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 (СХНХ) 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 ↓ ↓
SO2 --------------------------------→ SO3 ↓
Двуокись серы трехокись серы ↓
↓ +Н2О ↓ +Н2О ↓
↓ ↓ ↓
↓ +О2 ↓ ↓
Н2SO3-----------------------------→ 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.