Значение и функции атмосферы

Размещено на http://www.allbest.ru/

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 СО_2. 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:

1. Определить общую нагрузку на атмосферу промышленной зоны стационарных источников и выявить динамику её изменений по годам.

2. Выявить основные техногенные примеси и источники их выброса в атмосферу.

3. Определить категории опасности веществ и предприятий.

4. Рассчитать размеры зоны загрязнения вокруг источников и дать анализ местоположению объекта.

5. Составить список веществ подлежащих контроля в промышленной зоне по годам исследований.

6. Дать оценку экологическому состоянию атмосферы.

7. Составить прогнозы

8. Сделать соответствующие выводы.



1. Литературный обзор

1.1 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].

Углерода оксид (СО), называемый в быту угарным газом, - самая распространенная и наиболее значительная (по массе) примесь атмосферы. В естественных условиях содержание СО в атмосфере очень мало: оно колеблется от сотых долей до 0,2 млн^-1. В атмосферу оксид углерода попадает в составе вулканических и болотных газов, в результате лесных и степных пожаров, выделения микроорганизмами, растениями, животными и человеком. Большое количество СО образуется в нефтяной промышленности и на химических предприятиях (крекинг нефти, производство формалина, углеводородов, аммиака и др.) [5,11].

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=SO₄^2-+H⁺+O₂

HSO₃-+H₂O₂= SO₄^2-+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;

* повышение экологической безопасности транспорта, обновление, модернизация подвижного состава, совершенствование инфраструктуры транспортного комплекса страны;

* 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

2. Донской Н.П., Донская С.А. Основы экологии и экономика природопользования.- Мн.: УП «Технопринт», 2000.-308 с.

3. 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.

4. Защита атмосферы от промышленных загрязнений. / Под ред. С. Калверта и Г. Инглунда. - М.: «Металлургия», 1991.

5. Мониторинг окруж. среды: методические указания по выполнению курсовой работы / Е.П. Воробьева, Н.А. Невестенко. Горки: БГСХА, 2013, 36 с.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. Охрана окружающей среды: учеб. Пособие / А.М. Владимиров, Ю.И. Ляхин, А.Т. Матвеев, В.Г. Орлов.- Ленинград Гидрометеоиздат, 1991.-423 с.

10. Охрана окружающей среды: учеб. Пособие / А.А. Челноков, Л.Ф. Ющенко.- 2-е изд., испр.- Минск: Выш. шк., 2008.- 255 с.

11. Охрана труда и основы экологии: учеб. пособие / Т.Ф. Михнюк.- Минск: Выш. шк., 2007.-356 с.: ил.

14. Практикум по экологии и охране окружающей среды: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений.- М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2003.-288 с., ил.

15. Состояние окружающей среды РБ. Нац. доклад, Минск: «Белтаможсервис», 2010 г.

16. Фелленберг Г. Загрязнение природной среды. Введение в экологическую химию: Пер. с нем.- М.: Мир, 1997.-232 с., ил.

Размещено на Allbest.ru