Лекции Copy

Как и для всех других составляющих биосферы, для атмосферы существуют два главных источника загрязнения: естественный и антропогенный (искусственный). Вся классификация источников загрязнения может быть представлена по вышеприведенной структурной схеме.

Промышленность, транспорт, энергетика – основные источники загрязнения воздушного бассейна. По характеру воздействия на биосферу загрязнители атмосферы можно разделить на 3 группы:

1.Влияющие на глобальное потепление климата.

2.Разрушающие биоту.

3.Разрушающие озоновый слой.

Краткие характеристики некоторых загрязнителей атмосферы.

Кзагрязнителям первой группы следует отнести СО2, закись азота, метан, фреоны.

Всоздание "парникового эффекта" главный вклад вносит углекислый газ, концентрация которого ежегодно возрастает на 0,4%. По сравнению с серединой XIX века содержание СО2 возросло на 25%, закиси азота на 19%.

Фреоны — химические соединения, несвойственные атмосфере, используемые в качестве хладагентов — повинны на 25% в создании парникового эффекта в 80-е годы. Расчеты показывают, что несмотря на Монреальское соглашение 1987 г. об ограничении использования фреонов, к 2040 г. концентрация основных фреонов существенно возрастет (хлорфторуглерода 11 на 77%, хлорфторуглерода 12 на 66%), что приведет к усилению парникового эффекта на 20%. Возрастание содержания метана в атмосфере произошло незначительно, однако удельный вклад этого газа примерно в 25 раз выше, чем углекислого газа. Если не прекратить поступление в атмосферу "парниковых" газов,

среднегодовые температуры на Земле к концу XXI века поднимутся в среднем на 2,5÷5° С. Необходимо: сократить сжигание углеводородного топлива и сведение лесов. Последнее опасно, кроме того, что приведет к увеличению углерода в атмосфере, также вызовет снижение ассимилирующей способности биосферы. (В последнее десятилетие ХХ века ежегодно недопоглощено СО2 из атмосферы 1 млрд. т.) Ожидается, что к 2010 году прирост выбросов углерода в атмосферу за 20 лет составит 50÷70.

К загрязнителям второй группы следует отнести двуокись серы, взвешенные твердые частицы, озон, окись углерода, окись азота, углеводороды.

Из этих веществ в газообразном состоянии наибольший ущерб биосфере наносят двуокись серы и окислы азота, которые в процессе химических реакций преобразуются в мелкие кристаллы солей серной и азотной кислоты. Наиболее острой является проблема загрязнения атмосферы серосодержащими веществами. Диоксид серы оказывает вредное

действие на растения. Поступая внутрь листа при дыхании, SO2 угнетает жизнедеятельность клеток. При этом листья растений сначала покрываются бурыми пятнами, а потом засыхают.

Диоксид серы и другие ее соединения раздражают слизистую оболочку глаз и дыхательные пути. Продолжительное действие малых концентраций SO2 ведет к возникновению хронического гастрита, гепатопатии, бронхита, ларингита и других болезней. Есть сведения о связи между содержанием SO2 в воздухе и уровнем смертности от рака легких.

В атмосфере SO2 окисляется до SO3. Окисление происходит каталитически под воздействием следов металлов, главным образом марганца. Кроме того, газообразный и растворенный в воде SO2 может окисляться озоном или пероксидом водорода. Соединяясь с водой, SO3 образует серную кислоту, которая с металлами, имеющимися в атмосфере, образует сульфаты. Биологическое действие кислых сульфатов при равенстве концентраций более выражено по сравнению с SO2.

Диоксид серы существует в атмосфере от нескольких часов до нескольких дней в зависимости от влажности и других условий.

Вообще аэрозоли солей и кислот проникают в чувствительные ткани легких, опустошают леса и озера, снижают урожай, разрушают постройки, архитектурные и археологические памятники. Взвешенные твердые частицы представляют опасность для здоровья населения, превосходящую опасность кислотных аэрозолей. В основном это опасность больших городов. Особенно вредные твердые вещества содержатся в выхлопных газах дизелей и двухтактных бензиновых двигателей. Большинство твердых частиц в воздухе промышленного происхождения в развитых странах успешно улавливаются всевозможными техническими средствами, основные из которых будут рассмотрены далее.

Озон в приземном слое появляется в результате взаимодействия углеводородов, образующихся при неполном сгорании топлива в автомобильных двигателях и выделяющихся при многих производственных процессах, с окислами азота. Это один из наиболее опасных загрязнителей, поражающих органы дыхания. Он наиболее интенсивен в жаркую погоду.

Окись углерода, окислы азота и углеводороды в основном поступают в атмосферу с выхлопными газами автомобилей. Все перечисленные химические соединения оказывают разрушительное действие на экосистемы при концентрациях даже более низких, чем допустимые для человека: закисляют водные бассейны, убивая в них живые организмы, губят леса, снижают урожаи сельскохозяйственных культур (особенно опасен озон).

Исследования в США показали, что современные концентрации озона снижают урожай сорго и кукурузы на 1%, хлопка и соевых бобов — на 7%, люцерны — более чем на 30%.

Из загрязнителей разрушающих стратосферный озоновый слой следует отметить фреоны, азотные соединения, выхлопы сверхзвуковых самолетов и ракет.

Количество озона в атмосфере невелико (2·10-6% по объему), но он играет важную роль в предохранении земной поверхности от ультрафиолетовой части солнечного спектра. Разрушение озонового слоя происходит в результате окисления озоном различных веществ, в том числе продуктов сгорания топлива самолетов и ракет. Это грозит увеличением дозы ультрафиолетового излучения, достигающего земной поверхности. По некоторым данным, разрушение озонового слоя на 50% повлечет за собой увеличение дозы ультрафиолетового облучения в 10 раз.

Процесс истощения озонового слоя наблюдается с начала 70-х гг. и в последнее время получил название возникновения озоновых дыр. Если сконцентрировать весь озон в условном сплошном слое, то его толщина не превысит 3 мм. Содержание озона максимально в приполярных областях, минимально - вблизи экватора.

Исследование причин сокращения содержания озона в атмосфере показало, что главная из них - высокая концентрация в атмосфере монооксида хлора, причем наблюдается четкая корреляция между содержанием монооксида хлора и снижением содержания кислорода.

Основным источником хлора в атмосфере считаются фреоны — фторхлороуглеводороды, широко используемые в качестве холодильных агентов. Они используются не только в холодильных установках, но и в многочисленных бытовых аэрозольных баллонах с красками, лаками, инсектицидами. Молекулы фреонов отличаются стойкостью и способны практически без изменений переноситься с атмосферными массами на огромные расстояния. На высотах 15–25 км (зона максимального содержания озона) они подвергаются воздействию ультрафиолетовых лучей и распадаются с образованием атомарного хлора.

Установлено, что за последнее десятилетие потери озонового слоя составили 12– 15% в полярных и 4–8% в средних широтах. В 1992 году были установлены ошеломляющие результаты: на широте Москвы обнаружены участки с потерей озонового слоя до 45%. Уже сейчас по причине усиления ультрафиолетовой инсоляции наблюдается снижение урожаев в Австралии и Новой Зеландии, увеличение заболеваний раком кожи.

Техногенные вещества биосферы, оказывающие вредное воздействие на биоту классифицируются следующим образом (приводится общая классификация, справедливая не только для газообразных веществ).

Отнесение вредного вещества к классу опасности производят по показателю, значение которого соответствует наиболее высокому классу опасности.

Здесь: а) — концентрация, которая при ежедневной (кроме выходных дней) работе в течении 8 ч, или другой продолжительности, но не более 41 ч в неделю, в течении всего рабочего стажа не могут вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья,

обнаруживаемых современными методами исследований в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующего поколений;

б) — доза вещества, вызывающая гибель 50% животных при однократном введении в желудок;

в) — доза вещества, вызывающая гибель 50% животных при однократном нанесении на кожу;

г) — концентрация вещества в воздухе, вызывающая гибель 50% животных при двух– четырех часовом ингаляционном воздействии;

д) — отношение максимально допустимой концентрации вредного вещества в воздухе при 20° С к средней смертельной концентрации для мышей;

е) — отношение средней смертельной концентрации вредного вещества к минимальной (пороговой) концентрации, вызывающей изменение биологических показателей на уровне целостного организма, выходящих за пределы приспособительных физиологических реакций;

ж) — Отношение минимальной (пороговой) концентрации, вызывающей изменение биологических показателей на уровне целостного организма, выходящих за пределы приспособительных физиологических реакций, к минимальной (пороговой) концентрации, вызывающей вредное действие в хроническом эксперименте по 4 ч, 5 раз в неделю на протяжении не менее 4-х месяцев.

Опасность загрязняющих атмосферу веществ для здоровья человека, зависит не только от их содержания в воздухе, но и от класса опасности. Для сравнительной оценки атмосферы городов, районов с учетом класса опасности загрязняющих веществ используется индекс загрязнения атмосферы. Степень загрязнения атмосферы одним веществом выражается через единичный индекс загрязненности (Ji).

основе регистрации наблюдений);

ПДКi — среднесуточная предельно допустимая концентрация i-го вещества;

Ki — безразмерная константа приведения степени вредности i-го вещества к вредности сернистого газа.

Значение константы Ki в зависимости от класса опасности вещества принимаются из таблицы.

Некоторые вещества обладают однонаправленным вредным воздействием, которое называется эффектом суммации (например, ацетон, акролеин, фталевый ангидрид — 1 группа).

Для каждой группы этих веществ используются понятия приведенной концентрации (С'пр ), т.е. концентрация всех веществ приводится к значению концентрации одного из них (С1):

приводимые к концентрации вещества С1;

ПДК1...ПДКn — предельно допустимые концентрации веществ, входящих в одну группу с эффектом суммации.

Иногда для веществ, обладающих эффектом суммации, используется другая нормативная характеристика — безразмерная (относительная) суммарная концентрация — q:

Эта величина (закон Ле Шателье) должна быть меньше или в крайнем случае равна

1 (q≤1).

Антропогенные загрязнения атмосферы можно характеризовать по длительности присутствия в атмосфере, по скорости возрастания их содержания, по масштабу влияния, по характеру влияния.

Длительность присутствия одних и тех же веществ различна в тропосфере и

следующие критерии вредности атмосферных загрязнений:

1. Допустимой может быть признана только такая концентрация того или иного вещества в атмосферном воздухе, которая не оказывает на человека прямого или косвенного вредного и неприятного действия, не снижает его работоспособности, не влияет на самочувствие и настроение.

2.Привыкание к вредным веществам должно рассматриваться как неблагоприятный момент и доказательство недопустимости изучаемой концентрации.

3.Недопустимы такие концентрации вредных веществ, которые неблагоприятно влияют на растительность, климат местности, прозрачность атмосферы и бытовые условия жизни населения.

Решение вопроса о допустимом содержании атмосферных загрязнений

основывается на представлении о наличие порогов в действии загрязнений.

При научном обосновании ПДК вредных веществ в атмосферном воздухе используют принцип лимитирующего показателя (нормирование по наиболее чувствительному показателю). Так, если запах, ощущается при концентрациях, не оказывающих вредного влияния на организм человека и внешнюю среду, нормирование осуществляют с учетом порога обоняния. Если вещество оказывает на окружающую среду вредное действие в меньших концентрациях, то при гигиеническом нормировании учитывают порог действия этого вещества на внешнюю среду.

Для веществ, загрязняющих атмосферный воздух, в России установлены два норматива: разовая и среднесуточная ПДК.

Максимальная разовая ПДК устанавливается для предупреждения рефлекторных реакций у человека (ощущения запаха, изменение биоэлектрической активности мозга, световой чувствительности глаз и др.) при кратковременном (до 20 минут) воздействии атмосферных загрязнений, а среднесуточная — с целью предупреждения их резорбтивного (общетоксичного, мутагенного, канцерогенного и др.) влияний.

Контроль загрязнений атмосферы.

Для дистанционного (неконтактного) глобального контроля загрязнений и состава атмосферы используются способы радиолокационного, акустического и лидарного (лазерного) зондирования. Это довольно сложные и дорогостоящие установки. Для контроля воздуха в приземном слое в отдельных точках планеты обычно используются более простые установки. Мы здесь рассмотрим только два принципа контроля состава воздуха: оптико-акустический и термохимический.

Известно, что интенсивность излучения (радиация) света в инфракрасном диапазоне изменяется по закону I =I 0·e- ·cr·d, где I 0 — интенсивность падающей радиации; I — интенсивность радиации, прошедшей через поглощающий слой; — коэффициент поглощения инфракрасной радиации определенным газом; Сr — концентрация этого газа; d — толщина поглощающего слоя.

Видимо, зная , d и изменение радиации можно определить концентрацию контролируемого газа — Сr. Из инфракрасных анализаторов наибольшее распространение получили приборы с акустическим преобразователем (оптико-акустические преобразователи).

На рисунке представлена схема простейшего газоанализатора с селективным лучеприемником акустического типа.

Газоанализатор состоит: из источника инфракрасного излучения 1; обтюратора 2; рабочей камеры 4; лучеприемника 7; оптически прозрачных для инфракрасного излучения окон 3, 5, 6; микрофона 8. Поток инфракрасной радиации, излучаемый источником и периодически прерываемый обтюратором с определенной частотой, сначала поступает в рабочую камеру, через которую проходит анализируемая смесь, а потом в лучеприемник, заполненный газом, концентрация которого определяется. Под действием прерывистого потока инфракрасной радиации газ в лучеприемнике будет периодически нагреваться и охлаждаться и внутри лучеприемника будут возникать периодические колебания температуры газа T, вызывающие колебания давления величиной Р (на том же рисунке

– часть "б"). Амплитуда этих колебаний будет пропорциональна концентрации анализируемого газа. (чем больше концентрация, тем большая часть радиации поглощается в рабочей камере, тем меньше будет амплитуда колебаний.

Рассмотренная схема оптоакустического газоанализатора дает представление о сущности метода анализа, но обладает рядом недостатков, среди главных из которых неизбирательность, а также зависимость от параметров смеси (температура, давление, плотность и т.д.). В реальных случаях используют многоканальные дифференциальные оптические схемы с устройствами подготовки и фильтрации газовой смеси (как оптической, так и механической).

Другим очень перспективным в наше время является термохимический (термокаталитический) метод контроля газовых смесей, применяемый для обнаружения и измерения концентраций горючих газов и паров воздуха.

В основе этого метода лежит использование специальных чувствительных элементов, представляющих собой микроспираль из микропровода в термостойкой изоляции, на которой сформирован шарик из -окиси алюминия. Рабочий чувствительный элемент покрыт сверху еще катализатором на основе платино-паладиевой черни, сравнительный элемент этого покрытия не имеет. Работает газоанализатор