2.2 Состав атмосферного воздуха и показатели качества воздушной среды

2.2.1 Состав атмосферного воздуха

По своему химическому составу атмосферный воздух представляет смесь газов (таблица 2.2).

Таблица 2.1 – Состав сухого незагрязненного воздуха

Газ	Концентрация по объему
Азот (N2) Кислород (О2) Аргон (Аr) Диоксид углерода (СО2) Неон (Ne) Гелий (Не) Метан (СН4) Криптон (К2) Водород (Н2) Оксид азота (N2O) Ксенон (Хе)	78,084 % 20,95 % 0,934 % 0,02-0,032 18,18 млн -1 5,24 млн -1 1,3-1,6 млн -1 1,14 млн -1 0,5 млн -1 0,25-0,35 млн -1 0,087 млн -1

Различают постоянные, переменные и случайные составные части воздуха.

По постоянным компонентам состав воздуха выражается:

в % по объему по массе

Азот 78,08 75,5

Кислород 20,95 23,2

Аргон 0,93 1,28

Неон и другие 0,01 0,02

инертные газы

К переменным составляющим относятся углекислый газ и водяной пар, то есть их содержание в воздухе может изменяться.

Случайные составные части воздуха подразделяют на:

1) различные газы, которые могут образоваться в результате жизнидеятельности организмов, разложения органических веществ, пожаров, деятельности вулканов, промышленной деятельности человека;

2) пары или капельки жидкостей, происхождение которых относят, главным образом, за счет загрязнения воздуха промышленными процессами;

3) твердые составные примеси – пыль, дым и прочие, образующиеся как при выветривании горных пород и почвы у поверхности земли, так и при производственной деятельности человека.

Аэрозоли в атмосфере. Совокупность мельчайших твердых частиц и капель, подверженных броуновскому движению и обладающих пренебрежимо малой способностью к седиментации, называется аэрозолем. Обычно радиус аэрозольных частиц менее 1 мкм. Более крупные частицы принято называть пылью. Даже самый чистыйатмосферный воздух всегда содержит аэрозоль, поскольку последний образуется в результате естественных процессов и без участия человека (почвенное и грунтовое пыление, вулканическая деятельность, океанический солевой аэрозоль, лесные пожары). Представление о мощности источников естественного поступления аэрозолей в атмосферу дает Таблица 2.2

Таблица 2.2 – Источники поступления аэрозольных частиц в атмосферу

Источник	Мощность, т/год
Морская соль	1500
Пыление почв	750
Вулканическая деятельность	50
Лесные пожары	35
Метеориты	1

Несмотря на свои малые размеры и невысокие концентрации аэрозольные частицы играют исключительно важную роль в формировании климата и тех рисков здоровью населения, которые всегда сопровождают человеческую деятельность. Особенно опасны радиоактивные аэрозоли. Многие реакции, в том числе и фотохимические, протекают с участием аэрозольных частиц, поверхность которых выступает как каталитическая.

Вода в атмосферном воздухе. Хотя объем паров в атмосфере составляет менее 2 %, ее следует рассматривать как важнейшую составляющую, определяющую протекание многих химических реакций в атмосфере и являющуюся основным источником гидроксил - радикалов. Последние, как известно, обуславливают трансформацию многих органических и неорганических веществ в атмосфере. Наличие паров – обязательное условие образования атмосферных смогов лондонского типа. Кроме того, вода влияет как на правильность пробоотбора, так и на правильность проведения ряда анализов. Многие вещества в следовых концентрациях сосредоточены в жидкокапельной фазе, а это означает, что время пребывания этих веществ в атмосфере полностью обусловлено временем пребывания в ней воды. Среднее время пребывания воды в атмосфере – 10 суток, хотя оно может возрастать до 15 суток на полюсах и уменьшаться до 7 суток в средних широтах.

В Таблице 2.1 вода не упоминается вследствие исключительно высокой вариабельности своих концентраций. Одна из причин вареабельности – изменение парциального давления паров воды в зависимости от температуры. Именно поэтому содержание воды в воздухе снижается при перемещении к полюсам и по мере подъема в верхние слои атмосферы.

Природные органические вещества. Наличие растительной и живой жизни на Земле – основная причина присутствия в атмосферном воздухе небольших по количеству, но важных по следствиям органических веществ. Часть из них, например метан, ответственны за климатические изменения благодаря своему парниковому эффекту. Другая часть учувствует в реакциях, определяющих образование смогов, также в важнейших атмосферных процессах.

Таблица 2.3 дает представление об уровнях концентраций некоторых углеводородов в атмосферном воздухе различных районов Земли.

Таблица 2.3 – Концентрации углеводородов в воздухе (млрд ^-1)

Углеводород	Лесной воздух	Другие районы
Метан	-	1600 (Фон)
Этан	2,5	0,05 (Арктика)
Этилен	0,05	-
Ацетилен	0,4	0,1 (в чистых районах)
Пропан	1,6	-
н-Бутан	0,6	0,07 (Арктика)
α-Пинен	0,035	0,2 (хвойные леса США)

Заметим, что концентрация метана, который является одним из главных компонентов атмосферы и который в основном имеет природное происхождение, непрерывно возрастает. Например, 20 лет назад концентрация метана была на уровне 1460 млрд ^-1 (по данным станции наблюдения Кейн-Грим на о. Тасмания). Мы упоминаем здесь об этом, поскольку метан относится к парниковым газам, участвующим кроме того в образовании озона в тропосфере. Концентрация этого постоянного компонента атмосферы подвержена сезонным изменениям. Максимумы приходятся на весну и осень, минимумы - на зиму и лето. Кроме того (по вполне понятным причинам) наблюдается весьма существенная пространственная (гео­графическая) неоднородность содержания метана в атмосфере. Наи­более высокое содержание метана, порой достигающее 5000 млрд ^-1, обнаружено в воздухе над нефтяными, газовыми и каменноуголь­ными провинциями, а также над сейсмически и тектонически актив­ными районами. Самые низкие концентрации - в воздухе высоко­горных районов.

Некоторые техногенные загрязняющие вещества в атмосфере. Разнообразные технологические процессы и виды человече­ской деятельности являются источником многочисленных газовых примесей в атмосфере. Ниже будут рассмотрены только те из них, которые имеют достаточно большое время жизни в атмосфере и/или поступают в нее в больших количествах. Именно поэтому их можно обнаружить на большом отдалении от источников. К таким приме­сям относятся прежде всего диоксид серы - SOi и монооксид угле­рода - СО, выбрасываемые в больших количествах предприятиями цветной металлургии и тепловыми электростанциями (SO2), а также предприятиями черной металлургии (СО).

Знание уровня их концентраций в регионах важно, поскольку нормирование выбросов зависит от величины фоновых концентра­ций нормируемых веществ. В случае SO2 и СО региональные фоно­вые концентрации колеблются в весьма широких пределах, остава­ясь все же ниже ПДКсс.

Превышения концентраций примесей над фоновыми в среднем составляют : СО - 80-1250 раз, SO2 - 50-300 раз, NO2 - до 25 раз, Оз - до 7 раз.

Озонразрушающие галогенсодержащие соединения. Галогенсодержащие производные углеводородов (ГСПУ) яв­ляются одной из наиболее интенсивно изучаемых групп органиче­ских компонентов атмосферы со времен опубликования работ Роуленда и Молины, содержавших гипотезу о разрушении озонового стратосферного слоя Земли вследствие эмиссии фреонов - фторхлоруглеводородов (ФХУ). Последние поступают в атмосферу в основ­ном из антропогенных источников, однако, имея большое время жизни, они стали почти «постоянным» компонентом атмосферы. Такие вещества, которые повсеместно обнаруживаются благодаря своему длительному времени жизни, как уже говорилось, называют глобальными ЗВ (обычно они имеют время жизни в атмосфере более 1 года).

Органические персистентные вещества. Человеческая деятельность породила целый ряд ксенобиотиков (т.е. чуждых биоте веществ), которые исключительно трудно разлагаются в природной среде под действием химических, фотохимических и биохимических процессов. Это свойство называют персистентностью. Благодаря большому времени жизни, достигающему иногда десятков лет, такие вещества оказываются во всех географических зонах и во всех средах.

Главным переносчиком на большие расстояния, как всегда, оказывается воздушная среда. Даже несмотря на малые парциальные давления своих паров эти загрязняющие вещества обнаруживаются в повышенных концентрациях в таких, казалось бы, труднодоступных регионах как Арктика и Антарктика.

Жидкие и твердые аэрозольные частицы играют при таком переносе исключительно важную роль, поскольку такие ксенобиотики «путеневствуют» на частицах аэрозоля в адсорбированном состоянии. В процессах переноса на малые и сверхмалые расстояния исключительную роль для этих веществ играет свойство лиофильности, позволяющее объяснить концентрирование таких веществ в жировых тканях живых организмов и в малополярных средах. Наоборот, водная среда чужда этим веществам.

Опасность супертоксикантов для человека определяется прежде всего именно способностью к аккумуляции в жировых тканях. При этом различные болезненные состояния развиваются не сразу, а спустя время, достаточное для накопления критических доз (Таблица 2.4). В этом случае органические персистентные супертоксиканты напоминают радиоактивные вещества. Отдельные из них обладают ярко выраженной канцерогенностью, другие – проявляют эмбриотоксичность, третьи вызывают мутации у потомства. Часто действие не ограничивается только одним эффектом, а наблюдается комплекс негативных последствий. Многие из супертоксикантов влияют на иммунную систему и на репродуктивные функции.

Таблица 2.4 – ПДК и ориентировочные уровни безопасного загрязнения атмосферного воздуха супертоксикантами

Вещество	ПДК или допустимые уровни мг/м3
Диоксины (в эквивалентах токсичности)*	3Ч10-10
Бен-а-пирен	1Ч10-6
ДДТ	5Ч10-4
Гексахлорциклогексан	1Ч10-2
N – нитрозодиметиламин	5Ч10-2
* за единицу таксичности принимается токсичность 3,3,7,8 – тетрахлор-п-дибензодиоксина; все остальные изомеры и гомологи (конгенеры) обладают токсичностью намного меньше 1, таким образом для оценки токсичности смесей (например 209 конгенеров ПХБ) следует пользоваться эквивалентами токсичности.

2.2.2 Показатели качества атмосферного воздуха

Основными показателями качества атмосферного воздуха, характеризующими воздействие на природную среду, являются:

1) критические нагрузки – потоки массы в единицу времени в объект окружающей среды (Таблица 2.5);

2) критические уровни концентрации загрязняющих веществ – максимальные значения выпадений концентраций в атмосферном воздухе ЗВ, которые не приводят к вредным воздействиям на структуры и функции экосистем в долговременном плане.

Основные критерии опасности загрязнения воздуха основаны на санитарно-гигиеническом нормативе – предельно допустимой концентрации (ПДК) вредных примесей. В России при установлении ПДК принимается самый низкий уровень воздействия, когда еще не обнаруживается никакого прямого или косвенного вредного воздействия загрязнения на человека. Для оценки степени кратковременного воздействия примеси на организм человека применяются максимально разовые ПДК, относимые к 20-30 минутному интервалу времени.

Согласно действующим положениям для некоторых ингредиентов можно ссумировать их вредное воздействие. При наличии n таких ингредиентов соответственно с концентрациями Сi предельно допустимыми концентрациями ПДКi требуется, чтобы выполнялось соотношение

< 1 (1)

Уровень загрязнения атмосферы обычно описывается набором статических характеристик для ряда измеряемых вредных веществ. Для оценки степени загрязнения атмосферы средние (максмальные) концентрации веществ нормируются на величину средней (макси­мальной) концентрации для большого региона или на санитарно-гигиенический норматив (ПДК).

Нормированные характеристики загрязнения атмосферы ино­гда называют Индексом загрязнения атмосферы (ИЗА). В практической работе используют большое количество раз­личных ИЗА. Некоторые из них основаны на косвенных показателях загрязнения атмосферы, например, на видимости атмосферы, на ко­эффициенте прозрачности.

Различные ИЗА, которые можно разделить на 2 основные группы:

1) Единичные индексы загрязнения атмосферы одной приме­сью.

2) Комплексные показатели загрязнения атмосферы несколь­кими веществами.

К единичным индексам относятся:

1) Коэффициент для выражения концентрации примеси в еди­ницах ПДК (а), т.е. значение максимальной или средней концентра­ции, приведенное к ПДК

а=Сi/ПДКi (2)

Этот ИЗА используется как критерий качества атмосферного воздуха отдельными примесями.

2) Повторяемость (g) концентраций примеси в воздухе выше заданного уровня по посту либо по К постам юрода за год . Это процент (%) случаев превышения заданного уровня разовыми значениями концентрации примеси

g = (m/n)100% , (3)

где п - число наблюдений за рассматриваемый период,

m - число случаев превышения разовыми концентрациями на посту .

3) ИЗА (I) отдельной примесью - количественная характеристика уровня загрязнения атмосферы отдельной примесью, учитывающая класс опасности вещества через нормиро­вание на опасность SO2

I=(Qi / ПДКсс)^Кi (4)

где i - примесь,

Ki - константа для различных классов опасности по приведению к степени вредности диоксида серы,

Qr - среднего­довая концентрация примеси.

Для веществ различных классов опасности Ki принимается

класс опасности 1 2 3 4

Ki 1,7 1,3 1,0 0,9

Расчет ИЗА основан на предположении, что на уровне ПДК все вредные вещества характеризуются одинаковым влиянием на человека, а при дальнейшем увеличении концентрации степень их вредности возрастает с различной скоростью, которая зависит от класса опасности вещества.

Данный ИЗА используют для характеристики вклада отдельных примесей в общий уровень загрязнения атмосферы за данный период времени на данной территории и для сравнения степени загрязнен <f атмосферы различными веществами.

К комплексным показателям качества относятся:

1) Комплексный индекс загрязнения атмосферы города (КИЗА) -это количественная характеристика уровня загрязнения атмосферы, создаваемого n веществами, присутствующими в атмосфере города

In =∑Ii, (5)

где Ii — единичный индекс загрязнения атмосферы i-ым вещест­вом.

Комплексный индекс загрязнения атмосферы приоритетными веществами - количественная характеристика уровня загряз­нения атмосферы приоритетными веществами, определяющими загрязнение атмосферы в города, рассчитывается аналогично КИЗА.

Для обеспечения необходимой чистоты воздушного бассейна необходимо нормировать вредные промышленные выбросы в атмосферу. В соответствии с нормативными документами в РФ устанавливаются предельно допустимые выбросы (ПДВ) и временно согласованные выбросы (ВСВ).

По определению ПДВ представляет собой количество выбросов от отдельных источников, при которых в районе их расположения с учетом действия окружающих источников концентрация примеси не превышает ПДК. В случаях, когда установление ПДВ по объективным причинам невозвожно, предусматривается поэтапное снижение выбросов и определение ВСВ.

Таблица 2.5 – Критерии загрязнения атмосферного воздуха по веществам, влияющим на наземную растительность и водные экосистемы

№	Показатели, мкг/м3	Параметры		Норма	Время воздействия
		экологич. бедствия	чрезв. экол ситуации
Критические уровни для наземной растительности
1	SO2	>200	100-200	<20	Среднегод.
2	NO2	>300	200-300	<30	Среднегод.
3	HF	>20	10-20	<2-3	Долговр. возд.
4	O3	>1500	1000-1500	<150	Макс. за 1ч.
5	O3	>600	400-600	<60	Ср.в теч.3ч.
6	O3	>500	300-500	<50	Ср.с 9до16ч
Критические нагрузки для лесных и водных экосистем
7	СоединенияS, г/м2	>5.0	3.0-5.0	<0.32	Север. и центр.район
8	СоединенияN, г/м2 в год	>4.0	2.0-4.	<0.28	то же
9	Ионы Н+, г/м2 в год	>300	200-300	<20	то же