Значение и функции атмосферы
Введение
В современный период атмосфера Земли
претерпевает множественные изменения коренного характера:
• модифицируются ее свойства и газовый состав;
• возрастает опасность разрушения ионосферы и
стратосферного озона;
• повышается ее запыленность;
• нижние слои атмосферы насыщаются вредными доля
живых организмов газами и веществами промышленного и другого хозяйственного
происхождения.
Вследствие огромных выбросов техногенных газов и
веществ, достигающих многих миллиардов тонн в год, происходит нарушение газового
состава атмосферы. Весьма важную роль в составе атмосферы играет двуокись
углерода (углекислый газ), который играет важную роль не только в
жизнедеятельности человека, но и в выполнении атмосферной функции предохранения
подстилающей поверхности от перегрева и переохлаждения. Однако, хозяйственная
деятельность человека нарушила естественный баланс выделения и ассимиляции СО2
в природе, в результате чего его концентрация в атмосфере увеличивается.
Наука еще не в полной мере прояснила некоторые
важные элементы кругооборота СО2. Остается неясным вопрос о
количественных характеристиках связи между увеличением концентрации этого газа
в атмосфере и мерой его способности задерживать обратное излучение в космос
тепла, получаемого Землей от Солнца. Тем не менее неоспоримый рост концентрации
СО2 в атмосфере свидетельствует о глубоком нарушении одного из
компонентов глобального равновесия в биосфере, что в сочетании с другими
нарушениям может иметь очень серьезные последствия [4].
Также очень важен вопрос увеличения масштабов
нарушения баланса кислорода в атмосфере. Ранее масса свободного кислорода
(порядка 1,18 * 1015 т) длительное время оставалась постоянной
(производимый растениями ежегодный прирост тратился на естественные
окислительные процессы), однако в настоящее время этот баланс нарушен и
ситуация продолжает ухудшаться. Современное человечество ежегодно за счет
сжигания топлива потребляет примерно 20 млрд. т атмосферного кислорода.
Современная наука считает, что кислород представляет собой продукт не подвергшихся
окислению органических остатков прошлых биосфер. Человечество, используя эти
«остатки» в техногенном кругообороте кислорода, возвращает нынешнюю биосферу в
некое исходное состояние. Примерно в том же направлении действует и процесс
увеличения концентрации углекислого газа.
Многие современные техногенные вещества при
попадании в атмосферу представляют собой немалую угрозу для жизни человека. Они
наносят большой ущерб здоровью людей и живой природе. Некоторые из этих веществ
могут переноситься ветрами на большие расстояния. Для них не существует границ
государств, вследствие чего данная проблема является международной [2].
Основными загрязнителями такого плана являются
оксиды серы (в особенности серы диоксид - сернистый ангидрид), а также оксиды
азота. Быстрое накопление этих загрязнителей в атмосфере северного полушария
породило такое явление, как кислые и подкисленные осадки. Эти осадки пагубно
влияют на биологическую продуктивность почв и водоемов, наносят большой
экономический ущерб.
Наконец, еще одна крупная проблема, это
увеличение запыленности атмосферы вследствие антропогенных факторов. По
различным оценкам, поступление техногенных, взвешенных в воздухе частиц
(аэрозолей) в атмосферу Земли достигает ежегодно 1-2,6 млрд. т и равно
количеству аэрозолей природного происхождения. В результате запыленность
атмосферы в целом увеличилось за последние 50 лет на 70%.
Как видим ситуация только ухудшается, поэтому
атмосфере необходима защита, причем на государственном уровне, то есть именно
государство должно взять на себя эту роль.
Цель курсовой работы: определить экологическое
состояние атмосферного воздуха в промышленной зоне.
Для выполнения поставленной цели решаются
следующие задачи:
. Определить общую нагрузку на атмосферу
промышленной зоны стационарных источников и выявить динамику её изменений по
годам.
. Выявить основные техногенные примеси и
источники их выброса в атмосферу.
. Определить категории опасности веществ и
предприятий.
. Рассчитать размеры зоны загрязнения вокруг
источников и дать анализ местоположению объекта.
. Составить список веществ подлежащих контроля в
промышленной зоне по годам исследований.
. Дать оценку экологическому состоянию
атмосферы.
. Составить прогнозы
. Сделать соответствующие выводы.
. Литературный обзор
.1 Значение и функции атмосферы
Атмосфера нашей планеты состоит в основном из
азота и кислорода, которые в сухом воздухе составляют по объему соответственно
78 и 21%. Кроме того, в состав атмосферы входят углекислый газ, азот, аргон,
водород, гелий и некоторые другие газы, а так же водяной пар, содержание его
составляет в среднем 2,4 г/см3 .
Основным источником водяного пара в атмосфере
служит испарение с поверхности наземных водоемов, и прежде всего Мирового
океана. Наличие водяного пара в атмосфере создает определенную влажность, что
имеет большое значение для жизнедеятельности организмов [12].
Молекулярный азот может потребляться
(фиксироваться) как питательный элемент огромным числом различных почвенных и
водных бактерий и по пищевым цепям поступать в многообразные живые организмы на
Земле [10].
Атмосфера структурно подразделяется на
тропосферу, стратосферу, ионосферу и экзосферу. Тропосфера - это нижний слой
атмосферы, который простирается до высоты 8-10 км в полярных широтах и 16-18 км
в тропиках. Практически вся масса наземных живых организмов существует в
тропосфере. Физические процессы, происходящие в тропосфере, определяют
изменения погоды и оказывают основное влияние на климат планеты. К таким
процессам относятся поглощение солнечной радиации, влагооборот, циркуляция
атмосферы.
Стратосфера располагается за тропосферой на
высоте 50-60 км от поверхности Земли. Этот слой атмосферы весьма разряжен, в
нем с высотой постепенно уменьшается количество кислорода и азота, но
увеличивается количество легких газов - водорода, гелия и др. На высоте 20-22
км от поверхности Земли в стратосфере находится озоновый слой, который
поглощает и частично отражает губительное ультрафиолетовое излучение Солнца.
Озоновый слой в значительной мере влияет на тепловые условия у поверхности Земли
и основные физические процессы в тропосфере.
На высоте 80-800 км расположена ионосфера, или
термосфера. Ионосфера в основном образована ионами, продуктами разрушения
атомов космическими лучами. На высоте 150-600 км температура в этом слое
атмосферы повышается до 1500˚С, вследствие ионизации возникает свечение,
которое на Земле наблюдается в виде полярного сияния.
Самая верхняя, сильно разряженная часть
атмосферы, называется экзосферой. Температура здесь достигает 2000˚С. В
экзосфере газы пребывают в атомарном состоянии. Экзосфера постепенно переходит
в межпланетное пространство (рис.1.1) [12].
Рис. 1.1 Строение атмосферы
Атмосфера оказывает огромное влияние на живые
организмы и биологические процессы, происходящие на суше и на море. Наибольшее
значение имеют:
• кислород атмосферы, который используется в
процессах дыхания и минерализации органического вещества;
• углекислый газ, необходимый для нормального
протекания процесса фотосинтеза автотрофных организмов;
• озон, задерживающий смертоносное для всего
живого ультрафиолетовое излучение Солнца.
Существование живого вещества биосферы
невозможно без современной атмосферы. Атмосфера в ее нынешнем состоянии
является продуктом длительного исторического процесса, и в процессе эволюции
претерпела ряд значительных изменений [12].
Основной потребитель воздуха в природе - флора и
фауна Земли. Воздух необходим всему живому на Земле. Человек ежедневно
потребляет 12-15 кг воздуха, вдыхая каждую минуту от 5 до 100 л, что значительно
превосходит среднесуточную потребность в пище и воде. Но для нормальной
жизнедеятельности людей требуется не только воздух, но и определенная его
чистота. От качества воздуха зависят здоровье люде, состояние растительного и
животного мира, прочность и долговечность любых конструкций зданий, сооружений.
Загрязненный воздух губителен для вод, суши, морей, почв.
Атмосфера надежно оберегает человека от
многочисленных опасностей, угрожающих ему из космоса. Метеориты, в подавляющем
большинстве не превышающие по величине горошину, под влиянием земного
притяжения с огромной скоростью (от 11 до 64 км/ч) врезаются в атмосферу
планеты, раскаляются там в результате трения о воздух и на высоте около 60-70
км по большей части сгорают. На верхнюю границу атмосферы ежесекундно
обрушивается лавина космических излучений. Если бы они достигли земной
поверхности, то все живущее на Земле мгновенно исчезло [9].
Атмосфера определяет световой и регулирует
тепловой режимы Земли, способствует перераспределению тепла на земном шаре. Лучистая
энергия Солнца - практически единственный источник тепла для поверхности Земли
- частично поглощается атмосферой, и достигшая поверхности Земли энергия -
почвой и водоемами, морями и океанами, частично отражается в атмосферу.
Газовая оболочка предохраняет Землю от
чрезмерного остывания и нагревания. Благодаря ей на Земле не бывает резких
перепадов от морозов к жаре и обратно. Если бы Земля не была окружена воздушной
оболочкой, то в течение одних суток амплитуда колебаний температуры достигла бы
200˚С: днем стояла бы сильная жара (выше 100˚С), а ночью мороз (-100˚С).
Еще большая разница была бы между зимними и летними температурами. Именно
благодаря атмосфере средняя температура на Земле составляет приблизительно 15˚С.
Велико значение атмосферы и в распределении
света. Ее воздух разбивает солнечные лучи на миллион мелких лучей, рассеивает
их и создает равномерное освещение, к которому мы привыкли. Воздушная оболочка
придает нашему небу голубой цвет, так как молекулы основных элементов воздуха и
различные примеси, содержащиеся в нем, рассеивают главным образом лучи с
короткой длиной волны, т.е. фиолетовые, синие и голубые.
Так же атмосфера служит проводником звуков. Без
нее на Земле царила бы тишина, невозможна была бы человеческая речь [9].
Физические и химические характеристики
атмосферы, отличающиеся от адекватных, могут отрицательно влиять на здоровье
людей, их работоспособность и продолжительность жизни.
Атмосферный воздух широко используется как
природный ресурс в народном хозяйстве. Из атмосферного азота производятся
минеральные азотные удобрения, азотная кислота и ее соли. Аргон и азот
используются в металлургии, химической и нефтехимической промышленности. Из
атмосферного воздуха получают также кислород и водород [13].
1.2 Характеристика основных
техногенных примесей атмосферы
Проблема загрязнения атмосферы волнует все
человечество. Наиболее острой она оказалась в промышленно развитых странах.
Ущерб здоровью людей от загрязнения атмосферного воздуха не меньший, чем от
выброса сточных, промышленных и бытовых отходов в водоемы.
Запасы кислорода на Земле практически
безграничны. Атмосферный воздух относится к категории неисчерпаемых природных
ресурсов, но хозяйственная деятельность человека влияет на атмосферу и изменяет
состав воздуха. Эти изменения нередко принимают настолько значительный и
устойчивый характер, что приходится предпринимать меры для его охраны [10].
За последние 100 лет атмосфера как природный
ресурс претерпела значительные изменения вследствие антропогенного воздействия,
что выражается в поступлении огромного количества веществ, являющихся
загрязнителями и влияющих на эволюционно сложившиеся физико-химические
процессы, происходящие в атмосфере. Антропогенное влияние хозяйственной
деятельности приобрело в настоящее время глобальный характер [12].
Антропогенное загрязнение может быть местным,
когда увеличивается концентрация загрязняющих веществ на небольшой территории -
город, район, сельскохозяйственная зона, региональным, когда загрязняется
значительное пространство, и глобальным, когда наступает изменение состояния
атмосферы в целом на Земле [13].
На состав атмосферы отрицательно влияет выброс
вредных веществ: окислов серы, азота, углеводородов, пыли. Состояние воздушного
бассейна определяется массой вредных веществ, поступающих с отходящими газами,
и концентрацией вредных веществ. Основным показателем является концентрация
вредных веществ и ее соотношение с предельно допустимой концентрацией.
Концентрация вредного вещества в атмосфере определяется не только массой
выброса, но и климатическими и метеорологическими характеристиками местности,
где этот выброс производится. Закономерности распространения примесей
определяются как свойствами самих загрязнителей, так и регенерационными
возможностями природной среды. Интенсивность рассеивания примесей зависит от
распределения температуры по высоте над землей. Важную роль в рассеивании и
переносе примесей в атмосфере играет распределение скорости ветра по высоте над
землей и коэффициентов турбулентности в слое воздуха, где происходит рассеивание
[2].
Рис. 1.2 Поведение загрязняющих веществ,
выброшенных в атмосферу
В зависимости от промышленной специализации
города в его атмосфере повышается концентрация той или иной примеси. Главными
источниками техногенного загрязнения атмосферы являются промышленные,
транспортные и бытовые выбросы.
Ряд отраслей промышленности оказывает наиболее
ощутимое негативное воздействие на состояние воздушного бассейна республики.
Топливно-энергетический комплекс является самым
мощным источником поступления загрязняющих веществ в атмосферу - 40% общих
выбросов. В процессе переработки и сжигания минерального топлива происходит
образование наибольших масс твердых частиц, углекислого газа, окислов серы и
азота, а также целого ряда окислов металлов. Черная металлургия - следующий по
интенсивности источник загрязнения атмосферы [2].
Характер загрязнения воздуха вокруг конкретного
предприятия определяется применяемой технологией производства, структурой
производимой продукции, оснащенностью очистными сооружениями. Сгорание угля,
нефти, газа по различным причинам редко бывает полным. Поэтому промышленные
предприятия выбрасывают в атмосферу значительное количество твердых несгоревших
частиц и вредных газов [2,10].
Выбросы промышленных предприятий представлены
двумя группами. В одну из них входят неорганизованные выбросы, которые
происходят вследствие неплотностей в аппаратуре и коммуникациях, неумело
организованного транспортирования материалов, складирования сырья и т.д. К
другой группе относятся организованные выбросы. Их источники - дымовые трубы,
воздушки, вентиляционные системы и др. [10].
В то же время имеются усредненные оценки
загрязнения при производстве единицы продукции. Так выплавка 1 тыс. т стали
связана с выбросом в атмосферу 40 тонн пыли, сернистого ангидрида и 50 т окиси
углерода; выработка 1 млн. кВт/ч электроэнергии на ТЭС связана с выбросом 10 т
золы и 15 т сернистого ангидрида; при производстве серной или азотной кислоты
на каждые 1 тыс. т продукта в атмосферу выбрасывается до 20 т окислов азота и
сернистого ангидрида [2].
При сжигании всех видов топлива образуются и
затем поступают в атмосферу водяной пар и диоксид углерода, которые содержатся
в атмосфере в естественных условиях и не оказывают вредного воздействия на
человека. По этой причине данные газы не относятся к загрязняющим атмосферу
веществам, хотя на их долю приходится большая часть всех выбросов
антропогенного происхождения [11].
В больших городах и густонаселенных пунктах
первенство в загрязнении атмосферы переходит от промышленности к транспорту,
прежде всего к автомобильному. Главная составная часть автомобильных выхлопов -
оксид углерода, углеводороды и весьма ядовитый свинец, который добавляется в
бензин со специальными активированными присадками. Причем 40% частиц свинца,
выбрасываемого автомобилем, имеет диаметр менее 5 мкм, они способны длительное
время находится во взвешенном состоянии и проникать с воздухом в организм
животных и человека [2,10].
Вредные газа выделяет и авиационный транспорт.
По уровню производимого загрязнения один сверхзвуковой лайнер приравнивают к 7
тыс. легковых автомобилей. Один реактивный самолет перелетающий через
Атлантический океан, потребляет за 8 ч. полета такое количество кислорода,
которое продуцируют за то же время 25 тыс. га лесов [10].
Загрязнение атмосферы наносит значительный ущерб
народному хозяйству.
Территория республики кроме собственных
источников загрязнения окружающей среды загрязняется вредными примесями,
выбрасываемыми в атмосферный воздух в соседних странах. Доля этих примесей в
общем количестве загрязняющих веществ в атмосфере значительно выше, чем вклад
собственных источников загрязнения.
Согласно прогнозам Национальной академии наук
Беларуси, к 2020 г. на территории республики должен снизиться уровень фонового
загрязнения атмосферы, но существенно вырастет уровень загрязнения атмосферы
городов оксидами азота в связи со значительным увеличением потребления
автомобильного топлива [12].
1.2.1 Газы
При загрязнении атмосферы газами действуют три
фактора: эмиссия (выброс) вредных веществ, трансмиссия (перенос) вредных
веществ и иммиссия (ввод) вредных веществ в организмы и ткани растений.
При выбросе газов необходимо учитывать высоту
расположения выходного отверстия над поверхностью земли, скорость выброса,
общее количество газа, его температуру и скорость распространения.
Распространение газов в основном определяется их растворимостью в воде и
способностью к химическому взаимодействию с компонентами атмосферы. Кроме
этого, перенос связан с метеорологическими условиями и особенностями земной
поверхности. Направление переноса выбросов определяется направлением ветра, а
высота подъемов выбросов - его скоростью [16].
Еще одним немаловажным источником оксида
углерода является табачный дым. Высока концентрация оксида углерода в угольных
шахтах, на углеподающих трассах. Оксид углерода образуется при неполном
сгорании топлива в печах и двигателях внутреннего сгорания. Важным источником
поступления СО является автомобильный транспорт [5].
Непрерывное выделение СО наряду с его
относительно длительным нахождением в атмосфере должно было бы привести к
большему увеличению концентрации СО в воздухе, чем это наблюдается фактически.
Такому накоплению СО препятствуют высшие растения, водоросли и особенно
микроорганизмы. Высшие растения в определенной степени могут связывать СО с
помощью аминокислоты серина, возможно также окисление СО в СО2 [16].
Оксид углерода чрезвычайно ядовит. При
поступлении оксида углерода в организм нарушается способность крови доставлять
кислород к тканям, вызываются спазмы сосудов, снижается иммунологическая
активность человека. СО нарушает фосфорный, азотистый, углеводный обмен.
Чрезвычайная опасность СО, отсутствие у него
цвета и запаха, а также очень слабое поглощение его активированным углем
обычного противогаза делают этот газ особенно опасным [5].
Серы диоксид,
или сернистый ангидрид (SO2)
- второе (по массе) загрязняющее атмосферу вещество. SO2
антропогенного
происхождения образуется при сгорании угля (70% антропогенных выбросов) и
нефти, в металлургических производствах, при переработке содержащих серу руд,
при различных химико-технологических процессах. Большая часть антропогенных
выбросов SO2
связана с энергетикой и промышленностью.
Время пребывания диоксида серы в атмосфере в
среднем исчисляется двумя неделями. Этого времени мало для того, чтобы газ мог
распространиться в глобальном масштабе. Поэтому в соседних географических
районах в атмосфере может наблюдаться большое различие концентраций диоксида
серы.
В атмосфере диоксид серы претерпевает ряд
химических превращений, важнейшие из них - окисление и образование кислоты.
Большое значение имеет окисление с помощью радикалов ОН*. При этом
возможна реакция с озоном:
SO2+O3=SO3+O2.
Во влажной атмосфере образуется серная кислота.
В насыщенной парами воды фазе диоксид серы сначала образует сернистую кислоту,
которая с озоном и пероксидом водорода дает серную кислоту:
H2SO3-+O3=SO42-+H++O2
HSO3-+H2O2=
SO42-+H++H2O [16].
Сероводород
и сероуглерод поступают в атмосферу раздельно или вместе с другими
соединениями серы. Основными источниками выброса являются предприятия по
изготовлению искусственного волокна, коксохимические, нефтеперерабатывающие,
также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями
подвергаются медленному окислению до серного ангидрида [6].
Азот образует смесь различных оксидов, но лишь азота
оксид NO и азота
диоксид NO2
имеют значение как атмосферные загрязнители.
Оксиды азота играют основную роль в образовании
фотохимического «смога», влияют они и на разрушение озонового слоя, ведут также
к образованию кислых дождей. Загрязнение атмосферы оксидами азота в целом
сравнительно невелико. Но в районах с развитой химической промышленностью
имеются локальные зоны повышенного содержания NO
и NO2
в воздухе. техногенный загрязнение атмосферный
экологический
Азота оксид - бесцветный газ, образующийся в
малых количествах в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, работающих на
бензине и дизельном топливе, при взаимодействии О2 с N2.
В дальнейшем он окисляется кислородом до двуокиси азота NO2
[14].
Азота диоксид - устойчивый газ желтого цвета, в
большинстве случаев придающий воздуху в городах коричневатый оттенок, ядовитый,
с неприятным запахом, является также сильным коррозионно-активным агентом. Под
влиянием ультрафиолетовой радиации NO2
разрушается, переходя в NO.
Разрушение NO2
происходит также при температуре выше 600˚С, что объясняет более высокое
содержание NO по
сравнению с содержанием NO2
в выхлопных газах автомобилей [14,16].
Диоксид азота сохраняется в атмосфере в среднем
около трех суток. При взаимодействии с водяным паром он превращается в азотную
кислоту и другие нитраты. В отличие от серной, азотная кислота может долгое
время оставаться в атмосфере в газообразном состоянии, так как она плохо
конденсируется. Пары азотной кислоты поглощаются в атмосфере каплями облаков
или частицами аэрозоля [14,16].
Образование оксидов азота в процессах сжигания
связано с окислением атмосферного азота и, в меньшей степени, с окислением
органических соединений азота, содержащихся в топливе. С повышением температуры
количество оксидов азота значительно увеличивается. Основным источником
выбросов оксидов азота, не связанных с сжиганием топлива, является производство
азотной кислоты [14].
Углеводороды,
опасность появления которых связана с тем, что они являются промежуточными
продуктами в процессе образования озона, поступают в атмосферу при сжигании
топлива и при переработке нефтепродуктов, в процессе производства пластмасс,
красителей, пищевых добавок, парфюмерных продуктов, смол, пигментов,
пестицидов, а также при переработке каучуков. Кроме того, многие углеводороды
выделяются в процессе роста и размножения растений. По оценкам ученых из
природных источников во всем мире ежегодно выделяется 117 млн. т углеводородов,
а из антропогенных источников - 100 млн. т. Однако, углеводороды,
присутствующие в атмосфере городов, в основном представляют собой продукты
сгорания [4].
При неполном сгорании происходит к тому же
образование (синтез) опасных канцерогенных циклических углеводородов. Особенно
много канцерогенных (вызывающих рак легких) углеводородов содержится в гудронах
и саже, выбрасываемых дизельными двигателями и отопительными системами. Хотя
путем хорошей регулировки двигателя и умелого управления автомобилем можно
добиться некоторого снижения выбросов, дизельный двигатель занимает одно из
первых мест среди источников загрязнения атмосферы канцерогенными веществами
[16].
Углеводороды подвергаются различным
превращениям, окислению, полимеризации, взаимодействуя с другими атмосферными
загрязнителями после возбуждения солнечной радиацией. В результате этих реакций
образуются перекисные соединения, свободные радикалы, соединения углеводородов
с оксидами азота и серы часто в виде аэрозольных частиц [6].
Источниками загрязнения соединениями фтора
являются предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики, стали,
фосфорных удобрений. Фторсодержащие вещества поступают в атмосферу в виде
газообразных соединений фтороводорода. Соединения характеризуются токсическим
эффектом. Производные фтора являются сильными инсектицидами [6].
Соединения хлора
поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих соляную кислоту,
хлорсодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную
известь, соду. В атмосфере они встречаются как примесь молекулы хлора и паров
соляной кислоты. Токсичность хлора определяется видом соединений и их
концентрацией. В металлургической промышленности при выплавке чугуна и при
переработке его на сталь происходит выброс в атмосферу различных тяжелых
металлов и ядовитых газов [6].
1.2.2 Жидкие аэрозоли
Аэрозоли - это твердые или жидкие частицы,
находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Они распространены в приземном
слое, тропосфере и стратосфере. Время их жизни различно: от нескольких часов до
многих лет. Частицы попадают в атмосферу с Земли в готовом виде, но
значительная часть их образуется в результате химических реакций между
газообразными, жидкими и твердыми веществами, включая пары воды [14].
Аэрозоли разделяются на:
• первичные (выбрасываются из источников
загрязнения);
• вторичные (образуются в атмосфере);
• летучие (переносятся на далекие расстояния);
• нелетучие (отлагаются на поверхности вблизи
зон пыле-, газовыбросов).
По агрегатному состоянию и размерам частиц
дисперсионной фазы, аэрозоли делят на туманы - системы с жидкой дисперсионной
фазой (размер частиц 0,1-10 мкм), пыли - системы с твердыми частицами размером
больше 10 мкм и дымы, размеры твердых частиц которых находятся в пределах
0,001-10 мкм [4].
Туманы имеют частицы правильной сферической
формы (результат самопроизвольного уменьшения поверхности жидкости), тогда как
пыли и дымы содержат твердые частицы самой разнообразной формы. К типичным
аэрозолям можно отнести туман, состоящий из капелек водяного пара, размер
частиц которых в среднем составляет 0,5 мкм, топочный дым (сажа) - 0,1-100 мкм,
дождевые облака - 10-100 мкм и др.
При некоторых погодных условиях могут
образовываться особо большие скопления вредных аэрозольных примесей в приземном
слое воздуха. Обычно это происходит в тех случаях, когда в слое воздуха
непосредственно над источниками газопылевой эмиссии существует инверсия -
расположение слоя более холодного воздуха под теплым, что препятствует
воздушным массам и задерживает перенос примесей вверх. В результате вредные
выбросы сосредотачиваются под слоем инверсии, содержание их у земли резко
возрастает, что становится одной из причин образования ранее неизвестного в
природе фотохимического тумана [4].
Фотохимический туман (смог) представляет собой
многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц первичного и вторичного
происхождения. В состав основных компонентов смога входят озон, оксиды азота и
серы, многочисленные органические соединения перекисной природы, называемые в
совокупности фотооксидантами. Фотохимический смог возникает в результате
фотохимических реакций при определенных условиях:
• наличие в атмосфере высокой концентрации
оксидов азота, углеводородов и других загрязнителей;
• интенсивная солнечная радиация и безветрие или
очень слабый обмен воздуха в приземном слое при мощной и повышенной (не менее
суток) инверсии.
По своему физиологическому воздействию на
организм человека смог крайне опасен для дыхательной и кровеносной системы,
часто бывают причиной преждевременной смерти городских жителей с ослабленным
здоровьем [4].
Важнейшее свойство аэрозолей - способность
частиц сохраняться во взвешенном состоянии, перемещаться преимущественно как
единое целое и при столкновении коагулировать друг с другом. В покоящейся среде
частицы аэрозоля поддерживаются во взвешенном состоянии в поле гравитации
благодаря их собственному тепловому движению. Однако в атмосфере на аэрозоли
помимо радиационного температурного прогрева, поля силы тяжести действуют и
другие силы. Прежде всего, это горизонтальные и вертикальные движения воздуха,
называемые ветром. Горизонтальные движения связаны с циркуляцией атмосферы,
перемещением барических образования (циклонов и антициклонов), и есть следствие
неодинакового прогрева земной поверхности. Вертикальные смещения связаны с
турбулентностью в атмосфере.
Под действием силы тяжести в аэрозольном облаке
происходит направленное перемешивание менее плотной фазы вверх (всплывание), а
более плотной - вниз (оседание или седиментация). Капли тумана или частицы
аэрозоля стремятся под действием силы тяжести осесть. В случае облаков это
проявляется в виде дождя или снега [4].
1.2.3 Твердые аэрозоли
Источниками естественных аэрозолей являются
океаны, космическая пыль, частицы почвы и горных пород, поднимаемых в воздух
при ветровой эрозии, органические вещества - пыльца растений, споры, бактерии и
др., частицы дыма, возникающие при лесных и торфяных пожарах, продукты
вулканических извержений.
Атмосферные аэрозоли над океаном образуются в
результате разбрызгивания капель морской воды и их последующего испарения.
Капли образуются при сдувании ветром брызг с гребней волн, при выпадении на
водную поверхность осадков, в прибойной зоне побережий. Основным компонентом
морских аэрозолей является хлорид натрия, однако в них присутствуют карбонаты,
сульфаты, калий, магний и кальций, органических соединений. Взвешенные в
воздухе солевые частицы в прибрежных районах наносят значительный ущерб
сельскохозяйственным культурам и вызывают коррозию металлов [4].
Важным источником аэрозолей являются вулканы, но
их вклад сильно варьирует во времени и пространстве. Одно мощное извержение
может многократно превысить выброс частиц в атмосферу, который происходит в
периоды «спокойной» вулканической деятельности. Например, извержение вулкана
Агунг на о. Бали в 1963 г. выбросило большое количество аэрозолей в тропосферу
и стратосферу, вызвав на всем земном шаре весьма эффектные вечерние зори.
Появление аэрозолей в стратосфере в результате этого извержения вызвало
повышение там температуры примерно на 5˚С. Вулканические аэрозоли
представляют собой тонко измельченную лаву либо капли серной кислоты,
содержащей растворы сульфатов, галогенидов, следы никеля и хрома.
Степные, кустарниковые и лесные пожары являются
еще одним важным источником тропосферных аэрозолей. Зола, выбрасываемая при
пожарах в атмосферу, состоит из неорганических веществ, минералов,
первоначально присутствовавших в тканях растений. В золе имеются частицы
углерода, не полностью сгоревшие смолистые вещества. Крупные лесные пожары
могут быть источниками атмосферных аэрозолей, заметных в глобальном масштабе.
Метеорная пыль может быть двух видов. Так,
субмикронные частицы из межпланетного пространства могут достигать земной
поверхности в неизменном виде. Более крупные частично сгорают или
расплавляются.
Частицы биологического происхождения переносятся
на большие расстояния. Споры грибов, например, находили над океаном на
расстоянии 1000 км, а пыльцу - в 2500 км от возможного ближайшего источника.
Морские бактерии обнаружены в пробах воздуха более чем в 100 км от побережья
[4].
Аэрозоли антропогенного происхождения составляют
примерно 20% от естественного содержания аэрозолей. Они образуются в основном
при сжигании твердого и жидкого топлива. Кроме того, ряд производств, например,
цементные заводы, выбрасывают в атмосферу большое количество пыли.
Пространственное распределение антропогенных аэрозолей неравномерно, и они
являются загрязнителями атмосферы, играя пагубную роль как в отношении человека
и животных, так и растительных сообществ.
Атмосферный аэрозоль подразделяют также на:
• тропосферный (до высоты приблизительно 10 км);
• стратосферный (10-50 км).
Аэрозольные частицы проникают в стратосферу в
результате вулканических извержений, заноса ядер конденсации при развитии
кучево-дождевых облаков, вершины которых выходят за пределы тропосферы.
Определенный вклад в формирование стратосферных аэрозолей вносит высотная
авиация, запуски ракет-носителей и т.д. В стратосфере отмечаются также аэрозоли
внеземного происхождения, содержащие следы никеля [4].
Диспергационные аэрозоли с твердыми частицами
(пыли) образуются в атмосфере в природных условиях, а также при измельчении
твердых тел в шахтах, пересыпании порошков (муки, мела) и т.п. [1].
При взрывном разрушении твердых тел происходит,
как правило, диспергирование вещества и его испарение с последующей
конденсацией паров и образованием аэрозолей.
Размер твердых частиц, наблюдаемых в атмосфере,
колеблется в широких пределах: от тысячных и сотых долей до нескольких десятков
микрометров. В зависимости от размера аэрозольные частицы делят на три класса:
• тонкодисперсные (r
< 0,1 мкм);
• среднедисперсные (r
= 0,1-1 мкм);
• грубодисперсные (r
> 1 мкм).
Тонкодисперсный аэрозоль вносит существенный
вклад в поглощение радиации и, как следствие, в изменение термического режима
атмосферы [1].
Количество аэрозолей в атмосфере огромно,
существует их постоянный приток и сток. Более крупные частицы осаждаются сами,
более мелкие вымываются дождем или снегом. Продолжительность пребывания аэрозолей
в атмосфере определяет их так называемое «время жизни». В тропосфере время
жизни аэрозолей составляет от 6 до 40 суток. В стратосфере среднее время жизни
аэрозольных частиц увеличивается с высотой: до месяца в слое 10-12 км, 1-2 года
на высоте 20 км и от 4 до 20 лет на высоте50 км.
Проблемы, связанные с аэрозолями многогранны.
Аэрозоли могут оказывать влияние на формирование климата как Земли в целом, так
и в отдельных её районах. Важнейшей положительной ролью аэрозолей является
ядрообразование, т.е. свойство конденсировать воду. Однако, они могут изменять
отражательную способность планеты Земля и тем самым изменять глобальную
температуру [4].
1.3 Состояние атмосферы в Республике
Беларусь
Изменение климата Республики Беларусь связано с
естественными и антропогенными факторами. Исходя из средних оценок, ожидаемые
изменения газового и аэрозольного состава атмосферы, обусловленные в основном
антропогенной деятельностью, приведут к увеличению средней годовой температуры
на территории республики приблизительно на 1°С к 2025 году. На фоне общего
потепления резко возрастут внутригодовые (межсезонные) и межгодовые колебания
температуры и осадков, увеличится число погодных и климатических экстремальных
явлений.
Проведенные исследования показали, что
глобальное потепление связано с выбросами парниковых газов в различных отраслях
экономики, в первую очередь в энергетике. Уровень выбросов парниковых газов в
республике составляет в настоящее время порядка 60 млн. тонн в эквиваленте
диоксида углерода.
Наблюдается тенденция снижения над территорией
республики общего содержания озона, что сопровождается повышением уровня
приземного ультрафиолетового излучения, что негативно отражается на здоровье
населения республики, функционировании экосистем и росте числа заболеваний,
инициированных ультрафиолетовой радиацией [8].
Основные проблемы в области охраны атмосферного
воздуха связаны с его загрязнением вредными выбросами от стационарных и
передвижных источников. Выбросы загрязняющих веществ от стационарных источников
характеризуются как общее количество загрязняющих веществ, поступающих в
атмосферный воздух от всех организованных и неорганизованных стационарных
источников. В структуре выбросов преобладают оксид углерода (56,4 процента),
диоксид серы (6,9), оксиды азота (11,1) и углеводороды (14,3 процента).
Сокращение выбросов от стационарных источников происходит как за счет
строительства установок очистки газов, так и за счет внедрения новых
технологий, использования топлива, сырья и материалов, позволяющих снизить
вредное воздействие на атмосферный воздух. Решение вопросов повышения
энергоэффективности производств, использование возобновляемых источников
энергии способствуют также решению экологических проблем по сокращению выбросов
загрязняющих веществ в атмосферный воздух [8,15].
Выбросы загрязняющих веществ мобильными
источниками рассчитываются на основании количества потребляемого топлива.
Выбросы от мобильных источников на территории республики характеризуются
некоторым ростом, который в зависимости от вещества составляет от 8 до 17%.
Максимальный объем выбросов отмечается в Минске и Минской области, минимальный
- в Могилевской области [15].
Основными направлениями
деятельности в области охраны атмосферного воздуха являются:
• совершенствование экологической политики и формирование
гибкой системы экономического стимулирования в области охраны атмосферного
воздуха;
• использование новых технических методов и
средств минимизации выбросов;
• комплексный учет воздействия хозяйственной
деятельности на окружающую среду;
• внедрение новейших технологий и методов
наблюдений, включая дистанционные, за состоянием атмосферного воздуха, а также
расширение перечня определяемых загрязняющих веществ, необходимых для получения
достоверной информации и принятия оперативных управленческих решений [8].
Показатель качества атмосферного воздуха
характеризует состояние окружающей среды с точки зрения качества атмосферного
воздуха и негативного влияния повышенных концентраций загрязняющих веществ на
население.
В настоящее время мониторинг состояния
атмосферного воздуха в Беларуси проводится в 18 промышленных городах, включая
областные центры, а также Полоцк, Новополоцк, Оршу, Бобруйск, Мозырь, Речицу,
Светлогорск, Пинск, Новогрудок, Жлобин, Лиду и Солигорск. Регулярными
наблюдениями охвачены территории, на которых проживает 81,3% населения крупных
и средних городов страны. Сеть мониторинга атмосферного воздуха включает 61
станцию. В Минске, Витебске и Могилеве функционируют автоматические станции,
позволяющие получать информацию о содержании в воздухе приоритетных
загрязняющих веществ в режиме реального времени.
Во всех городах в воздухе определяются
концентрации основных загрязняющих веществ: суммарных твердых частиц, диоксида
серы, оксида углерода, диоксида азота. Измеряются также концентрации
приоритетных специфических загрязняющих веществ: формальдегида, аммиака,
фенола, сероводорода, сероуглерода. Во всех контролируемых городах определяется
содержание в воздухе свинца и кадмия, в 16 городах - бензапирена, в 9 городах -
летучих органических соединений (ЛОС). При оценке качества атмосферного воздуха
учитываются среднесуточные и максимально разовые предельно допустимые
концентрации (ПДК) загрязняющих веществ. Для станций с дискретным отбором проб
средние за год значения сравниваются с ПДК среднесуточными, а максимальные - с
максимально разовыми. Кроме того, для оценки состояния атмосферного воздуха
используются такие показатели, как количество дней в году, в течение которых
установлены превышения среднесуточных ПДК, и повторяемость (доля) проб с
концентрациями выше максимально разовых ПДК. Средние за год концентрации
основных и специфических загрязняющих веществ в подавляющем большинстве
контролируемых городов Беларуси ниже нормативов качества. В отдельных городах
зафиксированы превышения среднесуточных ПДК суммарных твердых частиц, оксида
углерода и диоксида азота. Уровень загрязнения воздуха диоксидом серы
сохраняется стабильно низким: как среднегодовые, так и максимальные разовые
концентрации находятся существенно ниже нормативов качества. Состояние
атмосферного воздуха в городах Бобруйске, Гродно, Новогрудке, Светлогорске,
Лиде, Солигорске и в большинстве контролируемых районов Бреста, Витебска,
Минска, Гомеля, Мозыря и Пинска в 2009 г. оценивалось как стабильно хорошее.
В некоторых районах Могилева, Полоцка и
Новополоцка существует проблема загрязнения воздуха диоксидом азота; в Бресте,
Витебске, Пинске и Орше - формальдегидом. В городах, расположенных в южной
части Беларуси, где проводились масштабные мелиоративные работы (Гомель,
Жлобин, Мозырь, Речица), на протяжении многих лет сохраняется проблема
загрязнения воздуха суммарными твердыми частицами. В периоды без осадков
максимальные концентрации суммарных твердых частиц в указанных городах
достигают 2-6 ПДК.
Результаты стационарных наблюдений на сети
мониторинга атмосферного воздуха позволяют сделать вывод о том, что состояние
атмосферного воздуха городов Беларуси достаточно хорошее:
среднегодовые концентрации приоритетных
загрязняющих веществ в большинстве контролируемых городов страны на протяжении
рассматриваемого периода сохранялись ниже установленных нормативов качества;
среднесуточные концентрации суммарных твердых
частиц и диоксида азота превышали ПДК только в отдельных городах;
количество дней со среднесуточными
концентрациями твердых частиц выше ПДК в Гомеле, Витебске, Могилеве, Жлобине и
жилом районе Минска находились ниже целевого показателя, принятого в странах
Европейского союза;
превышения максимально разовых ПДК отмечены
только в 0,25-0,50% от общего количества проанализированных проб. От 80 до 90%
превышений находились в пределах 1-2 ПДК, концентрации загрязняющих веществ
выше 5 ПДК регистрировались менее чем в 1% случаев превышений.
Вместе с тем в Орше, отдельных районах Бреста,
Витебска и Пинска на протяжении пяти лет отмечается повышенный уровень
загрязнения воздуха формальдегидом, в Могилеве, Полоцке, Новополоцке и
Светлогорске - диоксидом азота. В городах, расположенных в южной части страны
(Гомель, Жлобин, Мозырь, Речица), на протяжении многих лет сохраняется проблема
загрязнения воздуха твердыми частицами. В двух промышленных районах Минска
превышается целевой показатель по твердым частицам. По данным стационарных
наблюдений в большинстве контролируемых городов страны наблюдается устойчивая
тенденция к снижению уровня загрязнения воздуха формальдегидом: среднегодовые
концентрации уменьшились в среднем в 1,2 раза, максимальные разовые - в 2,3
раза.
Содержание диоксида серы в атмосферном воздухе
сохраняется стабильно низким. Вместе с тем, содержание диоксида азота в воздухе
в Бобруйске, Мозыре, Новополоцке, Орше, Пинске, Полоцке и Светлогорске
увеличилось в 1,2-2,0 раза. В городах Гомельской области (Гомель, Мозырь,
Речица), Витебске и Гродно прослеживается увеличение концентраций твердых
частиц в 1,2-2,1 раза [8].
Список литературы
1.
Грин Х., Лейн В. Аэрозоли - пыли, дымы и туманы.- пер. с англ., 1961
.
Донской Н.П., Донская С.А. Основы экологии и экономика природопользования.-
Мн.: УП «Технопринт», 2000.-308 с.
.
Замай С.С., Якубайлик О.Э. Модели оценки и прогноза загрязнения атмосферы
промышленными выбросами в информационно-аналитической системе природоохранных
служб крупного города: Учеб. пособие / Краснояр. гос. ун-т. Красноярск, 1998.
109 с.
.
Защита атмосферы от промышленных загрязнений. / Под ред. С. Калверта и Г.
Инглунда. - М.: «Металлургия», 1991.
.
Мониторинг окруж. среды: методические указания по выполнению курсовой работы /
Е.П. Воробьева, Н.А. Невестенко. Горки: БГСХА, 2013, 36 с.
.
Национальный план действий по рациональному использованию природных ресурсов и
охране окружающей среды Республики Беларусь на 2006 - 2010 годы - Мн.: РУП «Бел
НИЦ «Экология», 2006.- 124 с.
.
Новиков Ю.В. Экология, окружающая среда и человек: Учеб. пособие для вузов,
средних школ и колледжей.-3-е изд., испр. и доп.- М.: ФАИР-ПРЕСС, 2005.-736 с.
.
Основы экологии и ООС / А.Г. Банников, А.А. Вакулин, А.К. Рустамов.-4-е изд.,
перераб. и доп.- М.: Колос, 1999.- 304 с., ил.
.
Охрана окружающей среды: учеб. Пособие / А.М. Владимиров, Ю.И. Ляхин, А.Т.
Матвеев, В.Г. Орлов.- Ленинград Гидрометеоиздат, 1991.-423 с.
.
Охрана окружающей среды: учеб. Пособие / А.А. Челноков, Л.Ф. Ющенко.- 2-е изд.,
испр.- Минск: Выш. шк., 2008.- 255 с.
.
Охрана труда и основы экологии: учеб. пособие / Т.Ф. Михнюк.- Минск: Выш. шк.,
2007.-356 с.: ил.
.
Практикум по экологии и охране окружающей среды: Учеб. пособие для студ. высш.
учеб. заведений.- М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2003.-288 с., ил.
.
Состояние окружающей среды РБ. Нац. доклад, Минск: «Белтаможсервис», 2010 г.
.
Фелленберг Г. Загрязнение природной среды. Введение в экологическую химию: Пер.
с нем.- М.: Мир, 1997.-232 с., ил.