1.Источники загрязнения атмосферы в условиях урбоэкосистем.
2.Характеристика загрязняющих атмосферу городов веществ.
3.Процессы формирования состава атмосферного воздуха в населенном пункте.
4.Нормирование качества атмосферного воздуха городской среды.
5.Мероприятия по защите воздушного бассейна урбанизированных территорий.
6.Физические воздействия в условиях городской среды.
Примерный состав атмосферного воздуха (в объемных процентах в пересчете на сухой воздух): 78,1% - азот; 20,85% - кислород; 0,93% - аргон; 0,033% - диоксид углерода; 0,087% - приходится на долю остальных компонентов (неон, гелий, криптон, ксенон, озон, водород и др).
Общая масса атмосферы составляет 5,14∙1015 т. Около 50% массы атмосферы приходится на нижний слой толщиной около 5 км.
Состав атмосферы находится в состоянии динамического равновесия, поддерживаемого следующими факторами:
климатическими: перемещение воздушных масс (ветер и конвекция), атмосферные осадки;
жизнедеятельность животного и растительного мира (особенно лесов и планктона Мирового океана);
геохимические явления;
хозяйственная деятельность человека;
космические процессы.
Атмосфера выполняет следующие функции:
1. Содержит кислород, необходимый для дыхания живых организмов;
2. Является источником углекислого газа для фотосинтеза растений;
3. Защищает живые организмы от космических излучений;
4. Сохраняет тепло Земли и регулирует климат;
5. Трансформирует газообразные продукты обмена веществ;
6. Переносит водяные пары по планете;
7. Является средой обитания летающих форм организмов;
8. Служит источником химического сырья и энергии;
9. Принимает и трансформирует газообразные и пылевидные отходы.
Источники выбросов в атмосферу подразделяются на две группы: естественные и антропогенные.
1) Естественные, обусловлены природными процессами: пыльные бури, массивы зеленых насаждений в период цветения, степные и лесные пожары, извержения вулканов. Примеси, выделяемые естественными источниками: пыль растительного, вулканического, космического происхождения, продукты эрозии почвы, частицы морской соли; туманы, дым и газы от лесных пожаров; газы вулканического происхождения, продукты растительного, животного, бактериального происхождения.
Естественные источники обычно бывают площадными и действуют сравнительно кратковременно. Уровень загрязнения атмосферы естественными источниками является фоновым и мало изменяется с течением времени.
2) Антропогенные (техногенные), являются результатом деятельности человека. Они представляют главным образом выбросы промышленных предприятий и автотранспорта, отличаются многочисленностью и разнообразием видов.
Антропогенные источники выбросов бывают:
- стационарными (обусловлены работой промышленных предприятий): высокая или низкая дымовая труба, испарения с поверхности бассейна, пыление при загрузке сыпучих материалов и др.;
- передвижными (при движении различных видов транспорта).
Отличительные особенности стационарных и передвижных источников загрязнения:
1) Сбросы стационарных источников в отличие от мобильных, происходят, как правило, на большой высоте, вследствие чег,о производимые ими загрязнения распространяются на большой территории (в зависимости от высоты труб). Эти зоны, накладываясь друг на друга, образуют области устойчивых загрязнений в промышленных районах города, распространяющихся на высоту до 150м и более.
2) В отличие от стационарных источников загрязнение воздушного бассейна автотранспортом происходит на небольшой высоте и практически всегда имеет локальный характер.
3) Доля стационарных источников загрязнения атмосферы городов имеет тенденцию к неуклонному сокращению. Это объясняется не столько ростом автомобильного парка, сколько тем, что уменьшить объем выбросов у стационарных источников значительно проще, чем у автомобилей (газификацией промышленного производства и топливно-энергетического комплекса, установкой газоочистных систем, ликвидацией мелких котельных).
4) Стационарные источники выбрасывают в воздух главным образом сернистый газ, окислы азота, некоторое количество угарного газа, фенолов, серной кислоты и других загрязняющих веществ в зависимости от специфики промышленного производства города и состава используемого топлива. В целом выбросы автотранспорта значительно более токсичны, чем выбросы, производимые стационарными источниками.
Источники загрязнения бывают: точечные, линейные и площадные; незатененные или затененные.
Точечные источники – это загрязнения сосредоточенные в одном месте. К ним относят дымовые трубы, вентиляционные шахты.
Линейные источники имеют значительную протяженность. Это аэрационные фонари, ряды открытых окон, автотрассы.
Площадные источники. Здесь удаляемые загрязнения рассредоточены по плоскости промышленной площадки предприятия. К площадным источникам относятся места складирования производственных и бытовых отходов, автостоянки, склады горюче-смазочных материалов.
Незатененные, или высокие, источники расположены в недеформированном потоке ветра. Это дымовые трубы и другие источники, выбрасывающие загрязнения на высоту, превышающую 2,5 высоты расположенных поблизости зданий и других предприятий.
Затененные источники расположены в зоне подпора или аэродинамической тени здания или другого предприятия.
Источники выбросов загрязняющих веществ в атмосферу подразделяют на организованные и неорганизованные.
Из организованного источника загрязняющие вещества поступают в атмосферу через специально сооруженные газоходы, воздуховоды и трубы.
Неорганизованный источник выделения загрязняющих веществ образуется в результате нарушения герметичности оборудования, отсутствия или неудовлетворительной работы оборудования по отсосу пыли а газов, в местах загрузки, выгрузки или хранения продукта. К неорганизованным источникам относят автостоянки, склады горюче-смазочных или сыпучих материалов и другие площадные источники.
Загрязнение атмосферы – изменение состава атмосферы в результате попадания в нее примесей. Примесь в атмосфере – это рассеянное в атмосфере вещество, не содержащееся в ее постоянном составе. Загрязняющее воздух вещество – это примесь в атмосфере, оказывающая неблагоприятное воздействие на окружающую среду и здоровье населения.
Поскольку примеси в атмосфере могут претерпевать различные превращения, их можно условно разделить на первичные и вторичные.
- первичная примесь в атмосфере – примесь, сохранившая за рассматриваемый интервал времени свои физические и химические свойства.
- вторичная примесь в атмосфере – это примесь в атмосфере, образовавшаяся в результате превращения первичных примесей.
Распространение загрязняющих атмосферу веществ наблюдается на:
1). Макротерриториальном уровне (крупные страны и регионы) за счет миграции аэрозоли (серная кислота, сульфаты), пыли и т.д.
2). На мезотерриториальном уровне (малые страны, городские агломерации, промышленные районы) при соответствующих метеорологических условиях распространяются сернистые газы, пестициды, соли тяжелых металлов.
3). На микротерриториальном уровне распространяются углеводороды, пыль, окислы азота и др. вещества, миграция которых на большие расстояния затруднена за счет физико-химических особенностей.
Вещества, загрязняющие атмосферу, могут быть твердыми, жидкими или газообразными. Они могут оказывать вредное воздействие на окружающую среду непосредственно, после химических превращений в атмосфере, либо в сочетании с другими веществами. Газообразные и жидки загрязняющие вещества могут различаться по химическому составу, например, соединения азота неорганические (азотная кислота) и органические (амины). Одна из наиболее часто употребляемых классификаций твердых загрязняющих веществ – по содержанию вредных примесей: 1-я группа – пыль, содержащая токсичные компоненты, например тяжелые металлы и другие биологически активные токсичные вещества – мышьяк, бериллий, фтор, германий, марганец, ртуть, цианиды, радиоактивные вещества; 2-я группа – пыль без биологически активных токсичных компонентов – пыль с фракциями асбеста, каменноугольная пыль, пыль от агломерирования руды, переработки хлопка, шерсти и др.
В зависимости от размера пыль подразделяется на: крупнодисперсную (размеры частиц выше 10 мкм); среднедисперсную (от 10 до 0,25 мкм); мелкодисперсную (менее 0,25 мкм). Наиболее опасна мелкодисперсная пыль, так как при длительном вдыхании она оседает в легких и бронхах. Средний размер частиц пыли в атмосферном воздухе – 7-8 мкм.
Загрязняющие вещества группируются также по принципу их действия: аллергены, тяжелые металлы, радиоактивные вещества, канцерогены, мутагены.
Классификация веществ, поступающих в атмосферу города с 1 млн. населением (в модели усредненная площадь 300 км2).
1. Самая большая доля атмосферных выбросов принадлежит оксиду углерода (СО) и сернистому ангидриду (SO3), плотность выбросов этих веществ составляет 800т в год; значительны также плотность выбросов пыли – около 500 тыс. т в год и окислов азота (NOх) – 165 тыс. т в год. Внутригодовое распределение этих выбросов достаточно неравномерно. Максимум поступлений в атмосферу отмечается в зимние месяцы, когда на полную мощность работают тепловые электростанции и котельные.
2. Еще один важный компонент загрязнений приземного слоя атмосферы – углеводороды (СmHn) до 108 тыс. т в год.
3. Группа веществ, поступающих в воздух городов, содержится в количествах, на несколько порядков меньших, чем предыдущие. Это органические вещества (фенолы, спирты, растворители, жирные кислоты, бензол) суммарная масса которых достигает 8 тыс. т в год. Примерно одинаковых количествах (по 5 тыс. т.) выбрасываются в атмосферу сероводород и хлор.
4. Количество выбросов группы наиболее токсичных для человека и объектов живой природы веществ – свинца, ртути, мышьяка, кадмия, бенз(а)пирена составляет от сотен до нескольких тонн в год.
Оксид углерода (СО) самая распространенная и наиболее значимая примесь атмосферы. Содержание СО в естественных условиях от 0,01 до 0,2 мг/м3. Содержание СО в воздухе крупных городов колеблется в пределах 1 – 250 мг/ м3, при среднем значении 20 мг/м3. Основная масса выбросов образуется в процессе сжигания органического топлива, прежде всего в двигателях внутреннего сгорания. Наиболее высокая концентрация СО наблюдается на улицах с интенсивным движением, особенно у перекрестков.
Диоксид серы (SO2) и сернистый ангидрид (SO3) в комбинации со взвешенными частицами и влагой оказывают наиболее вредное воздействие на человека, живые организмы, материальные ценности. Диоксид серы – бесцветный, негорючий газ, запах которого начинает ощущаться при его концентрации в воздухе 0,3-1,0 мг/м3, а при концентрации свыше 3 мг/м3 SO2 имеет острый раздражающий запах. На его долю приходится до 95% от общего объема сернистых соединений, поступающих в атмосферу от антропогенных источников (при сжигании угля, мазута). Диоксид серы в смеси с твердыми частицами и серной кислотой уже при среднегодовом содержании 9,04-0,09 мг/м3 и концентрации дыма 150-200 мкг/м3 приводит к увеличению симптомов затрудненного дыхания. При концентрации SO2 0,3-0,5 мг/м3 в результате нарушения фотосинтеза происходит усыхание хвои в течение 2-3 лет. Аналогичные изменения происходят у лиственных деревьев при концентрации SO2 0,5-1 мг/м3. Также оксид серы ускоряет процессы коррозии металлов, вызывает разъедание строительных материалов, выцветание красок. Длительное воздействие даже относительно низких концентраций сернистого ангидрида увеличивает смертность от сердечно-сосудистых заболеваний, способствует возникновению бронхитов, астмы и других респираторных заболеваний.
Углеводороды (СmHn – пары бензина, метан, пентан, гексан) являются не столь агрессивными веществами, как сероводород и оксид углерода, однако их длительное действие приводит нарушению ряда функций организма человека, снижению иммунитета. Основной техногенный источник выбросов углеводородов – автотранспорт. К углеводородам относится и бенз(а)пирен , образующийся при сгорании органических соединений, при сжигании в производстве и домашнем хозяйстве угля, горючего газа и нефти. Как и другие углеводороды – канцерогенен.
Оксиды азота (NOх) образуются в процессе горения при высокой температуре путем окисления части азота, находящегося в атмосферном воздухе. Оксиды азота - смесь различных оксидов NO2, N2O3, N2O4. Прежде всего ядовит оксид азота NO2 – газ желтого цвета, придающий воздуху в городах коричневатый оттенок. Основной источник выбросов NOх – двигатели внутреннего сгорания, топки промышленных котлов, печи. NOх соединяющиеся при участии ультрафиолетовой солнечной радиации с углеводородами образуют фотохимические окислители (ПАН и другие). Эти окислители – основные составляющие фотохимического смога. Все окислители являются сильными раздражителями, вызывая воспаление глаз, а в комбинации с озоном раздражают носоглотку, приводят к спазмам грудной клетки, а при концентрации выше 3-4 мг/м3 вызывают сильный кашель, головную боль, рвоту.
Существенной особенностью крупных городов с населением более 500 тыс. человек является то, что с увеличением территории города и численности его жителей в них неуклонно возрастает дифференциация концентраций загрязнения в различных районах:
-невысокие уровни концентрации в периферийных районах;
- резкое увеличение концентрации загрязнения в зонах крупных промышленных предприятий;
-значительная концентрация загрязнения в центральных районах города, несмотря на отсутствие в них крупных промышленных предприятий. Это вызывается несколькими причинами. Во-первых интенсивным движением автотранспорта. Во-вторых тем, что в центральных районах воздух на несколько градусов выше, чем в периферийных, - это приводит к появлению над центрами городов восходящих воздушных потоков, засасывающих загрязненный воздух из промышленных районов, расположенных на ближней периферии.
Рассеивание загрязняющих веществ в атмосфере.
На процесс рассеивания загрязняющих веществ существенное влияние оказывают следующие факторы: состояние атмосферы, физические и химические свойства выбрасываемых веществ, высота и диаметр источника выбросов, расположение источников, рельеф местности. Рассмотрим влияние климатических условий на рассеивание примесей в атмосфере городов.
Наибольшее влияние оказывает режим ветра и температуры (температурной стратификации), количество и режим осадков, туманы, солнечная радиация.
Ветер может оказывать различное влияние на процесс рассеивания примесей в зависимости от скорости, типа источника и характеристики выбросов. Рассеивание выбросов в зависимости от скорости ветра и типа источника. Чем выше скорость ветра, тем быстрее происходи рассеивание выбросов. Однако эта прямая зависимость проявляется только на небольшой высоте от поверхности. Поэтому существует такое понятие как «опасная скорость ветра». При высоких выбросах порог «опасной скорости ветра» повышается до 4-7 м/сек, при низких выбросах – 1-2 м/сек. В воздухе городских агломераций различают два слоя повышенной концентрации загрязняющих веществ в зависимости от скорости ветра:
- первый характерен для низких выбросов (в основном автотранспорта);
- второй для высоких выбросов крупных промышленных предприятий.
Рассеивание примесей в зависимости от характеристики выбросов. Если выбрасываемые газы перегреты относительно окружающего воздуха, то они обладают начальной высотой подъема. В связи с этим вблизи источника создается поле вертикальных скоростей, способствующих подъему факела и уносу примесей вверх. Этот подъем обуславливает уменьшение концентрации примеси у земли. При холодных источниках в сочетании со слабым ветром повышенный уровень загрязнения наблюдается в приземном слое.
Температурная стратификация. Уровень приземной концентрации газовых выбросов зависит также от температурной стратификации атмосферы. Если температура окружающего воздуха понижается с высотой, нагретые массы воздуха поднимаются вверх (конвекция), а взамен их опускаются холодные. Такие условия называются конвективными.
Наличие в городах «островов тепла» приводит к образованию приземных и приподнятых температурных инверсий. Инверсионные условия создаются если температура возрастает с высотой. При этом поднимающийся поток становится холоднее окружающих воздушных масс и его движение затухает. Если повышение температуры начинается непосредственно от поверхности земли, инверсию называют приземной, если же с некоторой высот над поверхностью земли – приподнятой. Инверсии затрудняют вертикальный воздухообмен и рассеивание примесей в атмосфере. Приземные инверсии способствуют концентрации низких выбросов, приподнятые инверсии – концентрации высоких выбросов.
Туманы. Капли тумана поглощают примесь, причем не только вблизи подстилающей поверхности, но и из вышележащих, наиболее загрязненных слоев воздуха. Вследствие этого концентрация примесей сильно возрастает в слое тумана и уменьшается над ним. Растворение сернистого газа в каплях тумана приводит к образованию сернистой кислоты.