Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины»

Геолого-географический факультет

Кафедра экологии

Курсовая работа

Охрана и рациональное использование ресурсов атмосферы

Исполнитель

студентка группы ГЭ-32 В.В. Ковалькова

Научный руководитель

ассистент И.А. Шелякин

Гомель 2014



Содержание

• Введение
• 1. Структура и свойства атмосферы
• 1.1 Состав атмосферы
• 1.2 Структура атмосферы
• 1.3 Свойства атмосферы
• 2. Состояние атмосферы
• 2.1 Показатели состояния и использования воздушного бассейна
• 3. Загрязнение атмосферы
• 3.1 Естественные источники загрязнения атмосферы
• 3.2 Искусственные источники загрязнения атмосферы
• 4. Проблемы охраны и рационального использования воздушного бассейна
• Заключение
• Список использованных источников


Введение

Атмосфера это внешняя газовая оболочка Земли, которая начинается у ее поверхности и простирается в космическое пространство приблизительно на 3000 км. История возникновения и развития атмосферы довольно сложная и продолжительная. За этот период состав и свойства атмосферы неоднократно изменялись, но на протяжении последних 50 млн. лет, как считают ученые, они стабилизировались.

Масса современной атмосферы составляет приблизительно одну миллионную часть массы Земли. С высотой резко уменьшаются плотность и давление атмосферы, а температура изменяется неравномерно и сложно, в том числе из-за влияния на атмосферу солнечной активности и магнитных бурь. Изменение температуры в границах атмосферы на разных высотах поясняется неодинаковым поглощением солнечной энергии газами. Наиболее интенсивнее тепловые процессы происходят в тропосфере, причем атмосфера нагревается снизу, от поверхности океана и суши.

Следует отметить, что атмосфера имеет очень большое экологическое значение. Она защищает все живые организмы Земли от губительного влияния космических излучений и ударов метеоритов, регулирует сезонные температурные колебания, уравновешивает и выравнивает суточные. Если бы атмосферы не существовало, то колебание суточной температуры на Земле достигло бы ± 200 °С. Атмосфера является не только животворным «буфером» между космосом и поверхностью нашей планеты, носителем тепла и влаги, через нее происходят также фотосинтез и обмен энергии, ? главные процессы биосферы. Атмосфера влияет на характер и динамику всех экзогенных процессов, которые происходят в литосфере (физическое и химическое выветривания, деятельность ветра, природных вод, мерзлоты, ледников).

Одной из главнейших составных атмосферы ? водяной пар, который имеет большую пространственно-временную изменчивость и сосредоточенный преимущественно в тропосфере. Также не менее важной изменчивой составной атмосферы является углекислый газ, изменчивость содержания которого связанна с жизнедеятельностью растений, его растворимостью в морской воде и деятельностью человека (промышленные и транспортные выбросы). В последнее время огромную роль в атмосфере играют аэрозольные пылеватые частицы ? продукты человеческой деятельности, которые можно обнаружить не только в тропосфере, но и на больших высотах. Физические процессы, которые происходят в тропосфере, оказывают большое влияние на климатические условия разных районов Земли.

Целью исследования является анализ современного состояния охраны и рационального использования ресурсов атмосферы, что предусматривало решение следующих задач:

- раскрытие понятия атмосфера;

- изучение структуры и свойств атмосферы;

- изучение состояния атмосферы;

- изучение процессов загрязнения атмосферы;

- подробное рассмотрение проблем охраны и рационального использования ресурсов атмосферы;

- изучение показателей состояния и использования воздушного бассейна.



1. Структура и свойства атмосферы

Атмосфера - это сложная система, которая состоит из воздуха, паров воды и химических примесей. Это важный фактор метеорологического режима и условие для физико-химических и биологических процессов в биосфере. От баланса отдельных компонентов в атмосфере зависит ее влияние на тепловой, радиационный и водный режимы, а также способность к самоочищению. Газовый состав атмосферы, пары воды, различные взвеси, которые содержатся в ней, определяют степень излучения солнечной радиации на поверхность Земли и сохранения тепла в околоземном пространстве. Если бы атмосфера не содержала примесей, среднегодовая температура поверхности Земли составляла бы 18 °С. В основном свойства атмосферного воздуха определяются его химическим составом и физическими параметрами. Атмосфера является сферической оболочкой, у нее нет боковых границ, а имеются только нижняя и верхняя (внешняя). По термическому режиму в атмосфере могут быть выделены основные и переходные слои, определяемые характером происходящих в них процессов теплообмена [1].

1.1 Состав атмосферы

Атмосфера ? это смесь газов, состоящая из азота (78,08 %), кислорода (20,95 %), углекислого газа (0,03 %), аргона (0,93 %), небольшого количества гелия, неона, ксенона, криптона (0,01 %), озона и других газов, но их содержание ничтожно.

Как уже вначале было сказано, азот в атмосфере содержится в значительно большей концентрации, чем другие газы. Около трех миллионов лет назад в результате появления зеленых растений и, соответственно, фотосинтеза, в атмосферу в больших количествах стал выделяться кислород. При окислении молекулярным кислородом аммиачно-водородной атмосферы появилось огромное количество азота. В настоящее время данный газ выделяется в атмосферу в процессе жизнедеятельности микроорганизмов, так как этот химический элемент является составной частью белков растительного и животного происхождения. Атмосферный воздух обогащается азотом в ходе денитрификации нитратов и некоторых азотсодержащих соединений. В верхних слоях атмосферы азот подвергается окислению озоном до оксида азота. Свободный азот вступает в химические реакции только в особых условиях, к примеру, при разряде молнии. Азот участвует в природном круговороте веществ и в регуляции концентрации молекулярного кислорода в атмосфере, не допуская его чрезмерного накопления.

Кислород после азота занимает второе место в процентном соотношении по объемному содержанию в атмосферном воздухе (20, 95 %). Кардинальные изменения в составе атмосферы произошли после появления на Земле живых организмов, в частности, растений, которые в результате фотосинтеза обогащают воздух кислородом и поглощают углекислый газ. На начальных этапах развития атмосферы Земли выделенный кислород тратился на окисление аммиака, углеводородов, железа. Когда данный период завершился, содержание кислорода в воздухе постепенно возрастало. Атмосфера древней планеты стала приобретать характерные черты современной. Приобретение атмосферой окислительных свойств определило появление изменений в литосфере и биосфере. Кислород, содержащийся в атмосфере, необходим для протекания таких важных для живых организмов процессов, как дыхание, гниение, горение. Таким образом, без этого химического элемента жизнь невозможна. В настоящее время практически весь свободный кислород поступает в атмосферу вследствие фотосинтеза в клетках растений.

Важная составляющая воздуха - углекислый газ, который содержится в атмосфере в небольших количествах. Его концентрация зависит от деятельности вулканов, химических процессов в оболочках Земли (минеральные источники, почвы, продукты гниения). Также большое количество углекислого газа выделяется в атмосферу от промышленных предприятий. Но основная масса данного соединения попадает в атмосферу вследствие биосинтеза и разложения органического вещества в биосфере нашей планеты. Углекислый газ считается обогревателем Земли, так как он хорошо пропускает солнечную радиацию к поверхности планеты и удерживает тепло, излучаемое от нее.

Содержание других газов в атмосфере незначительно. Инертные газы, такие как неон, аргон, ксенон, поступают в атмосферу в результате вулканических извержений и распада некоторых радиоактивных элементов. Ученые полагают, что в земной атмосфере содержится такое малое количество благородных газов вследствие их постоянного рассеивания в космическом пространстве.

Кроме газов, в атмосферном воздухе содержатся водяные пары и твердые частицы в форме аэрозоля. Концентрация водяного пара в воздухе увеличивается из-за испарения воды с поверхности Земли. В разных областях его содержание отличается, также оно может изменяться в течение года. Осадки и облака формируются из водяного пара. Именно благодаря содержанию водяных паров, в атмосфере удерживается около 60 % тепла от земной поверхности.

Твердые частицы в атмосферном воздухе - это пыль космического и вулканического происхождения, солевые кристаллы, дым, микроорганизмы, пыльца растительных организмов, т.д. Взвеси твердых частиц уменьшают солнечную радиацию, поступающую к поверхности Земли, а также ускоряют сгущение водяного пара и формирование облаков.

Современный состав воздуха Земли установился более сотни миллионов лет назад, однако резко возросшая производственная деятельность человека все же привела к его изменению. В настоящее время отмечается увеличение содержания СО₂ примерно на 10-12 %. Входящие в состав атмосферы газы выполняют различные функциональные роли. Однако основное значение этих газов определяется, прежде всего тем, что они очень сильно поглощают лучистую энергию и тем самым оказывают существенное влияние на температурный режим поверхности Земли и атмосферы [2,3].

атмосфера загрязнение антропогенный воздух

1.2 Структура атмосферы

Атмосферу трудно разглядеть, так как она представляет собой невидимое море газов, не имеющее цвета и запаха. На самом деле у нее сложная структура, состоящая из пяти отдельных слоев. Атмосфера находится высоко над поверхностью Земли. В атмосфере можно выделить несколько слоев, различающихся по температуре и плотности (рисунок 1).

Рисунок 1 - Строение атмосферы Земли [18]

Тропосфера является самым нижним слоем атмосферы, толщина которого примерно 12 км. В этом слое кроме водяного пара и пыли содержится большая часть атмосферных газов. При прогревании Земли Солнцем эта смесь начинает двигаться, при этом образуются ветер, облака и дождь. В верхней части тропосферы температуры могут снижаться до -74 °С. На самом деле в тропосфере все время происходит перемешивание воздуха. Из-за наличия в тропосфере водяных паров она обладает свойством турбулентности, а без этих паров не было бы облаков, дождя и снега. Также происходит вертикальное (конвекция) и горизонтальное (ветер) перемещение воздуха.

Тропосфера нагревается от Земли, которая, в свою очередь, получает тепло от Солнца. Вследствие этого у Земли воздух наиболее теплый, а с увеличением высоты он становится более холодным. С каждым километром температура понижается примерно на 6 °С на каждые 100 м, это называется нормальным, или естественным, градиентом температуры. Порой он немного колеблется: например, он может понижаться, когда холодный воздух сходит ночью с вершин гор в долины. Поскольку летом земля очень сильно нагревается Солнцем, то градиент повышается. Доля теплого воздуха поднимается через атмосферу и постепенно расширяется, пока не станет менее плотным, при этом теряя тепло. Явление это называется адиабатическим градиентом и зависит от влажности. Сухой воздух охлаждается по сухому адиабатическому градиенту, который как правило равен 1 °С на 100 м. Влажный воздух имеет свойство остывать медленнее, по насыщенному адиабатическому градиенту, колеблющемуся от 0,4 до 0,9 °С в зависимости от того, сколько с ним воды.

Стратосфера ? слой атмосферы, расположенный над тропосферой на высоте от 8 до 50 км. Цвет неба в этом слое кажется фиолетовым, что объясняется разреженностью воздуха, из-за которой солнечные лучи почти не рассеиваются.

В стратосфере сосредоточено 20 % массы атмосферы. Воздух в этом слое разрежен, практически нет водяного пара, а потому почти не образуются облака и осадки. Однако в стратосфере наблюдаются устойчивые воздушные течения, скорость которых достигает 300 км/ч.

В этом слое сосредоточен озон (озоновый экран, озоносфера), слой, который поглощает ультрафиолетовые лучи, не пропуская их к Земле и тем самым защищая живые организмы на нашей планете. Благодаря озону температура воздуха на верхней границе стратосферы находится в пределах от -50 до 4-55 °С.

Мезосфера ? слой атмосферы, расположенный на высоте 50-80 км. Плотность воздуха здесь в 200 раз меньше, чем у поверхности Земли. Здесь температура с высотой падает до нескольких десятков градусов ниже нуля. Вследствие быстрого падения температуры с высотой в мезосфере сильно развита турбулентность. На высоте 80 км начинается термосфера. Температура воздуха в этом слое резко повышается до высоты 250 м, а потом становится постоянной: на высоте 150 км она достигает 220-240 °С; на высоте 500-600 км превышает 1500 °С.

В мезосфере и термосфере под действием космических лучей молекулы газов распадаются на заряженные (ионизированные) частицы атомов, поэтому эта часть атмосферы получила название ионосфера ? слой очень разреженного воздуха, расположенный на высоте от 50 до 1000 км, состоящий в основном из ионизированных атомов кислорода, молекул окиси азота и свободных электронов. Для этого слоя характерна высокая наэлектризованность, и от него, как от зеркала, отражаются длинные и средние радиоволны.

В ионосфере возникают полярные сияния ? свечение разреженных газов под влиянием электрически заряженных летящих от Солнца частиц ? и наблюдаются резкие колебания магнитного поля.

Экзосфера ? внешний слой атмосферы, расположенный выше 1000 км. Скорости движения частиц газов, особенно легких, здесь очень велики, а вследствие чрезвычайной разреженности воздуха на этих высотах частицы могут облетать Землю по эллиптическим орбитам, не сталкиваясь между собою. Отдельные частицы могут при этом иметь скорости, достаточные для того, чтобы преодолеть силу тяжести. Такие особенно быстрые частицы могут, двигаясь по гиперболическим траекториям, вылетать из атмосферы в мировое пространство, «ускользать», рассеиваться. Поэтому экзосферу называют еще сферой рассеяния. Ускользанию подвергаются преимущественно атомы водорода, который является господствующим газом в наиболее высоких слоях экзосферы [4,7].

1.3 Свойства атмосферы

Атмосфера Земли обладает следующим свойством: она прозрачна для видимого света и не пропускает значительную часть энергии, приходящуюся на инфракрасную область спектра. Вследствие этого часть потока радиационной энергии, излучаемой поверхностью Земли, задерживается в атмосфере, превращаясь в теплоту. Она обладает чудесным свойством избирательно пропускать через себя солнечную радиацию и задерживать большую часть вредных космических излучений, губительных для всего живого. Важными свойствами атмосферы также являются ее способность к быстрому перемешиванию и перемещению на огромные расстояния, связь с иными сферами, особенно с океаном. Эти качества, а также отсутствие резко выраженного накопительного эффекта загрязняющих веществ определяют глобальный характер атмосферных процессов, а также ее высокую способность к самоочищению. Атмосфера обладает и различными физическими свойствами: атмосферное давление, температура и влажность воздуха, скорость ветра [4].



2. Состояние атмосферы

Состояние воздушного бассейна определяется потенциальной опасностью для здоровья человека, системой санитарно-гигиенических требований.

В процессе оценки состояния воздушной среды города определяются:

? природно-климатические факторы конкретной территории города;

? основные источники вредных выбросов в воздушный бассейн и их характеристики;

? социально-экономическая оценка уровня загрязнения атмосферы (экономический ущерб).

Оценка загрязнения атмосферного воздуха города базируется на расчетных методах определения концентрации вредных веществ и их соединений в приземном слое атмосферного воздуха (высотой 2 метра) и установления ареалов их распространения на прилегающие к источнику территории. Распространение зависит от факторов микроклимата, которые закладываются в систему расчета. Используются унифицированные компьютерные программы расчета, допущенные к использованию в нормативной документации. Результатом расчета является графическое изображение распространения загрязнений в изолиниях равных концентраций.

Важнейшим фактором, обуславливающим состояние атмосферного воздуха, является особенность климата и микроклимата территории, которые во многом определяют способность атмосферы рассеивать и адсорбировать вредные примеси. Это зависит от характера турбулентного обмена и ветрового режима, наличия тумана, рельефа местности, наличия растительности и водных объектов, а также температурных инверсий [8,13].



2.1 Показатели состояния и использования воздушного бассейна

Основные критерии опасности загрязнения воздуха основаны на санитарно-гигиеническом нормативе «Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ».

ПДК ? предельная допустимая концентрация загрязняющего вещества в атмосферном воздухе - концентрация, не оказывающая в течение всей жизни прямого или косвенного неблагоприятного действия на настоящее или будущее поколение, не снижающая работоспособности человека, не ухудшающая его самочувствия и санитарно-бытовых условий жизни.

Оценка качества воздушной среды осуществляется на основе следующих нормативов:

? предельно допустимая концентрация вредного вещества в воздухе рабочей зоны (ПДКр.з), мг/м³. При ежедневной восьмичасовой работе (кроме выходных дней) или при другой продолжительности рабочего дня, но не более 41 часа в неделю, эта концентрация в течение всего рабочего дня не должна вызывать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, которые можно обнаружить современными методами исследований в процессе работы или в отдаленные сроки жизни человека;

? предельно допустимая максимальная разовая концентрация загрязняющего вещества в воздухе населенных мест (ПДКм.р), мг/м³. При вдыхании в течение 30 минут эта концентрация не должна вызывать рефлекторных (в том числе субсенсорных) реакций в организме человека;

? предельно допустимая среднесуточная концентрация вредного вещества в воздухе населенных мест (ПДКс.с), мг/м³ которая не должна вызывать отклонений в состоянии здоровья настоящего и последующих поколений при неопределенно долгом (в течение нескольких лет) вдыхании;

? предельно допустимый выброс загрязняющих веществ в атмосферу (ПДВ), кг/сут (или г/ч). Этот показатель должен обеспечивать соблюдение санитарно-гигиенических нормативов в воздухе населенных мест при наиболее неблагоприятных для рассеивания метеорологических условиях. Он определяется расчетным путем на 5 лет;

? временно согласованный выброс (ВСВ), кг/сут (или г/ч). Срок действия этого норматива не более 5 лет. Он устанавливается в том случае, если по объективным причинам нельзя определить ПДВ для источника выброса в данном населенном пункте;

? предельно допустимое количество сжигаемого топлива (ПДТ), т/ч. Этот показатель должен обеспечивать соблюдение санитарно-гигиенических нормативов по продуктам сгорания топлива в воздухе населенных мест при неблагоприятных для рассеивания метеорологических условиях. ПДТ устанавливается расчетным путем на срок не более 5 лет.

Критерии качества атмосферного воздуха в ЕС - уровень, установленный на основе научных знаний, с целью исключения, предотвращения или сокращения вредного воздействия на здоровье человека и окружающую среду в целом. В случае превышения установленных критериев качества атмосферного воздуха по каждому загрязняющему веществу он должен быть достигнут в течение заданного периода времени, после чего он не может быть превышен.

Стандарты качества воздуха ВОЗ - в основе требований ВОЗ лежит охрана здоровья человека. Различные периоды усреднения отражают потенциальное воздействие загрязнителей на здоровье человека; загрязнители, на которые установлены нормативы с краткосрочным базисным периодом, оказывают быстрое воздействие на состояние здоровья, а те из них, которые имеют долговременный (годичный) отчетный период, связаны с хроническим вредным воздействием. В целях охраны здоровья ни один из стандартов не должен быть превышен. Чем выше концентрация, тем более ограниченным должен быть период воздействия на объект. Напротив, при более низкой концентрации загрязняющего вещества период воздействия может продлеваться.

Класс опасности - показатель, характеризующий степень опасности для человека веществ, загрязняющих атмосферный воздух.

Вещества делятся на следующие классы опасности:

? 1 класс - чрезвычайно опасные;

? 2 класс - высоко опасные;

? 3 класс - опасные;

? 4 класс - умеренно опасные.

Разработка ПДК основывается на лимитирующем показателе вредности загрязняющего вещества. Лимитирующий (определяющий) показатель вредности характеризует направленность биологического действия вещества: рефлекторное и резорбтивное. Под рефлекторным действием понимается реакция со стороны рецепторов верхних дыхательных путей ? ощущение запаха, раздражение слизистых оболочек, задержка дыхания и т.п. Указанные эффекты возникают при кратковременном воздействии вредных веществ, поэтому рефлекторное действие лежит в основе установления максимальной разовой ПДК (ПДКм.р). Под резорбтивным действием понимают возможность развития общетоксических, гонадотоксических, эмбриотоксических, мутагенных, канцерогенных и других эффектов, возникновение которых зависит не только от концентрации вещества в воздухе, но и длительности ее вдыхания. С целью предупреждения развития резорбтивного действия устанавливается среднесуточная ПДК (ПДКс.с).

СИ (стандартный индекс) - наибольшая измеренная разовая концентрация примеси, деленная на ПДК. Она определяется из данных наблюдений на посту за одной примесью или на всех постах района за всеми примесями за месяц или за год.

НП ? наибольшая повторяемость превышения ПДК по данным наблюдений на одном посту (за одной примесью) или на всех постах района за всеми примесями за месяц или за год. Выражается в процентах.

ИЗА ? комплексный индекс загрязнения атмосферы, учитывающий несколько примесей, представляющий собой сумму концентраций выбранных загрязняющих веществ в долях ПДК.

В зависимости от значения ИЗА (индекса загрязнения атмосферы) уровень загрязнения воздуха определяется следующим образом: низкий (меньше или равен 5), повышенный (от 5 до 7), высокий (от 7 до 14), очень высокий (больше или равен 14).

PM10 - взвешенные частицы, с размерами менее 10 мкм, способные легко проникать в легкие человека и накапливаться в них.

Инверсия - смещение охлажденных слоев воздуха вниз и скопление их под теплыми слоями воздуха, что ведет к снижению рассеивания загрязняющих веществ и увеличению их концентраций в приземной части атмосферы.

НМУ - неблагоприятные метеорологические условия, это различные метеорологические условия или их сочетания, под влиянием которых происходит накоплении примесей в местах их выбросов [9].

Рассмотрим состояние атмосферного воздуха г. Гомеля за последние годы, руководствуясь данными статистической отчетности.

В Гомеле наблюдается повышенная концентрация фенола, аммиака, формальдегида, бензопирена, которую создают предприятия Гомсельмаш, Центролит, ТЭЦ и транспорт. Среднегодовое значение концентрации аммиака и формальдегида в Гомеле составляет примерно 2 ПДК, а вблизи магистралей - 3-4 ПДК.

Мониторинг атмосферного воздуха проводят на пяти стационарных станциях, в том числе на одной автоматической, установленной в районе ул. Барыкина.

По результатам стационарных наблюдений, за 2013 год, качество атмосферного воздуха несколько ухудшилось. Во втором квартале, как и в подавляющем большинстве контролируемых городов республики, существенно возрос уровень загрязнения воздуха формальдегидом. Больше всего загрязнен воздух формальдегидом в районе ул. Огаренко: концентрации были в 1,5 - 2 раза выше, чем в районах улиц Карбышева, Курчатова и Пионерская (рисунок 2).

Рисунок 2 - Среднемесячные концентрации формальдегида и приземного озона [19]

Максимальная из разовых концентраций превышала установленный норматив в 1,7 раза.

Преобладание длительного периода без осадков во второй половине апреля и дефицит осадков в мае способствовало увеличению уровня загрязнения воздуха твердыми частицами (недифференцированная по составу пыль/аэрозоль). В целом по городу зафиксировано 13 дней со среднесуточными концентрациями выше ПДК.

Содержание в воздухе диоксида серы, оксида углерода, оксида и диоксида азота, фенола, фтористого водорода, аммиака, свинца, кадмия и летучих органических соединений сохранялось стабильно низкое. Превышений установленных нормативов не зарегистрировано.

По данным непрерывных измерений на автоматической станции, в течение квартала эпизодически отмечали превышения ПДК по приоритетным загрязняющим веществам. Максимальная (период осреднения - 20 минут) концентрация диоксида азота составляла примерно 1,1 ПДК, а например, оксида углерода - 2,7 ПДК. Среднесуточные концентрации твердых частиц, фракции размером до 10 микрон в апреле превышали ПДК в течение 9 дней. Основной причиной является дефицит осадков.

Уровень загрязнения воздуха приземным озоном незначительно понизился. Вместе с тем, в отчетный период зафиксировано 17 дней со среднесуточными концентрациями выше установленного норматива. Максимальная среднесуточная концентрация составляла 1,4 ПДК.

Для регулирования выбросов вредных веществ в атмосферу в периоды с неблагоприятными метеоусловиями крупным промышленным и автотранспортным предприятиям города направлено 4 предупреждения о возможном увеличении уровня загрязнения воздуха [15].



3. Загрязнение атмосферы

Под атмосферными загрязнениями мы условно понимаем те примеси к атмосферному воздуху, которые образуются не в результате стихийных процессов природы, а в результате деятельности человека. В процессе своей производственной деятельности человеческое общество подвергает естественные природные тела специальной обработке - механической, физической, химической, биологической, в результате чего в атмосферный воздух поступает большое количество разнообразных веществ, находящихся в состоянии газов, паров или гетерогенных дисперсных систем - пыли, дыма, тумана.

Так как факторы загрязнения атмосферы могут быть связаны как с естественными природными процессами, так и с деятельностью человека, то все источники загрязнения принято делить на естественные и искусственные (антропогенные).

Естественные загрязнения представлены континентальными и морскими. Морские - это морская пыль и другие выделения Мирового океана. Континентальные загрязнения делятся на вещества органической и неорганической природы. Неорганические представлены продуктами вулканической деятельности и образующимися в процессе коррозии почвы. Органические загрязнения могут быть животного и растительного происхождения. Органическими загрязнениями растительного происхождения являются пыльца, продукты измельчения растений.

Однако искусственные загрязнения антропогенного происхождения в настоящее время приобрели приоритетный характер. Они делятся на радиоактивные и нерадиоактивные [5].



3.1 Естественные источники загрязнения атмосферы

Естественными источниками загрязнения атмосферы служат извержения вулканов, лесные пожары, пыльные бури, процессы выветривания, разложение органических веществ.

Крупные извержения вулканов приводят к глобальному и долговременному загрязнению атмосферы, о чем свидетельствуют летописи и современные наблюдательные данные (извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 году). Это обусловлено тем, что в высокие слои атмосферы мгновенно выбрасываются огромные количества газов, которые на большой высоте подхватываются движущимися с высокой скоростью воздушными потоками и быстро разносятся по всему земному шару. Продолжительность загрязненного состояния атмосферы после крупных вулканических извержений достигает нескольких лет. Так, в итоге извержения вулкана Кракатау в 1883 г. в атмосферу было выброшено около 150 миллиардов тонн пыли и пепла. Маленькие пылевые частички держались в верхних слоях атмосферы в течение нескольких лет. При извержении вулканов происходит тепловое загрязнение атмосферы, так как в воздух выбрасываются сильно нагретые вещества. Температура их, в том числе паров и газов, такая, что они сжигают все на собственном пути (рисунок 3).

Рисунок 3 - Извержение вулкана Кракатау [20]

Значительно загрязняют атмосферу большие лесные пожары. Чаще всего они появляются в засушливые годы. В Росси, например, более опасны пожары в Сибири, на далеком Востоке, на Урале, в Республике Коми. В среднем за год площадь, пройденная пожарами, составляет около 700 тыс. га. В засушливые годы, скажем, в 1915 г. она достигла 1,5 млн. га. Дым от лесных пожаров распространяется на большие площади около 6 млн. км. Памятным для жителей Подмосковья остается лето 1972 г., когда воздух в течение лета был сизым от дыма пожаров, видимость на путях не превышала 20-30 м. Горели лес и торфяники. Прямой ущерб от лесных пожаров в среднем составляет 200-250 млн. долл.

Пыльные бури появляются в связи с переносом мощным ветром поднятых с земной поверхности мельчайших частиц почвы. Мощные ветры ? смерчи и ураганы ? поднимают в воздух и крупные обломки горных пород, хотя они не держатся долго в воздухе. При мощных бурях в атмосферный воздух поднимается до 50 млн. т пыли (рисунок 4).

Рисунок 4 - Песчаная буря (США, 2011 год) [21]

Причинами пыльных бурь являются засуха, суховеи; провоцируют их интенсивная распашка, выпас скота, сведение лесов и кустарников. Самые частые пыльные бури в степных, полупустынных и пустынных районах [5,6].



3.2 Искусственные источники загрязнения атмосферы

С развитием производственной деятельности человека все большая доля в загрязнении атмосферы приходится на антропогенные загрязнения.

Антропогенные источники загрязнения атмосферы делятся на группы: промышленные предприятия, транспорт, бытовое и коммунальное хозяйства. Промышленные источники в свою очередь разделяются по областям, а также по ингредиентам. Роль отдельных источников загрязнения оценивается следующим образом:

? теплоэлектростанции выбрасывают 27 % общих поступлений загрязняющих веществ в атмосферу;

? черная металлургия выбрасывает 24 % загрязняющих веществ в атмосферу;

? цветная металлургия 10 %;

? нефтедобыча и нефтехимия - 15 %;

? автотранспорт выбрасывает 13 %;

? предприятия стройиндустрии - 8 %;

? химическая промышленность - 1%.

Воздействие энергетики на состояние воздушного бассейна определяется, главным образом, видом сжигаемого топлива. Выбросы электростанций, потребляющих уголь, составляют 139 млн. кг в год оксидов серы, 21 млн. кг оксидов азота, 5 млн. кг твердых частиц.

Черная и цветная металлургия - это следующий по интенсивности источник загрязнения атмосферы. При выплавке чугуна и переработки его на сталь в атмосферу выбрасываются соединения мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, пары ртути, цианистый водород и смолистые вещества. Значительную роль в загрязнении атмосферы играют выбросы сталеплавительных цехов. Преобладающая часть пыли мартеновских печей состоит из триокиси железа и триокиси алюминия.

Воздушные выбросы нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности содержат большое количество углеводородов, сероводорода и дурно пахнущих газов. Выброс в атмосферу вредных веществ на нефтеперерабатывающих заводах происходит вследствие недостаточной герметизации оборудования. В выхлопах двигателей внутреннего сгорания содержатся окись углерода, оксиды азота, углеводороды, альдегиды, сажа, бензапирен и некоторые другие загрязнители. Специалисты установили, что один легковой автомобиль ежегодно поглощает из атмосферы в среднем более 4 тонн кислорода, выбрасывая с отработанными газами примерно 800 кг окиси углерода, около 40 кг оксидов азота и почти 200 кг различных углеводородов.

Производство цемента и строительных материалов также может быть источником загрязнения атмосферы различной пылью. Основные технологические процессы их производства - измельчение и термическая обработка шихт, полуфабрикатов и продуктов в потоках горячих газов, которые сопровождаются выбросом пыли в атмосферу.

Наконец, заводы синтетического каучука выбрасывают в атмосферу такие вредные вещества, как стирол, дивинил, толуол, ацетон, изопрен и другие.

После рассмотрения основных источников загрязнения обратимся к характеристике загрязнений теми веществами, которые они выбрасывают в атмосферу.

Загрязнение воздуха оксидами серы. Соединения серы поступают в воздух в основном при сжигании богатых серой видов горючего, таких, как уголь и мазут. Не все виды топлива содержат значительные количества серы. В углях некоторых сортов содержится всего 0,5 % серы, тогда как в других до 6 %. Уголь широко используется в производстве стали, но в первую очередь он применяется как топливо для получения пара и последующего генерирования электрической энергии. Среднее содержание серы в углях, идущих на получение электроэнергии, составляет 2,5 %.

При сгорании в топках электростанций каждого миллиона тонн угля выделяется 25 тыс. тонн серы. Разумеется, эта сера выделяется не в элементарной форме, а главным образом в виде сернистого газа, двуокиси серы. Сера также содержится в сырой нефти, однако, ее содержание не превышает 1 %. При перегонке нефти большая часть серы из продуктов перегонки, таких, как керосин и бензин, удаляется. Содержащие серу отходы сжигаются в процессе перегонки. Вот почему керосин и бензин делают лишь небольшой вклад в выбросы оксидов серы, попадающих в атмосферу. При перегонке нефти большая часть серы переходит в мазут - самую тяжелую фракцию перегонки. В нем может содержаться от 0,5 до 5,0 % серы, хотя посредством дополнительных процедур перегонки содержание серы в мазуте можно еще уменьшить. В отличие от нефти и угля природный газ практически не содержит серы. С этой точки зрения газ является экологически чистым топливом.

При сжигании угля или нефти сера, содержащаяся в них, окисляется. Далее, реагируя с водой, она образует серную кислоту. Таким образом, оксиды серы являются одной из причин выпадения кислотных осадков. Считается, также, что высокое содержание оксидов серы в воздухе непосредственно влияет на увеличение заболеваемости людей и даже рост смертности.

Загрязнение воздуха оксидами углерода. При неполном окислении углерода образуется бесцветный, не имеющий запаха газ - окись углерода (угарный газ). В городском воздухе окись углерода содержится в большей концентрации, чем любой другой загрязнитель. Однако, поскольку этот газ не имеет не цвета, ни запаха, наши органы чувств не в состоянии обнаружить его. Самым крупным источником окиси углерода в наших городах является автотранспорт. Свыше 90 % окиси углерода попадает в воздух вследствие неполного сгорания углерода в моторном топливе.

Имеется и другой источник окиси углерода, с которым, правда, сталкиваются только курящие люди и их ближайшее окружение - это сигаретный дым. Пагубное влияние окиси углерода на здоровье человека заключается в ее способности связывать гемоглобин - белок крови, приносящий кислород к тканям человеческого организма.

Содержание двуокиси углерода (углекислого газа) в атмосфере увеличивается самыми разными путями. При вырубке лесов уничтожаются деревья, которые усваивают углекислый газ в процессе фотосинтеза. При производстве бетона из известняка образуется некоторое количество CO₂. Но наиболее существенная часть углекислого газа образуется при сжигании топлива на воздухе. Установлено, что количество углекислого газа в атмосфере с каждым годом увеличивается. Двуокись углерода в отличие от окиси не представляет прямой угрозы здоровью человека. Однако чрезмерное поступление в атмосферу углекислого газа грозит парниковым эффектом, последствием которого станет глобальное повышение температуры.

Загрязнение воздуха оксидами азота. Окись азота может образовываться в природе при лесных пожарах, однако высокие концентрации оксидов азота в городах и в окрестностях промышленных предприятий связаны с деятельностью человека. При высокотемпературном сгорании ископаемых видов топлива происходит реакции двух типов, в результате которых образуются оксиды азота. К первому типу реакций относится реакция между кислородом воздуха и азотом, содержащимся в топливе, при этом образуются оксиды азота. В угле содержание азота обычно составляет около 1 %, в нефти и газе всего лишь 0,2-0,3 %. Именно этот азот окисляется кислородом воздуха.

Ко второму типу реакций относятся реакции между кислородом воздуха и азотом, содержащимся в воздухе; при этом также образуются оксиды азота. Поэтому, даже если в исследуемом топливе вообще не содержится азот, все равно при его горении образуются оксиды азота. Оксиды азота образуются при сгорании любых видов топлива, таких как природный газ, уголь, бензин или мазута. Приблизительно 95 % годового выброса оксидов азота в атмосферу - это результат сжигания ископаемого топлива. Около 40 % общего объема выбросов приходится на автомобили и другие виды моторного транспорта. Примерно 30 % приходится на сжигание природного газа, нефти и угля в топках электростанций. Сжигание ископаемого топлива для осуществления различных производственных процессов в промышленности добавляет еще 20 %. Производство взрывчатых веществ и азотной кислоты - еще два источника выбросов оксидов азота в атмосферу, правда, не связанные со сжиганием топлива.

При использовании трех основных видов ископаемого топлива сжигание природного газа (во всех видах применения) дает примерно 20 % общего объема выбросов оксидов азота, сжигание угля - 25 %, а, например, нефти - 47 %. Примерно 90 % оксидов азота образуется в форме окиси азота.

Оставшиеся 10 % приходится на двуокись азота (NO₂). Большая часть данных о влиянии оксидов азота на здоровье человека относится к двуокиси азота. Исходно двуокись азота составляет лишь 10 % выбросов всех оксидов азота в атмосферу; однако в ходе сложной последовательности химических реакций в воздухе значительная часть окиси азота превращается в двуокись азота - гораздо более опасное соединение. Помимо прямого воздействия на организм человека, оксиды азота способны вступать в фотохимические реакции, в результате которых образуются новые загрязнители воздуха, в том числе озон, альдегиды, а также необычные органические соединения. Двуокись азота также способна реагировать с водой с образованием азотной кислоты. В результате выпадают кислотные осадки.

Загрязнение воздуха частицами. Частицы, взвешенные в воздухе, еще одно серьезное загрязнение атмосферы. В отличие от других загрязнений частицы очень разнородны по своему химическому составу. В воздухе находятся в виде взвеси многие твердые и жидкие компоненты, весьма различные по происхождению. Движение транспорта, сжигание топлива, промышленные процессы и выбросы твердых отходов - все эти источники дают вклад в загрязнение атмосферы твердыми частицами. При сгорании угля образуются твердые частицы, диспергированные в воздухе, причем не только частицы золы (силиката кальция) и частицы углерода (сажа), но также частицы оксидов металлов, таких, как оксиды кальция и железа.

Количество частиц, поступающих в атмосферу при сгорании угля, чудовищно велико. Однако большая часть этих частиц удаляется вместе с отходящими дымовыми газами. При сжигании нефти в качестве топлива образуется лишь незначительное количество частиц. При сгорании бензина и дизельного топлива в воздух попадают капли жидкого горючего. Жидкие углеводороды (соединения углерода с водородом) и жидкие производные углеводородов попадают в атмосферу из-за неполного сгорания в двигателях бензина и дизельного топлива. Еще один тип загрязнений появляется в результате происходящих в воздухе фотохимических реакций между окисью азота и углеводородами. Продукты этих фотохимических реакций представляют собой жидкие органические соединения, которые рассеиваются в воздухе в виде мельчайших капелек. Огромные скопления в воздухе твердых частиц и мельчайших капелек называют смогом. Открытые разработки угля и других полезных ископаемых загрязняют воздух огромными количествами частиц. Обогащение и обработка руд и выплавка металлов - дополнительные примеры промышленных процессов, при которых в воздух выделяется большое количество частиц. Различные процессы обработки материалов (дробление, размалывание, резание, сверление и т.п.) также служат источниками загрязняющих воздух частиц. Все эти производственные процессы, вместе взятые, могут привести к большим выбросам частиц в атмосферу, чем сжигание угля.

В недавнем прошлом при строительстве зданий в воздух попало много частиц асбеста, который широко применялся для изоляции швов и обычно наносился путем распыления. Асбест и сейчас продолжает загрязнять атмосферу, когда сносятся старые постройки. Наконец, сжигание мусора и отходов в некоторых городах оказывается серьезным источником частиц, особенно в том случае, если установки для сжигания сосредоточены в одном месте. К особому типу частиц следует отнести соединения тяжелых металлов, особенно свинца.

Радиоактивное загрязнение. Главными источниками радиоактивного загрязнения окружающей среды являются испытания ядерного оружия, аварии на атомных электростанциях и на предприятиях, а также радиоактивные отходы. Естественная радиоактивность, включая радон, также вносит вклад в уровень радиоактивного загрязнения [12].

Загрязнение воздуха фреонами. Когда фреон был впервые синтезирован (в конце 20-х гг.), его применение казалось особо перспективным: безвредный, нетоксичный, инертный, дешевый газ. Однако уже во второй половине 70-х гг. была высказана идея о том, что фреоны представляют огромную опасность для озонового слоя земли. Через некоторое время эта предположение было полностью подтверждено.

Фреоны (хлорфторметаны) широко применяются в химии и быту, например, в холодильниках, кондиционерах, аэрозольных упаковках. Сами по себе они не токсичны, но весьма стойки и рано или поздно за счет турбулентных движений воздуха попадают в стратосферу.

Там, на высоте 20-25 км, где содержание озона максимальное, фреоны распадаются под действием солнечного ультрафиолета с образованием свободного хлора. Последний усиливает процесс естественного разрушения озона. Часто говорят, что одной молекулы хлора достаточно, чтобы уничтожить до 10 тыс. молекул озона (по другим оценкам до 100 тыс.). Тем более что фреоны, попавшие в атмосферу, могут существовать в ней очень длительное время. Кроме уничтожения озона фреоны оказывают влияние на развитие парникового эффекта. Так каждая молекула фреона (состоящая из атомов хлора, фтора и углерода), по данным американских ученых, в 20 тыс. раз более эффективна в удержании тепла, чем двуокись углерода [16,17].

В основу «Методики расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий» ? положено условие, при котором суммарная концентрация каждого вредного вещества (С_? мг/м³) не должна превышать максимально разовую ПДК данного вещества в атмосферном воздухе:

С_? = ( С_м + С_ф ) < ПДК_м.р, (1)

где, С_м ? максимальная концентрация загрязняющего вещества в приземном воздухе, создаваемая источниками выбросов, мг/м³ .

С_ф ? фоновая концентрация загрязняющего вещества, характерная для данной местности, мг/м³ .

Для расчета концентраций, обусловленных выбросами одиночного источника, используется следующая формула. Для горячих источников:

С_м= , (2)

где, H - высота трубы, м;

М - масса выбрасываемого в атмосферу в единицу времени вещества, г/с;

- разность температур выбрасываемых газов и атмосферного воздуха;

V₁ - полный расход выбрасываемых газов на срезе трубы, м³ /с;

- безмерный коэффициент, учитывающий влияние рельефа. Для равнинного ландшафта ;

A, F, n, m - различные коэффициенты.

ПДВ (г/с) должны устанавливаться для времени года и нагрузки, сочетание которых дает максимальные приземные концентрации. ПДВ устанавливается для каждой дымовой трубы и предприятия в целом.

Значение ПДВ (г/с) для одиночного источника с круглым устьем в случаях С_Ф < ПДК определяется для горячих источников по формуле:



ПДВ = * (3)

Для холодных выбросов (), в случае f ? 100:

ПДВ = * (4)

ПДВ определяется для каждого вещества отдельно, в том числе и в случаях учета суммации вредного действия нескольких веществ.

Для примера расчетов возьмем данные котельной 22, которая находится в Витебске, расположенная на более ровной местности, время ее работы 7200 час/год. Высота дымовой трубы составляет H = 25 м; объем выбрасываемой газовоздушной смеси V₁ = 9,5 м³/с; диаметр устья Д = 1 м; валовой выброс золы M = 2,4 г/с; ПДК_м.р для золы = 0,05мг/м³; температура газовоздушной смеси_.Т₁ = +200 ⁰С.

Необходимо определить для начала величину максимального загрязнения золой приземного слоя атмосферы и затем сравнить ее с ПДК.

Расчетные формулы:

, мг/м³ (5)

а) ?Т = 200- 36 = 163 ⁰С;

б) ; ; м/с;

в) ;;

;

г) при f < 100;

f<100;;

д) при f < 100; n = 1 при V_м ? 2;

е) А = 180; F = 1,5; з = 1;

мг/м³; С_м < ПДК_м.р.

Затем нам необходимо определить расстояние Х_м:

, м (6)

При V_м > 2;

м;

Определяем значение U_M (м/с):

при f < 100; V_м > 2

м/с

м/с

И наконец, рассчитываем ПДВ (г/с, т/год) и далее сравниваем с ПДК:

С_ф =0< ПДК_м.р. (7)

г/с

г/с

За год работы котельной ПДВ составит:

т/год

4. Проблемы охраны и рационального использования воздушного бассейна

Проблема загрязнения атмосферного воздуха - одна из серьезнейших глобальных проблем, с которыми столкнулось человечество. Опасность загрязнения атмосферы - не только в том, что в чистый воздух попадают вредные вещества, губительные для живых организмов, но и в вызываемом загрязнениями изменении климата Земли.

Загрязнение воздуха (атмосферы) в результате деятельности человека привело к тому, что за последние 200 лет концентрация двуокиси углерода выросла почти на 30 %. Тем не менее, человечество продолжает активно сжигать ископаемое топливо и уничтожать леса. Процесс настолько масштабен, что приводит к глобальным экологическим проблемам. Загрязнение воздуха происходит и в результате других видов человеческой деятельности. Сжигание топлива на тепловых электростанциях сопровождается выбросом двуокиси серы. С выхлопными газами автомобилей в атмосферу поступают оксиды азота. При неполном сгорании топлива образуется угарный газ. Кроме того, не следует забывать и о мелкодисперсных твердых загрязнителях, таких как копоть и пыль.

Главнейшая проблема человечества, потребности которого растут быстрыми темпами ? рационального, не наносящее ущерба отдельным экосистемам и в целом биосфере, бережное использование ресурсов живой и неживой природы, особенно исчерпаемых и невозобновляемых ресурсов.

Из 1100000 млрд. тонн кислорода атмосферы в его годичном биологическом цикле участвует до 80 млрд. тонн. Человек в год тратит на сжигание топлива до 25 млрд. тонн кислорода, на дыхание до 5 млрд. тонн. Эти затраты уже составляют около 30 % массы кислорода, генерируемого в процессе фотосинтеза. Соответственно возрастает количество диоксида углерода, поступающего в атмосферу [14].

Мероприятия по рациональному использованию атмосферы:

? значительное сокращение объемов сжигаемых природных углей и нефтяных продуктов, действенная борьба с пожарами леса;

? создание постоянно действующих, достаточно автоматизированных и дистанционных средств контроля воздуха;

? создание безотходных и малоотходных производственных циклов и комплексов;

? рекуперация дымов заводов и фабрик, очистка выбросов от вредных компонентов;

? рациональное размещение производств, экологически грамотное градостроительство;

? перевод автотранспорта с жидкого топлива на газ, электрическую энергию, энергетических предприятий ? на использование природного газа, ядерного горючего, энергии вод, ветра, Солнца.

Сбор информации о состоянии атмосферного воздуха осуществляется на пунктах наблюдений Национальной системы мониторинга окружающей среды Республики Беларусь (НСМОС), включенных в Государственный реестр пунктов наблюдений Республики Беларусь. Координацию работ в области мониторинга атмосферного воздуха осуществляет Министерство природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Беларусь.

Объектами наблюдений при проведении мониторинга атмосферного воздуха являются атмосферный воздух, атмосферные осадки и снежный покров.

В настоящее время мониторинг состояния атмосферного воздуха проводится в 20 промышленных городах республики, включая областные центры. В городах установлено 67 стационарных станций. В Минске - 12 станций; в Могилеве, Гомеле и Витебске - по 5; в Бресте и Гродно - по 4; в остальных промышленных центрах - 1-3 станции. Регулярными наблюдениями охвачены территории, на которых проживает почти 87 % населения крупных и средних городов республики.

Во всех городах определяются концентрации основных загрязняющих веществ (твердые частицы, диоксид серы, оксид углерода, диоксид азота). Измеряются также концентрации приоритетных специфических загрязняющих веществ: формальдегида, аммиака, фенола, сероводорода, сероуглерода. При выборе приоритетного перечня специфических веществ учитывались, прежде всего, выбросы каждого вещества, размеры города, предельно допустимые концентрации, коэффициенты рассеивания [11,10].

...