Значение и функции атмосферы

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 °C 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.

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.

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.

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.

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.