Лекция №3. Загрязнение атмосферного воздуха

В естественном состоянии атмосферный воздух содержит: 78,08% азота, 20,95% кислорода, 0,036% углекислого газа, 0,5— 4% паров воды, твердые и жидкие частицы (аэрозоли), небольшие количества инертных газов и примесей — озон, водород, окись углерода (СО), окислы серы (SО₂, SО₃), окислы азота (NO, NO₂, N₂О₄,) и другие, аммиак, сероводород, углеводороды (С_ХН_Х) и др.

Распределение газов по высоте не всегда однородно, например, озон концентрируется на верхней границе стратосферы на высоте 15—25км, а СО — у поверхности Земли.

Химические и оптические свойства атмосферы, ее химический состав и прозрачность играют важнейшую роль в поддержании температурного баланса Земли: от них зависит степень проникновения к Земле лучей Солнца и обратная отдача тепла Земли в космическое пространство. Наличие в стратосфере озонового «экрана» делает возможным существование жизни на поверхности Земли, без него жизнь существовала бы только в океане.

Загрязнением атмосферы называют повышение в ней концентраций веществ, являющихся ее природными составляющими (СО, SО₂, SО₃, NO, NO₂, N₂О₄, озона и др.), или внесение в атмосферу человеком не характерных для нее веществ (ксенобиотиков).

По физическим свойствам загрязнители атмосферы подразделяют на:

1) газообразные — окислы углерода, серы, азота, озон, другие газы. Их доля составляет до 90% всех загрязнителей атмосферы;

2) взвешенные частицы — аэрозоли:

- твердые — частицы пыли, сажи, свинца и др.;

- жидкие — капли кислот, углеводородов и др.

Все источники загрязнителей атмосферы делятся на естественные и антропогенные, т. е. произведенные человеком.

Естественными источниками являются:

- извержения вулканов — выделяют пыль, газы SО₂, СО₂, NO, NO₂, НCl, НF и др.;

- все виды процессов горения, лесные пожары, вызванные молниями;

- ветровая эрозия почв, пыльные бури;

- продукты бактериального разложения органических веществ;

- морские брызги (бризы) — выделяют хлориды и сульфаты;

- испарение летучих органических веществ с листьев рас­тений;

- естественные выделения радиоактивных веществ и др.

Большинство выбросов из естественных источников не являются значительными и опасными, за исключением сильных извержений вулканов и пыльных бурь. Описан случай, когда 1 км³ воздуха нес в себе 450 т почвенных частиц.

Антропогенные источники загрязнителей атмосферы весьма различны. Главной причиной загрязнения атмосферы является производство всех видов энергии. Но воздух загрязняют и другие отрасли промышленности, в особенности горнодобывающая, тяжелая, атомная, а также мусороперерабатывающие заводы, выхлопные газы автотранспорта и др.

Наиболее сильное загрязнение атмосферы имеется в городах, но в последнее время оно приобретает все более глобальный характер.

Основные источники загрязнителей атмосферы представлены в таблице 3.1. Однако следует иметь в виду, что данный список является далеко не полным.

Таблица 3.1 Источники загрязняющих веществ

Загрязнитель	Источник
Углекислый газ (СО2)	Извержения вулканов
Все виды процессов горения, в том числе сжигание ископаемого топлива Дыхание организмов Разложение органики
Окись углерода (СО)	Извержения вулканов Все виды процессов горения Электрические разряды в атмосфере Выхлопные газы автомобилей Деятельность бактерий
Производные серы (SO2, SO3 и др.)	Извержения вулканов Сжигание ископаемого топлива Перегонка нефти Деятельность бактерий Производство серной кислоты Морские брызги
Производные азота (NO, NO2, N2O4 и др.)	Все виды процессов горения Электрические разряды в атмосфере Выхлопные газы автомобилей Деятельность бактерий (брожение) Производство взрывчатых вешеств Производство азотной кислоты
Углеводороды (CxHx)	Месторождения нефти и газа Нефтеперерабатывающие заводы, бензоколонки Испарение из топливных баков и двигателей автомобилей Деятельность бактерий (брожение)
Фотохимические окислители (озон, ПАН, альдегиды и др.)	Фотохимические реакции в атмосфере
Органические соединения	Химическая промышленность Сжигание отходов Испарение летучих органических веществ с листьев растений
Тяжелые металлы	Высокотемпературные выбросы промышленных предприятий Сжигание ископаемого топлива Мусороперерабатывающие заводы
Твердые частицы (аэрозоли)	Извержения вулканов Пыльные бури Сжигание топлива Разные отрасли промышленности Лесные пожары
Радиоактивные вещества	Атомные электростанции Ядерные взрывы

Главными антропогенными источниками загрязнений атмосферы являются все виды процессов горения: сжигание топлива (угля, нефти, газа, торфа, древесины) для производства энергии, а также в двигателях автомобилей, лесные пожары и др.

Ископаемое топливо

↓ ↓ ↓

↓ +О₂ ↓ ↓

SO_{2 --------------------------------→} SO₃ ↓

Двуокись серы трехокись серы ↓

↓ +Н₂О ↓ +Н₂О ↓

↓ ↓ ↓

↓ +О₂ ↓ ↓

Н₂SO_{3-----------------------------→} Н₂SO₄ + окислы металлов

сернистая кислота серная кислота (Са и Fe)

↓

Сульфаты металлов

Рисунок 3.1 Химические реакции соединений серы в атмосферном воздухе

В процессах сжигания топлива выделяются окислы углерода СО и СО₂, частицы углерода — сажа, окислы серы и азота, другие вещества.

Наименьшие количества загрязнителей выбрасываются при сжигании природного газа и нефти, наибольшие — угля, в особенности низкосортного — окислы серы (SO₂, SO₃), частицы углерода (сажа), силиката кальция (зола), окислы металлов, в основном кальция и железа.

Окислы серы и азота соединяются в атмосфере с парами воды и образуют кислоты, выпадающие на Землю в виде кислотных осадков. Окислы металлов соединяются в воздухе с каплями кислот и образуют сульфаты металлов (рисунок 3.1).

Вещества, образуемые в атмосфере путем происходящих в ней химических реакций, называют вторичными загрязнителями.

Совокупность паров воды (туман), аэрозолей серной кислоты, сульфатов металлов и сажи, образующихся при сжигании угля, создают явление, называемое угольным, или промышленным смогом (от англ. smoke — дым и fog — туман), что в переводе означает «смесь дыма и тумана». Капли серной кислоты дополнительно адсорбируют воду и туман сгущается, достигая высокой степени кислотности. Высокие концентрации смога вызывают нарушение дыхания и болезни легких.

До середины XX в. в связи с распространением угольного отопления в жилых домах угольный смог был обычным явлением в крупных городах Англии, отчего получил название «лондонского» смога. В 1911 г. в Лондоне от угольного смога умерло 1150 человек, в 1952 г. — 4000, а в 1956 и 1957 г. еще 2500 человек. После этого, индивидуальные системы угольного отопле­ния в Лондоне были заменены на современные, не загрязняющие воздух.

Все более значительным фактором загрязнения атмосферы становится транспорт. Выхлопные газы автомобилей, работающих на бензине и мазуте, содержат окислы углерода (СО и СО₂), окислы азота, частицы несгоревшего топлива и продукты его неполного сгорания — углеводороды и сажу, при использовании этилированного бензина воздух загрязняют частицы свинца.

Под действием ультрафиолетовых лучей Солнца окислы азота и углеводороды вступают между собой в фотохимические реакции и образуют агрессивный фотохимический, или белый, смог, содержащий озон и другие сильные окислители — пероксиацетилнитраты (ПАН), альдегиды, кетоны и др.

Фотохимический смог образуется при следующем комплексе условий:

- высоком уровне солнечной инсоляции;

- большом числе автомобилей;

- наличии препятствий к разбавлению воздуха (расположение города в низменной местности, его окружение горами, явление температурной инверсии).

Впервые фотохимический смог был описан в Лос-Анджелесе, поэтому его еще называют лос-анджелесским (рисунок 3.2). Этот город лежит в лощине, с трех сторон окружен горами, а со стороны моря на него дуют прохладные ветры. В результате нижний слой воздуха оказывается более холодным, что не дает загрязнениям подняться и перевалить за горный хребет. Наибольшие концентрации фотохимического смога наблюдаются в Мехико, из-за огромного количества машин.

Рисунок 3.2 Формирование фотохимического смога

Таким образом, угольный («лондонский») и фотохимический смог различны по механизмам образования и имеют разные свойства (таблица 3.2).

Таблица 3.2 Сравнительная характеристика фотохимического и угольного смога

Характеристика	Фотохимический смог	Угольный смог
Температура воздуха	24-32 °С	(-1...+ 4) °С
Влажность	<70%	85% + туман
Изменения температуры	Падение на высоте 1000 м	Излучение на высоте нескольких сотен метров
Скорость ветра	<0,3 м/с	Безветренно
Видимость	<0,8-1,6км	<30м
Месяцы наиболее час того проявления	Август - сентябрь	Декабрь - январь
Основное топливо	Бензин	Уголь и бензин
Главные составляющие	О3, NО, NО2, СО	Частицы сажи, соединения серы, СО, пары воды
Тип химических реакций	Окислительные	Восстановительные
Время максимального сгущения	Полдень	Раннее утро
Действие на здоровье	Раздражение глаз	Раздражение дыхательных путей, кашель
Повреждение материалов	Резина	Известняки, мрамор, железо, бетон

Важнейшим свойством атмосферы является ее способность к разбавлению своих составляющих и их быстрому перемещению на большие расстояния.

Атмосфера имеет высокую способность к самоочищению за счет вымывания загрязнителей (твердых частиц и кислот) в составе осадков.

Загрязнители, приносимые воздушными массами с территорий других стран, называют трансграничными.

Качество воздуха в населенных пунктах Республики Казахстан

Загрязнение воздушного бассейна на территории республики оценивается в 20-ти населенных пунктах по результатам анализа и обработки проб воздуха, отобранных на стационарных постах наблюдений за загрязнением атмосферы (ПНЗ) национальной гидрометеорологической службы РГП «Казгидромет».

Таблица 3.3 - Сведения о степени загрязнения атмосферного воздуха городов РК в 2005 г.

Наименование примеси	Число городов	Средняя по городам	Число городов, где концентрации превышали ПДК
из средних концентраций	из максимальных концентраций
мг/м3	кратность превышения ПДК	мг/м3	кратность превышения ПДК	средние	максимальные
1. Взвешенные		0,16	1,0	2,11	4,2
2.Диоксид серы		0,0260	0,5	0,5886	1,2
3.Растворимые сульфаты		0,007		0,063
4.Оксид углерода		1,5	0,5	11,7	2,3
5.Диоксид азота		0,044	1,1	0,335	3,9
6.Оксид азота		0,026	0,4	0,1125	0,3
7.Аммиак		0,033	0,8	0,173	0,9
8.Сероводород		0,0017		0,012	1,5
9.Фтористый водород		0,0023	0,5	0,0700	3,5
10.Серная кислота		0,009	0,1	0,04	0,1
11.Фенол		0,0040	1,3	0,0226	2,3
12.Формальдегид		0,0089	3,0	0,0374	1,1
13.Хлор		0,015	0,5	0,165	0,8
14.Хлористый водород		0,036	0,4	0,52	2,6
15.Мышьяк		0,0018	0,6	0,012
16.Хром		0,0001	0,0	0,0011

Источник информации: РГП «Казгидромет» МООС РК

Исследуется 16 загрязняющих веществ, подлежащих контролю в воздушном бассейне Республики Казахстан. Одновременно с отбором проб воздуха измеряются метеорологические характеристики: направление и скорость ветра, температура и влажность воздуха, состояние погоды, позволяющие определить рассеивание примесей в атмосфере.

Основными критериями качества атмосферного воздуха являются значения предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ и уровень загрязнения атмосферы, который оценивается по величине комплексного индекса загрязнения атмосферы (ИЗА₅)

К загрязненным городам (ИЗА5≥ 5) отнесено 9 городов Казахстана, в том числе с высоким и очень высоким загрязнения воздуха (ИЗА5более 7) - 8 городов. Наибольший уровень загрязнения воздуха наблюдается в г.Алматы (ИЗА515,2), в Караганда – 13,9; Шымкент – 11,8; Актюбинск – 10,1; Усть-Каменогорск-8,7; Риддер и Темиртау по 8,3; Тараз-8,0; Жезказган – 5,5 ИЗА5.

Рисунок 3.3 Средние концентрации примесей (кратные ПДК) по РК в 2005 г.

Источник информации: РГП «Казгидромет»

В 17 городах республики средние за год значения концентраций загрязняющих веществ хотя бы одной примесью превышают ПДК, а в 6 городах (Алматы, Караганда, Риддер, Темиртау, Усть-Каменогорск, Шымкент) выше ПДК были концентрации сразу трех и более веществ.

Главной причиной загрязнения атмосферы является производство всех видов энергии.

Но воздух загрязняют и другие отрасли промышленности, в особенности горнодобывающая, тяжелая, атомная, а также мусороперерабатывающие заводы, выхлопные газы автотранспорта и др.
Наиболее сильное загрязнение атмосферы имеется в городах, но в последнее время оно приобретает все более глобальный характер.

Загрязнение воздушного бассейна на территории республики наблюдается в 20-ти населенных пунктах по результатам анализа и обработки проб воздуха, отобранных на стационарных постах наблюдений за загрязнением атмосферы (ПНЗ) Национальной гидрометеорологической службы Казахстана.

Загрязнение атмосферных осадков и снежного покрова

Данные о химическом составе жидких и твердых осадков служат показателем загрязнения слоя атмосферы, в котором образуются облака и

Рис. 3.4 Динамика индекса загрязнения атмосферы (ИЗА₅) по городам РК.

Источник информации: РГП «Казгидромет»

выпадают осадки. Химико-аналитические анализы атмосферных осадков определяют 14 показателей, По программе Всемирной метеорологической организации (ВМО) в пробах осадков и снега определялись анионы - сульфаты, хлориды, нитраты; катионы - аммоний, натрий, калий, кальций, магний; микроэлементы – свинец, медь, кадмий, мышьяк, кислотность и удельная электропроводность.

Наблюдения за химическим составом атмосферных осадков заключались в отборе проб дождевой воды на 41 метеорологической станции (МС), расположенных как в сельской местности, так и в городах республики. Пробы снега на территории Казахстана отбираются 32 МС один раз за зиму в период максимального накопления влагозапаса в снеге.

Снежный покров является индикатором загрязнения атмосферного воздуха, в нем накапливается суммарное количество загрязняющих веществ, выпадающих из атмосферного воздуха с начала периода установления устойчивого снежного покрова, что помогает выявить ареал распространения загрязняющих веществ от выбросов промышленных предприятий, включая трансграничный перенос.

Почти по всей территории республики в снежном покрове преобладют содержание гидрокарбонаты (31%), сульфаты (21 %), хлоридные ионы (13 %) и ионыв кальция (12 %).

Все определяемые примеси, в том числе соли тяжелых металлов в осадках и снежном покрове не превышают ПДК.

Тяжелые металлы. Средние концентрации свинца, меди, мышьяка в атмосферных осадках остаются в пределах нормы. Максимальные концентрации в атмосферных осадках свинца отмечены в г. Алматы – 15,1 мкг/л. Концентрации меди (57,0 мкг/л), мышьяка (27,3 мкг/л) и кадмия (3,4 мкг/л) обнаружены в г. Балхаш.

Кислотность проб снежного покрова имеет характер нейтральной и слабощелочной среды.

Тестовые вопросы

1. Назовите естественный источник загрязнения атмосферы, являющийся наиболее значительным и опасным? A) извержения вулканов B) все виды процессов горения, лесные пожары C) ветровая эрозия почв, пыльные бури D) испарения летучих органических веществ с листьев растений   2. Как называется совокупность паров воды (туман), аэрозолей серной кислоты, сульфатов металлов и сажи, образующихся при сжигании угля? A) фотохимические окислители B) угольный или промышленный смог C) фитохимический или белый смог D) разложение органики

3. Назовите основное загрязняющее вещество, поступающее в атмосферу от передвижных источников - транспорта? A) оксид углерода B) углеводороды C) оксиды азота D) выхлопные газы   4. Как называется процесс, при котором под действием ультрафиолетовых лучей Солнца окислы азота и углеводороды вступают между собой в химическую реакцию? A) фотохимические окислители B) угольный или промышленный смог C) фитохимический или белый смог D) разложение органики

Глоссарий

На русском языке	На казахском языке	На английском языке
Загрязнение	Ластану	Contamination
Воздушный бассейн	Ауа бассейні	Air pool
Территория республики	Республика аумағы	Territory of the republic
Косвенное воздействие	жанама әсер	Indirect influence
Анализ и обработка	Анализ және өңдеу	Analysis and processing
Метеорологические характеристики	Метеорологиялық қасиеттері	Meteorological features
Снежный покров	Қар жамылғы	Snow cover
Тяжелые металлы	Ауыр металдар	Heavy metals
Промышленный смог	Өнеркәсіптік шаң	Industrial smog
Фотохимический смог	Фотохимиялық шаң	Fotohimicheskiy smog
Самоочищение атмосферы	Атмосфераның өзін-өзі тазаруы	Samoochischenie atmosphere

Тема СРС

1) Составить схему формирования промышленного смога, (Л 1, стр.309-309).

Тема СРСП

1) Составить схему формирования фотохимического смога (Л 1, стр.309-310).

Список основной литературы

1.Чебышев Н.В., Филиппова А.В. Основы экологии. – Москва, 2004 г.

2.Национальный доклад о состоянии окружающей среды в Республике Казахстан, МООС РК, Алматы, 2007 г.

3. В.Г.Игнатов, А.В.Кокин. Экология и экономика природопользования., Р-на-Д, 2003 г.

4. Л.И.Губарева, О.М.Мизирева, Т.М. Чурилова. Экология человека. М., 2005

5 Г.С.Оспанова, Г.Т.Бозшатаева. Экология. – Алматы, 2002

6. Под редакцией А.С.Степановских. Общая экология. М., 2001.

Дата добавления: 2015-11-14