg/2022/07/07/analiz-dannyh-i-issledovanij/ 
7.  Nikita Kaul 2021. Влияние загрязнения воздуха на растения и животных https://www.pranaair.com/ru/blog/effect-of-air-pollution-on-plants-and-animals/ 
8. Александр ТУЗОВ. Русский дар по имени СКАТ https://meteorolog.krsu.edu.kg/index.php/eto-interesno 
9. Air Quality Expert Group (AQEG). (2012). Fine Particulate Matter (PM2.5) in the United Kingdom. https://uk-air.defra.gov.uk/assets/documents/reports/cat11/1212141150_AQEG_Fine_Particulate_Matter_in_the_UK.pdf 
10. Программа развития ООН в Кыргызской Республике и Программа ООН по окружающей среде 2022. Качество воздуха в Бишкеке. Оценка источников выбросов и дорожная карта для содействия управлению качеством воздуха. https://www.undp.org/sites/g/files/zskgke326/files/2022-10/%D0%9A%D0%B0%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%BE%20%D0%B2%D0%BE%D0%B7%D0%B4%D1%83%D1%85%D0%B0%20%D0%B2%20%D0%91%D0%B8%D1%88%D0%BA%D0%B5%D0%BA%D0%B5_RU%203.pdf 
11. ЮНИСЕФ 2022. Воздействие загрязнения воздуха на здоровье и социальные аспекты жизни женщин и детей в г. Бишкек, Кыргызстан. https://www.unicef.org/kyrgyzstan/media/8126/file