Порівняльна характеристика хімічного забруднення снігового покриву в районі міста Ужгород

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

«УЖГОРОДСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

ХІМІЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра екології на охорони навколишнього середовища

Дипломна робота магістра

«Порівняльна характеристика хімічного забруднення снігового покриву в районі міста Ужгород»

Виконала студентка V курсу,

Спеціальності 8.04010601 «Екологія та охорона навколишнього середовища»

Анджиєвська Наталія Валеріївна

Керівник: д.х.н., проф.. Чундак С. Ю.

Рецензент: д.х.н., проф. Барчій І. Є.

Ужгород 2015

Зміст

Вступ

1. Літературний огляд

1.1 Основні характеристики клімату Закарпатської області

1.2 Характеристика снігового покрову Закарпатської області

1.3 Характеристика та особливості снігового покрову як об'єкту хімічного аналізу

2. Експериментальна частина

2.1 Вибір ділянок пробовідбору та обґрунтування критеріїв оцінки якості проб талого снігу

2.2 Пробовідбір

2.3 Визначення параметрів якості розтоплених проб снігу

2.3.1 Визначення жорсткості води

2.3.2 Визначення Са²⁺

2.3.3 Визначення HCO₃^-

2.3.4 Розрахунковий метод визначення Na⁺ та К ⁺

2.3.5 Визначення загальної мінералізації

2.3.6 Кулонометричне визначення хлорид-іонів

2.3.7 Турбідиметричне визначення сульфат-іонів в поверхневих водах

3. Результати та їх обговорення

Висновки

Резюме

Список літератури

Вступ

Актуальність обраної теми полягає в тому, що державні служби систематично не досліджують хімічний склад снігового покриву. Хімічний склад фільтрату талого снігу формується в результаті надходження з опадами різних хімічних елементів, поглинутими сніжним покривом газів, водорозчинних аерозолів та взаємодії зі снігом твердих частинок, які осідають з атмосфери. При цьому, якщо кількість твердого осаду, який випадає зі снігом, характеризує запиленість території, то фільтрат талого снігу відображає ступінь забруднення повітряного басейну розчинними формами елементів.

Місто Ужгород розташоване на висоті приблизно 120 м в передгір'ях Карпат на річці Уж . Територія міста становить 41,56 кмІ. Протяжність міста з півночі на південь -- 12 км, зі сходу на захід -- 5 км. Найвища точка Ужгорода -- гора Велика Дайбовецька -- 224 м. Площа зелених масивів і насаджень становить 1574 га, крім цього, Ужгород майже з усіх боків оточений лісами. Значну частину площі міста становить правобережна частина (Старе Місто), яка дещо більша за лівобережну.

Основними джерелами забруднення атмосфери міста є транспорт, енергетичні системи міста та промисловість.

Автотранспорт дає 70% усіх токсичних викидів в атмосферу. Екологічні проблеми міста Ужгород зумовлюються цілим рядом чинників, які пов'язані з положенням Закарпаття. Зокрема, це - прикордонне положення , найбільша в Україні густота водних об'єктів, велика кількість мінеральних джерел, малоземелля, велика щільність населення, чудові природні умови для розвитку санаторно-курортної та туристично-рекреаційної галузей, насиченість території транспортними комунікаціями, в тому числі трубопровідними, рельєфом місцевості. Ще через Ужгород до кордону зі Словаччиною рухається багато транзитного транспорту. Інша причина - через кризу чимало автотранспорту перейшло з бензину чи дизпалива на використання газу, а викиди від останнього дуже небезпечні. Разом з тим на території області відсутні об'єкти ядерної енергетики, великі гірничо-металургійні комплекси, вугільні розрізи.

Стан навколишнього середовища великих міст звичайно оцінюється за станом окремих її складових: атмосферного повітря, поверхневих і підземних вод, ґрунтів і рослинного покриву, здоров'я городян. Найбільш динамічною і тому найбільш складною для аналізу є атмосфера, яка робить істотний вплив на стан всіх компонентів екосистеми. Сніг - один з найбільш інформативних та зручних індикаторів забруднення атмосфери. Сніговий покрив, володіючи кумулятивним ефектом, дозволяє отримувати реальну сумарну величину випадінь забруднюючих речовин, яка відображатиме рівень забруднення приземних шарів атмосфери. Контроль забруднення снігового покриву дає можливість проаналізувати надходження забруднюючих речовин на поверхню землі, що має важливе значення для розуміння процесів забруднення навколишнього середовища. Таким чином, хімічне дослідження снігового покриву дозволяє визначити якісний склад забруднювачів і оцінити техногенний потік, що надходить в геосистеми повітряним шляхом. Аналіз якості снігового покриву дозволяє простежити просторовий розподіл забруднюючих речовин по території і отримати достовірну картину зон впливу конкретних промислових підприємств та інших об'єктів на стан навколишнього середовища.

Мета дослідження: виявити основні негативні антропогенні та транскордонні впливи на сніговий покрив міста Ужгород.

Об'єкт дослідження: талий сніг, проби якого зібрані на території м. Ужгород.

Предмет дослідження: сучасний екологічний стан міста Ужгород за гідрохімічними показниками інтегральних проб снігу.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що дослідження впливу антропогенних факторів на хімічне забруднення снігового покриву міста Ужгород проводиться вперше.

Практичнее значення роботи - у виявленні основних факторів хімічного забруднення снігового покриву у різних районах міста Ужгорода.

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідались на підсумковій науковій студентській конференції 27 травня 2015 р. та опубліковані у тезах доповідей цієї конференції.

1. Літературний огляд

1.1 Основні характеристики клімату Закарпатської області

Закарпатська область розміщена на крайньому заході України. На Заході область межує з прикордонними країнами Словакією, Венгрією, Румунією.

Закарпаття знаходиться в сфері дії атмосферних процесів, що розвиваються над Атлантикою і континентом Євразії. Великий вплив на умови циркуляцію в західних районах мають Карпати. Гірський масив послаблює і міняє напрямок руху повітряних мас. Гори мають динамічний і термічний вплив на вертикальні рухи повітря і можуть суттєво мінять термодинамічні властивості повітряних мас. Під дією рельєфу на території Закарпаття формуються різні типи місцевої циркуляції: фени, гірсько - долинні і схилові вітри.

Карпати значно впливають на циклонічну дію. При наближені циклона до гірського хребта в передній частині його внаслідок конвергенції потоку в пригірських районах атмосферний тиск збільшується. Далі по мірі переміщення циклона , разом з ростом тиску на навітреній стороні хребта, починається падіння його на підвітреному схилі. В результаті утворюються два центра пониженого тиску - один біля навітреного схилу, другий - біля підвітряного. В подальшому центр біля не вітряного схилу заповнюється , а біля підвітряного - углибляється і зміщується далі на схід. Такий процес еволюції циклонів отримав назву сегментації.

Закарпатська область по рельєфу і розміщенню ділиться на три основні частини: низинна частина, передгірна і гірська частина області.

В Закарпатській області переважає західний перенос висотних повітряних мас з європейських морів і Атлантичного океану, а також з східно - європейських рівнин. З Атлантики взимку поступає вологе повітря, відносно тепле, літом - помірно тепле, з відлигами, яке спричиняє зливові дощі та грози. Сибірський антициклон впливає на виникнення осінніх і весняних заморозків. З Арктики взимку інколи приходить різке похолодання.

Літня жара виникає внаслідок вступу континентального тропічного повітря з півночі Африки. Виноси тропічного повітря часто обумовлюються в першій половині осені теплою сухою погодою.

Клімат низинною частини області відрізняється практично по всім метеорологічним елементам від клімату передгірної частини області, а клімат передгірної частини має досить значну різницю в кліматі в порівняні його з гірською частиною. ужгород сніговий хлорид іон

Кліматичну характеристику басейна р. Уж зроблено по багаторічним даним спостережень (30 років) метеостанцій області (м. Ужгород, смт. В. Березний) і гідрологічних постів.

Атмосферні опади є одною з найбільш важливих характеристик клімату.

Територія Закарпаття по географічному положенню і кліматичним умовам відноситься до зони розвинутої зливової діяльності, де на протязі року неодноразово випадає за короткі терміни 100 мм. Опадів і більше. Опади на цій території на протязі усього року обумовлюються головним чином циклонічною діяльністю. Циклони, які переміщаються з Атлантичного океану і Середземного моря приносять в м. Ужгород до 80% річної кількості опадів. Для м. Ужгород характерний континентальний тип випадання опадів з максимумом в літні місяці ( червень, 95 мм.), мінімумом в лютому ( 51 мм. ) і на початку весни ( березень 50 мм.). Такий річний хід зберігається більшість років, але в окремі роки він суттєво відрізняється. Наприклад, 1979 р. максимум відмічався в грудні, а мінімум - в вересні, жовтні.

В низинній частині області випадає менша кількість опадів порівняно з підгірною і гірською частиною: на 80 - 100 мм, менше підгірної частини і на 400 - 500 мм., менше ніж в гірських районах.

1.2 Характеристика снігового покрову Закарпатської області

Сніговому покриву належить одна з ведучих ролей у формуванні клімату зимового сезону. Він зберігає грунт від глибокого промерзання і цим сприяє всмоктуванню талих вод на весні. Значний вплив сніжний покрив має також на температурний режим холодного періоду року. Навесні тепле повітря над сніжною поверхнею охолоджується за рахунок витрати тепла на танення снігу, внаслідок чого виникає снігова інверсія. Сніжний покров характеризується висотою, щільністю та запасом води в снігові. Важливим показником також є дата появи та сходу снігового покриву, утворення та руйнування стійкого снігового покриву, кількість днів з сніговим покривом.

Сніг очищує атмосферу від механічних і хімічних забруднень. Після снігопаду над містами зникає смог, а це кислотні випари, вихлопні гази, аерозолі та радіонукліди в різноманітних формах. Правду кажучи рослинам, на відміну від нас, цей факт покращення не несе. Справа в тому, що при таненні навесні сніг віддає всі адсорбованні забрудники через талу воду у землю. Головні джерела забруднення - теплові електростанції, нафтопереробні підприємства та автотранспорт. Менш небезпечні станції, які працюють на газі, більш - на вугіллі.

Середня дата утворення снігового покриву в м. Ужгород припадає на початок грудня. Середнє квадратичне відхилення дат появи снігового покриву складає 15 днів. Один раз в 20 років сніговий покров може встановлюватись до 10 листопада, або після 28 грудня.

Строки появи снігового покриву в м. Ужгород сильно коливаються з року в рік в залежності від характеру погоди і особливостей циркуляції перед зимовим періодом. Період між випадінням першого снігу і утворенням стійкого снігового покриву називається перед зимовим, він продовжується в середньому 24 дні. В ранні зими стійкий сніговий покрив утворюється на 40 днів раніше середньої дати, в пізні зими на 40 днів пізніше. Різниця між настанням найбільш ранньої (13 листопада 1983 р.) і найбільш пізньої ( 6 лютого 1956 р.) дати стійкого снігового покриву може складати три місяці. В теплі малосніжні зими з довгими відлигами обумовленими адвекцією тепла, коли сніжний покрив практично повністю тане, потім знов утворюється, інколи спостерігаються два періоди з стійким сніговим покривом.

На низинних територіях басейну р. Уж переважають зими м'які і відносно теплі з незначним і недовгим сніговим покривом. Навіть в холодні і багатосніжні зими періоди стійкого покриву не перевищують одного місяця.

Максимальна висота снігового покриву за роки спостережень 1946 - 2008, на низині досягала 70 - 90 см., в лютому 1999 р.

За зиму сніговий покрив може утворюватись і сходити в середньому 5 - 7 разів, за зиму 1951 - 1952 рр. він сходив і утворювався 10 разів. Зима 2006 - 2008 рр. була практично безсніжною в низинній частині області.

Повністю сходить сніг, загалом, в другій декаді лютого, при сніжних зимах в кінці лютого - початок березня.

Клімат міста Ужгород

Клімат помірно-континентальний, з жарким літом і м'якою зимою. Значно впливає на клімат міста захищеність Карпатами від холодних вітрів з півночі.

Середньорічна температура повітря становить 10,1 ° С, найнижча вона у січні (мінус 1,7 °С), найвища -- в липні (20,9 °С).

Найнижча середньомісячна температура повітря в січні (мінус 11,1 °С) зафіксована в 1964 р., найвища (4,1 °С) -- у 1936 р. Найнижча середньомісячна температура в липні (17,6 °С) спостерігалась у 1902 і 1979 рр., найвища (23,6 °С) -- у 1994 р. Абсолютний мінімум температури повітря (мінус 32,0 °С) зафіксовано 9-10 лютого1929 р., абсолютний максимум (38,6 °С) -- 15 липня 1952. В останні 100-120 років температура повітря в Ужгороді, так само як і в цілому на Землі, має тенденцію до підвищення. Протягом цього періоду середньорічна температура повітря підвищилася приблизно на 1,0 °С. Найбільше підвищення температури в першій половині року.

У середньому за рік в Ужгороді випадає 748 мм атмосферних опадів, найменше їх у лютому і квітні, найбільше -- у червні та липні.

Мінімальна річна кількість опадів (443 мм) спостерігалась у 1961 р., максимальна (1134 мм) -- у 1980 р. Максимальну добову кількість опадів (75 мм) зафіксовано у червні 1892 р. У середньому за рік у місті спостерігається 156 днів з опадами; найменше їх (9) у жовтні, найбільше (18) -- у грудні. Щороку в Ужгороді утворюється сніговий покрив, проте його висота незначна.

Відносна вологість повітря в середньому становить 73%, найменша вона у квітні (63%), найбільша -- у грудні (84%).

Таблиця 1. Погода в м. Ужгород. Температура повітря та опади. Грудень 2014.

Дата	Температура повітря, °C	Опади, мм
	мінімум	середня	максимум	Відхилення від норми
1	-7.4	-3.1	0.5	-4.9	0.0
2	-1.0	0.9	3.5	-0.7	1.0
3	1.0	3.8	9.4	+2.3	0.5
4	-1.0	3.8	10.0	+2.5	0.0
5	-3.7	1.0	9.3	-0.1	0.0
6	-1.2	3.2	7.7	+2.2	0.0
7	-2.2	1.8	8.0	+1.0	0.0
8	-2.8	0.3	2.7	-0.4	0.4
9	1.6	4.0	6.6	+3.5	0.1
10	2.9	4.9	6.2	+4.5	0.0
11	2.4	2.9	3.6	+2.7	0.0
12	1.8	3.0	4.8	+2.9	0.0
13	0.5	4.3	7.5	+4.3	0.0
14	5.0	7.0	8.5	+7.2	0.0
15	6.3	8.1	9.8	+8.4	0.0
16	6.9	8.1	9.2	+8.5	0.1
17	2.8	6.1	7.7	+6.6	12.0
18	0.8	3.3	5.2	+3.9	0.0
19	4.4	5.6	6.7	+6.3	13.0
20	4.9	6.5	8.0	+7.3	2.0
21	2.5	4.4	6.4	+5.3	0.0
22	0.1	2.7	4.9	+3.7	4.0
23	3.1	5.8	8.2	+6.9	0.0
24	1.0	5.4	7.9	+6.5	0.0
25	0.7	4.1	6.9	+5.3	0.0
26	-3.7	-0.3	3.1	+1.0	0.0
27	-5.3	-1.4	1.5	-0.1	0.0
28	-5.3	-1.6	2.0	-0.2	0.0
29	-5.4	-3.1	0.1	-1.7	0.0
30	-8.9	-6.3	-3.5	-4.8	0.0
31	-14.3	-9.5	-3.6	-8.0	0.0

Норма середньомісячної температури грудня: -0.2 °С. Фактична температура місяця за даними спостережень: 2.4 °С. Відхилення від норми:

+ 2.6 °С.

Норма суми опадів в грудні: 68 мм. Випало опадів: 33 мм. Ця сума становить 49% від норми.

Найнижча температура повітря (-14.3 °) була 31 грудня. Найвища температура повітря (10.0 °С) була 4 грудня.

Таблиця 1.1. Погода в м. Ужгород. Температура повітря та опади. Січень 2015.

Дата	Температура воздуха, °C	Опади, мм
	мінімум	середня	максимум	Відхилення від норми
1	-9.2	-4.8	-3.5	-3.2	0.2
2	-7.5	-4.9	-2.6	-3.3	0.8
3	-4.1	-2.2	-0.1	-0.6	2.0
4	-0.4	0.4	2.7	+2.1	3.0
5	-3.5	-0.1	2.0	+1.6	0.0
6	-4.3	-2.3	-0.8	-0.6	0.0
7	-17.1	-10.8	-4.3	-9.1	0.0
8	-9.5	-7.1	-5.2	-5.4	0.5
9	-6.1	-4.2	-1.4	-2.4	7.0
10	-1.6	1.5	3.5	+3.3	7.0
11	-0.4	2.3	4.1	+4.1	3.0
12	-4.5	0.3	3.7	+2.1	0.0
13	1.5	2.6	4.6	+4.4	0.0
14	-0.4	2.4	6.0	+4.2	0.0
15	-0.6	1.4	3.1	+3.2	0.3
16	0.2	3.1	5.2	+4.9	0.0
17	3.4	6.4	10.0	+8.2	0.0
18	5.1	6.5	7.8	+8.3	5.0
19	2.7	3.9	6.1	+5.7	7.0
20	2.7	3.6	4.8	+5.4	1.3
21	2.2	4.4	6.3	+6.2	3.7
22	3.0	5.2	7.8	+6.9	3.0
23	-0.5	3.3	7.6	+5.0	0.6
24	3.2	6.0	9.0	+7.7	0.6
25	-0.5	2.1	4.9	+3.8	2.0
26	-1.7	1.4	3.7	+3.0	0.0
27	-2.2	0.5	2.3	+2.1	0.0
28	-4.6	0.5	6.1	+2.1	0.0
29	-1.0	-0.1	1.2	+1.4	3.0
30	0.1	3.4	8.0	+4.9	7.6
31	0.4	3.7	8.1	+5.2	16.0

Норма середньомісячної температури січня: -1.7 °С. Фактична температура місяця за даними спостережень: 0.9 °С. Відхилення від норми: + 2.6 °С.

Норма суми опадів у січні: 53 мм. Випало опадів: 74 мм. Ця сума становить 140% від норми.

Таблиця 1.2. Погода в м. Ужгород. Температура повітря та опади. Лютий 2015.

Дата	Температура повітря, °C	Опади, мм
	мінімум	середня	максимум	Відхилення від норми
1	-2.6	1.5	6.0	+2.9	0.0
2	-4.1	-0.6	0.4	+0.8	3.0
3	-1.5	-0.6	0.1	+0.7	4.0
4	-1.3	0.3	2.2	+1.5	0.5
5	-2.9	1.0	5.5	+2.2	0.2
6	-0.6	1.3	4.3	+2.4	0.0
7	-3.9	-0.7	3.5	+0.3	0.0
8	-3.5	-1.9	0.5	-1.0	0.9
9	-3.8	-2.1	-0.3	-1.2	2.0
10	-3.3	-1.7	0.1	-0.9	2.0
11	-2.5	1.4	7.4	+2.1	0.0
12	-3.9	0.2	5.5	+0.8	0.0
13	-5.7	0.2	7.1	+0.7	0.0
14	-6.1	0.5	9.7	+0.8	0.0
15	-5.7	1.6	10.4	+1.8	0.0
16	-4.1	1.6	7.5	+1.7	0.0
17	-7.9	-1.3	5.0	-1.3	0.0
18	-9.8	-2.4	6.8	-2.6	0.0
19	-5.5	-0.7	5.1	-1.0	0.0
20	0.7	3.2	7.0	+2.7	0.0
21	-3.9	3.1	9.3	+2.5	0.0
22	-1.4	5.8	11.6	+5.0	0.0
23	3.5	5.9	8.0	+5.0	1.1
24	6.6	9.3	14.4	+8.2	2.0
25	-0.4	5.0	11.8	+3.7	1.0
26	4.6	7.5	12.0	+6.0	0.5
27	2.3	5.5	8.1	+3.8	0.0
28	-2.3	4.0	9.5	+2.2	0.6

Норма середньомісячної температури лютого: -0.1 °С. Фактична температура місяця за даними спостережень: 1.7 °С.

Норма суми опадів у лютому: 50 мм. Випало опадів: 18 мм. Ця сума становить 36% від норми.

Найнижча температура повітря (-9.8 °С) була 18 лютого. Найвища температура повітря (14.4 °С) була 24 лютого [2].

Серед міст правобережної частини України обласний центр -- на другому місці. Насправді Ужгород має однакові показники з Рівним, і лише завдяки меншому вмісту однієї з речовин залишається другим. Для порівняння -- середньорічна концентрація формальдегіду в Ужгороді 0,016 мг/куб. м., а в Рівному -- 0,013 мг/куб. м. при ГДК 0,003 мг/куб. м. Загалом середньорічні показники в Ужгороді перевищують гранично допустимі концентрації (ГДК) у 5,3 раз.

Регулярні спостереження за забрудненням атмосферного повітря в місті здійснюють на двох стаціонарних базових постах, розташованих у житловій та промисловій зонах міста -- на проспекті Свободи та вулиці Паризької Комуни. Вимірюють повітря чотири рази на добу. Відтак щодня одержують вісім проб. З них у лабораторії вираховують середній рівень і визначають стан забруднення. Лабораторія спостережень за забрудненням атмосферного повітря, якій підконтрольні пости, забезпечена приладами, покази яких достовірні.

Основними джерелами забруднення снігового покриву є автомобільний транспорт, промисловість і життєдіяльність людини. Автомобільний транспорт надає комплексний вплив на сніговий покрив. В якості основних продуктів-забруднювачів, що надходять від автомобільного транспорту, можна виділити: продукти згоряння палива, протікання пально-мастильних матеріалів (ПММ) і постійне підтримання в повітрі дорожнього пилу. Вихлопні і відпрацьовані гази двигунів внутрішнього згоряння викидають в повітряний басейн більше 70% оксидів вуглецю та вуглеводнів (бензол, формальдегіди, бензапірен), близько 55 % оксидів азоту, до 5,5 % води, а також сажу (важкі метали) , гар, кіптява і т.д.. За великого числа автомобілів і при нестачі заходів з прибирання забруднень, проїжджа частина являє собою акумулятор всіх забруднювачів, які переносяться автомобілями. Так само, за постійної фізичного навантаження, проїжджа частина не замерзає, що робить переміщення і підняття в атмосферу забруднень легше, що, зрозуміло, позначається на прилеглому сніговому покриві. Побутові відходи так само забруднюють сніговий покрив. Найбільше забруднення спостерігається навколо житлових будинків, місць скупчення людей.

Сніговий покрив - шар снігу на поверхні Землі, що утворився в результаті снігопадів і хуртовин. Сніговий покрив має малу щільністю, зростаючої з часом, особливо до весни. Альбедо свіжого снігу - 70-90 %, весняного, танучого - 30-40 %. Поверхня снігового покриву в значній мірі формується під впливом сонячної радіації і вітрів. Вітрові форми снігового мікрорельєфу можуть бути акумулятивними (снігові замети, дюни, бархани) і дефляційними (заструги, западини). Через малу щільність снігового покриву (0,05-0,1 г/см3 в якого щойно випав снігу, 0,3-0,4 г/см3 у сухого снігу в кінці зими, 0,5-0,6 г/см3 у багаторічного снігу на льодовиках) велика його теплопровідність. Сніговий покрив характеризується шаруватістю і зернистістю. Впродовж зими сніговий покрив осідає і ущільнюється. Розрізи сніжного покриву до кінця зими відображають історію минулих снігопадів і супроводжували їх станів погоди, запаси тепла в підстилаючих грунтах, а так само екологічну обстановку на території [3]. Сніговий покрив має великий вплив на клімат, рельєф, гідрологічні та грунтоутворюючі процеси, життя рослин і тварин. Сніговий покрив охороняє грунт від глибокого промерзання і зберігає озимі посіви, поглинає азотисті сполуки, удобрюючи тим самим грунт, адсорбує атмосферний пил, охолоджує приземні шари повітря. Сніговий покрив є ефективним накопичувачем аерозольних забруднюючих речовин, що випадають з атмосферного повітря. При сніготаненні ці речовини надходять у природні середовища, головним чином у воду, забруднюючи їх. При утворенні і випаданні снігу в результаті процесів сухого і вологого вимивання концентрація забруднюючих речовин у ньому виявляється зазвичай на 2-3 порядки величини вище, ніж в атмосферному повітрі. Тому вимірювання вмісту цих речовин можуть проводитися досить простими методами і з високим ступенем надійності. Пошаровий відбір проб снігового покриву дозволяє отримати динаміку забруднення за зимовий сезон, а всього лише одна проба по всій товщі снігового покриву дає представницькі дані про забруднення в період від утворення стійкого снігового покриву до моменту відбору проби. Сніговий покрив дозволяє вирішити проблему кількісного визначення сумарних параметрів забруднення (сухих і вологих випадінь). Сніговий покрив як природний планшет-накопичувач дає дійсну величину сухих і вологих випадінь в холодний сезон і кількісну величину параметрів забруднення. У горах і полярних областях земної кулі сніговий покрив, поступово перетворюючись на лід, як би консервує наявні в ньому забруднюючі речовини і зберігає їх при сприятливих умовах в масі льодовиків багато сотень і тисячі років, стаючи своєрідним літописом складу атмосферного повітря і його забруднення. Сніговий покрив є ефективним індикатором процесів закислення природних середовищ.

Забруднення снігового покриву відбувається в 2 етапи. По-перше, це забруднення сніжинок під час їх утворення в хмарі і випадання на місцевість - вологе випадання забруднюючих речовин зі снігом. По-друге, це забруднення вже снігу, що випав в результаті сухого випадіння забруднюючих речовин з атмосфери, а також їх надходження з підстилаючих грунтів і гірських порід. Взаємовідносини між сухими і вологими випадіннями залежить від багатьох факторів, головними з яких є: тривалість холодного періоду, частота снігопадів і їх інтенсивність, фізико-хімічні властивості забруднюючих речовин, розмір аерозолів. У зв'язку з великою інтенсивністю процесів вологого вимивання для регіонального та глобального забруднення частка сухих випадінь зазвичай становить 10-30 %. Однак поблизу локальних джерел при великих викидах грубодисперсних аерозолів картина змінюється на зворотну, тобто на частку сухих випадінь може припадати від 70 до 90 %. Середній час перебування в атмосфері антропогенних і природних речовин тісно пов'язане з висотою викиду і фізико-хімічними властивостями. Час перебування, як правило, зростає з висотою викиду і збільшенням дисперсності аерозольних частинок і становить від декількох хвилин до року і більше. Характерна висота надходження забруднюючих речовин від великих промислових підприємств і теплових електростанцій становить 150 м. Ця оцінка враховує висоту труб, початковий підйом газопилового факела, розподіл потужності викиду за окремими типами джерела. Реальна висота викиду може коливатися в широких межах, від десятків до сотень метрів. Викид забруднюючих речовин автотранспортом відбувається практично на рівні землі. Надходження в атмосферу природних речовин (продуктів вітрової ерозії, летючих сполук, морських бризів) відбувається безпосередньо з поверхні Землі [4].

При організації екологічного моніторингу одна з найбільш актуальних проблем - вибір природних об'єктів для досліджень. Одним з методів, що дозволяють оцінити ступінь техногенного навантаження на навколишнє середовище міст і здоров'я проживаєчих в них громадян, є моніторинг забруднення атмосферних опадів. Найбільш зручним у вивченні видом опадів є сніговий покрив (Ашихміна, 1996).

Серед основних причин, що обумовлюють можливість успішного застосування методів моніторингу забруднення снігового покриву, і як наслідок природних середовищ, можна виділити (Василенко, 1985):

. відбір проб снігового покриву надзвичайно простий і не вимагає складного устаткування в порівнянні з відбором проб повітря;

. сніговий покрив дозволяє вирішити проблему кількісного визначення сумарних параметрів забруднення (сухих і вологих випадінь);

. при утворенні і випаданні снігу концентрація забруднюючих речовин у ньому виявляється зазвичай на 2-3 порядки вище величини, ніж в атмосферному повітрі.

. сніговий покрив як природний планшет-накопичувач дає досить об'єктивну величину сухих і вологих випадінь в холодний сезон. Тому вимірювання вмісту цих речовин можуть проводиться досить простими методами і з високим ступенем надійності.

Зима - найбільш холодний час року, тривалістю в кілька місяців. При поділі року на чотири сезони в помірних широтах за зиму умовно приймається проміжок часу з грудня по лютий, але характерні кліматичні ознаки зими можуть спостерігатися з листопада по березень включно. Зима характеризується певними фенологічними ознаками і настає з моменту переходу середньодобової температури в період її падіння через 0 ° С.

Один з основних факторів, що визначають стан зими - температура повітря. В умовах негативних температур, спостережуваних на більшій частині нашої країни, відбувається різке зниження біологічної активності всього живого, інтенсивності біохімічних і хімічних процесів. Зміна агрегатного стану води на величезних площах земної поверхні викликає прояв нових якостей у природному середовищі, які, в свою чергу, можуть впливати як на живу природу, так і на окремі компоненти неживої природи.

Сезонний сніговий покрив лягає на поверхню суші на площі від 115 до 126 млн. км². Сніговий покрив має великий вплив на всі природні процеси і господарську діяльність людини. Суцільний сніговий покрив охороняє взимку поверхню від ерозії, дефляції, а навесні при таненні є джерелом інтенсивного прояву схилових і ерозійних процесів. Сніг впливає на тиск, опади, вологість, температурний режим, запиленість атмосфери.

З іншого боку, фізико-механічні властивості снігу, його будова і особливості поширення знаходяться в тісній залежності від ландшафтних умов території. Сніговий покрив є дзеркалом сезонного стану природи і несе велику інформацію про погодні явища.

Утворення снігового покриву відбувається в результаті випадання з атмосфери твердих опадів, представлених сніжинками, які складаються з безлічі дрібних крижаних кристалів. Процеси утворення в хмарі зародкових крапель і кристалів складні і не повністю ще вивчені. Вважають, що зародження сніжинок відбувається біля ядер конденсації, якими є частки пилу, сажі, пилку рослин і спор. Збільшення видимих кристаликів відбувається за рахунок сублімації (переходу з газоподібного в твердий стан, минаючи рідку фазу) на них водяної пари або злипання один з одним. В умовах сильного перенасичення повітря водяною парою виникають променисті сніжинки, якщо ж перенасичення зменшується, проміжки між променями заповнюються льодом і створюються пластинки. У міру збільшення ваги кристалики падають на землю і на своєму шляху піддаються механічному й температурного впливу. На поверхні землі сніжинки накопичуються і формують сніговий покрив. Сніг схильний до дії вітру та температури повітря не тільки в момент випадіння, але і після снігопаду. Розподіл снігу залежить від особливостей випадання опадів, сили вітру, характеру поверхні та інших факторів. Переміщається сніг по фізичним законам перенесення піску. На затишних ділянках відбувається накопичення снігу і утворюються замети. Місця, схильні тривалого вітровому впливу, як правило, позбавлені снігу. Вивчення переміщення снігу має велике практичне значення при сніговій меліорації. (Тушинський та ін, 1972, Рябцева, 1972

Потужність снігового покриву залежить від режиму погоди протягом зимового сезону, рельєфу, рослинного покриву та інших фізико-географічних умов. Поширення потужності снігового покриву на тій чи іншій території в цілому залежить від місцевих умов. На відкритих піднятих ділянках, особливо в навітряних схилах, потужність снігу зазвичай менше , ніж у пониженнях і на підвітряних схилах. У лісі за рахунок хуртовин снігу більше, ніж на відкритих ділянках.

Одним з важливих властивостей снігу є його щільність. Під щільністю розуміється відношення об'єму води, що міститься в снігу (кубічних сантиметрах). Чисельно вона дорівнює вазі снігу (в грамах) в 1 см³ снігового покриву. Від щільності і потужності снігу залежать запаси води в сніговому покриві: чим більше потужність і щільність снігового покриву, тим більше води містить я в ньому.

Серед фічних властивостей снігу насамперед звертають увагу теплоізолюючі властивості, які обумовлені його поганою теплопровідністю. У середніх значеннях теплопровідність снігу приблизно на порядок більше теплопровідності повітря і на порядок менше теплопровідності мінеральної грунту. Тому грунт, вкритий снігом, промерзає повільніше і на меншу глибину в порівнянні з оголеною. Теплопровідність щойно випав пухкого снігу найменша. Такий сніг гарантує найкращий захист грунту і зимуючих під ним рослин від охолодження і промерзання.

Найдрібніші матово-білі кристалики льоду - сніг - є самими звичайними видами твердих опадів, що виникають у вільній атмосфері в результаті сублімації водяної пари усередині переохолодженого повітря

Утворенню кристалів сприяють і ядра кристалізації, серед яких кращими є речовини, кристалічна решітка яких геометрично подібна решітці льоду. Японський гляциолог У. Накайя, досліджуючи сніжинки під електронним мікроскопом, завжди виявляє в їх центрах включення розміром 0,5 - 0,8 мк (переважно частинки каоліну, глини, вугілля, а також мікроорганізми).

Кристали льоду мають трігональную форму. Вони завжди розвиваються попарно і створюють шестикутний кристал. Кристалографічних осей 4: з них 3 лежат ь в одній площині, утворюючи один з одним кути в 120 °, четверта (головна) вісь спрямована перпендикулярно до цієї площини і є віссю симетрії.

Безліч факторів впливає на утворення і зростання сніжинок, тому таке велике розмаїття їх форм. У колекції мікрофотографій американського метеоролога Уїлсона Бентлі, виданого в 1931 році, налічується понад 5 тисяч Мікрофотографії сніжинок, відмінних один від одного.

Найбільш досконалі класифікації кристалів снігу належать У.Накайя і А.Д.Заморскому. Останній за генетичними ознаками виділив 9 основних форм, а в них 48 видів, які є варіантами, комбінаціями і ускладненнями основних форм.

Узагальнюючи це велике розмаїття форм сніжинок, можна говорити про два основні типи (по В.М.Котлякову):

1 - пластинчасті кристали, що утворюються при температурах - 20 - 25 °С;

2 - стовпчасті кристали, що утворюються при більш низьких температурах. До основних форм першого типу відносяться:

Платівка - найпростіша за формою сніжинка, тонка шестикутна, рідше трикутна крижана пластинка розміром від 0,1 до 4 мм. Всі її боку (або через одну) однакові за формою і довжині.

Зірчастий кристал - мабуть, найкрасивіша сніжинка (її зображення стало символом снігу) - тонкий, плоский кристал, має центральну шестикутну пластинку, з кутів якої ростуть тонкі промені. Зазвичай променів шість, але може бути 3 або 12 або інші ускладнені форми. Середній розмір кристалів коливається від 2 до 7 мм. До нас дійшли замальовки цього виду сніжинки, що датуються 1555 роком.

Пушинка - пластинка або зірка до 9 мм по горизонталі, покрита звичайно з одного боку плоскими кристалами, що зросли під різними напрямами і кутами. Пушинки колись славилися «вкриті інеєм снігом».

Серед стовпчастих кристалів найпоширенішою формою є стовпчик. Це шестигранна або порожниста призма довжиною менше 1 см з плоскими пірамідальними або усіченими кінцями. Вона дуже часто зустрічається при температурах нижче - 20 ° С і має багато ускладнених різновидів.

Витягнуті найтонші снігові кристали відомі як голки. Складний сніжний кристал - їжак - являє собою кілька пластинок, променів або призм, що ростуть в різних напрямках з одного центру. Сніговий покрив в основному складається з пластинчастих їжаків і зірок (близько 30%), зірчастих пушинок (близько 10%), сніжної крупи та інших форм (Мал. 13).

Фізико-механічні властивості снігу і сніжного покриву

Сніг є найбільш поширеним видом твердих атмосферних опадів. Сніжинки, складові падаючий сніг і утворюють сніговий покрив, є плоскими кристалами льоду вельми різноманітної форми, в основному гексагональної, шестигранною і шестипроменевої. Розміри окремих, вільно падаючих в повітрі сніжинок доходять до 10 мм.

Сніжним покровом називають шар снігу, що лежить на поверхні землі і утворився при снігопадах. Склад снігового покриву досить різноманітний, він має шарувату будову, обумовлене цілою низкою причин: перемежованими снігопадами, власною масою сніжинок, сублімацією і сублімацією снігових кристалів, впливом атмосферних факторів (сонячної радіації, вітру, інших атмосферних опадів та ін.)

Таким чином, сніговий покрив не є стабільним; його потужність і всі фізико-механічні властивості безперервно змінюються.

Сухий сніговий покрив являє собою двофазну, а мокрий - трифазну систему, що складається з кристалів льоду, води і повітря, що містить водяну пару.

Всі характеристики снігу залежать від його щільності, але разом з тим щільність снігу найвищою мірою мінливе, від 10 до 700 кг/м3. Зазвичай розглядають: щільність різних видів снігу, щільність снігу на відкритій місцевості, щільність снігу в лісі, щільність снігу в сніжниках, щільність талого снігу.

Щільність снігу досить неоднорідна по висоті снігового покриву і залежить від тривалості та глибини його залягання. Тому щільність снігового покриву є величиною осредненной.

Наявність вологи (води, водяної пари) істотно збільшує щільність снігу. Щільність талого снігу має велике значення для прогнозу водопілля на річках. Спостереження показують, що в більшості випадків вона змінюється на початку танення від 180 до 350 кг/м3, в розпал танення від 350 до 450 кг/м3, в кінці танення доходить до 600 кг/м3.

Щільність снігу в лісі менше, ніж на відкритій місцевості, що пояснюється зменшенням вітру в лісі і меншою інтенсивністю зимових відлиг.

Пористість снігового покриву обумовлена ??наявністю великої кількості проміжків між кристалами льоду, що утворюють сполучені між собою пори і пронизують сніговий покрив у всіх напрямках.

Пористість снігового покриву пов'язана з його структурою і змінюється в міру його ущільнення від 98 до 20%. До початку сніготанення (зазвичай при щільності 280 - 300 кг/м3) вона становить 73-67%.

Повітропроникність снігового покриву пояснюється наявністю в ньому наскрізних пір і характеризується коефіцієнтом воздухопроводності. За відсутності рідкої фази сніговий покрив буде повітропроникним, якщо розміри пор або капілярів будуть достатніми для вільного переміщення молекул повітря. Отже, коефіцієнт повітропроникності істотно залежить від структури снігового покриву; він зменшується у міру його ущільнення.

Водопроникність снігового покриву для гравітаційної води, що надходить від дощу або від танення верхнього шару снігу, залежить від кількості, розмірів і форми пір в сніговому покриві, від наявності крижаних прошарків і пр., тобто від структури снігового покриву.

Водоутримуюча здатність снігового покриву характеризується тим найбільшою кількістю води, яке він здатний утримати в даному його стані. Ця характеристика має велике значення для розрахунку половодий. Вона вивчалася П.П.Кузьміним дослідним шляхом на спеціально розроблених приладах з використанням вагового та калориметрического способів.

В результаті досліджень було встановлено, що водоутримуюча здатність снігового покриву залежить від його структури і щільності: меншої щільності відповідає більша водоутримуюча здатність.

Вологість снігу - кількість води, яка сніговий покрив містить в даний момент. Вона є дуже важливою його фізичною характеристикою і визначається калориметричним способом.

Коефіцієнт відбиття сонячної радіації снігом значно вище, ніж у льоду і, тим більше, у води.

Коефіцієнт поглинання сонячної радіації снігом також високий; поглинається вона самим верхнім шаром снігу і тому не доходить до його підстильної поверхні.

Електричні, радіоактивні та акустичні властивості снігу останнім часом набувають все більшого значення, але вони поки вивчені недостатньо.

Сухий сніг, насамперед, характеризується малою електричну провідність, що дозволяє розташовувати на його поверхні навіть не ізольовані проводи. Виконані дослідження для сухого снігу щільністю близько 100 - 500 кг/м3 при температурі від - 2 до - 16 ° С показали, що питомий електричний опір? е. досить високе (2,8 · 105 - 2,6 · 107 Ом · м) і близько до питомою опору сухого льоду. Навпаки, вологий сніг володіє малим електричним опором, падаючим до 10 Ом · м.

Сухий сніговий покрив є діелектриком. Діелектрична проникність снігового покриву? залежить від частоти електромагнітних хвиль, їх довжини і від стану снігу (температури, щільності, структури, вологості). Діелектрична проникність снігу значно менше, ніж льоду (? Ол=73 ... 95,?? Л=3 ... 8), і збільшується з зростанням його щільності і вологості.

Акустичні властивості снігу проявляються, наприклад, в скрипі під лижами, полозами саней, під ногами пішоходів і в інших випадках. Скрип снігу залежить від його щільності, тиску на нього і від його температури. Помічено, що скрип чути при температурі від - 2 до - 20 ° С; нижче цієї температури скрип не чутний. Зв'язок скрипу з температурою можна пояснити тим, що з пониженням температури збільшується міцність снігових кристалів і тому злам їх під тиском супроводжується звуком. При температурі нижче - 20 ° С сніжинки достатньо міцні і дуже мало ламаються під тиском.

Механічні властивості снігу мають велике значення при використанні його в якості будівельного матеріалу, при транспортуванні по ньому вантажів, а також при вивченні снігових лавин.

Встановлено, що залежність тертя ковзання по снігу різних тіл від температури снігу неоднозначна. Найкращі умови для руху лиж і саней спостерігаються при температурі від - 3 до - 10 ° С. Із збільшенням щільності снігу та швидкості руху коефіцієнт тертя ковзання зменшується.

Опір снігу розтягуванню досліджувалося щодо розриву зразка від власної ваги шляхом пропіліванія заздалегідь наміченої шийки. Щойно випав сніг надає невелику, практично рівне нулю опір розриву, а в ущільнили снігу опір розриву зростає із збільшенням щільності і досягає значення 0,027 · 105Па. Опір розриву вологого снігу менше, ніж сухого. В цілому опір снігу розриву залежить від його температури, щільності і структури.

Сніговий покрив протягом усього періоду свого існування піддається впливу різних фізичних та механічних факторів, що призводять до безперервного зміни його структури, складу і обсягу. Ці фактори і що надаються ними впливу ще далеко недостатньо вивчені.

Дослідження снігового покрову є зручним і економічно вигідним способом отримання даних про надходження забруднюючих речовин із атмосфери на підстилаючу поверхню. Особливу цікавість сніговий покрив представляє при вивченні процесів довготривалого забруднення (місяць, сезон), оскільки як природній накопичувач він дає представлення про реальну кількість сухих та вологих осадів у холодну пору року.

Найбільш інтенсивно даний підхід приміняють на протязі останніх десятиліть. Показано, що сніг може слугувати індикатором атмосферного забруднення поллютантами різного типу: пилюкою, важкими металами, нафтовими поліциклічними ароматичними вуглеводнями, білковими зєднаннями та ін.. Сніговий покрив можна також використовувати для цілей дистанційного зондування параметрів забруднення місцевості, в тому числі і з космосу.

Завдяки геохімічним та санітарно-гігієнічних дослідженям були встановлені кількісні зв'язки між складом компонентів в атмосферному повітрі та випаданні їх на території міст, що фіксується у вигляді аномалій в грунті та сніговому покрові.

Протягом вересня 2014 року лабораторією спостережень за забрудненням атмосферного повітря (ЛСЗА) Закарпатського ЦГМ на двох стаціонарних постах спостережень міста Ужгорода відібрано та проаналізовано 988 проб атмосферного повітря. Порівняння середньої за місяць концентрації забруднюючих речовин із гранично допустимою середньодобовою концентрацією показало підвищений рівень забруднення формальдегідом (3,9 ГДКс.д.) та оксидом вуглецю (1,1 ГДК с. д.). У порівнянні з серпнем, в вересні знизилась концентрація в атмосферному повітрі міста диоксиду та оксиду азоту, пилу та формальдегіду; забруднення диоксидом сірки, оксидом вуглецю та розчинними сульфатами залишилось на рівні попереднього місяця. Порівняно з вереснем минулого року, спостерігається ріст середньомісячної концентрації диоксиду сірки, оксиду азоту, пилу, розчинних сульфатів; забруднення формальдегідом, оксидом вуглецю та диоксидом азоту знизилось. Перевищення максимальної разової гранично допустимої концентрації (ГДК м. р.) в атмосферному повітрі міста виявлено для формальдегіду (максимальне значення разової концентрації склало 2,32 ГДК м. р.); повторюваність перевищення ГДК м. р., у відсотках до кількості відібраних проб, склала 7,2%. Індекс забруднення атмосферного повітря міста Ужгорода п'ятьма пріоритетними забруднюючими речовинами в вересні склав 8,79 (в попередньому місяці - 13,74), в тому числі: індекс забруднення формальдегідом - 5,91, оксидом вуглецю - 1,08, диоксидом азоту - 0,78, оксидом азоту - 0,62 та пилом - 0,40(11).

Пояснення даних аномалій можна зробити проаналізувавши троянду вітрів міста Ужгород. Таким чином, визначивши напрямки вітрів у місті можна довести або спростувати припущення про транскордонне забруднення повітряного басейну міста шкідливими речовинами із сусідніх держав.

Рис. 1. Троянда вітрів міста Ужгород.

Рис. 2. Карта Ужгорода.

1.3 Характеристика та особливості снігового покрову як об'єкту хімічного аналізу

Вплив антропогенного джерела на навколишнє середовище найбільш масштабно проявляється в повітряних викидах і може бути сумарно визначене по складу снігового покрову для зимового періоду на значній території. Вивчення особливостей викидів аерозольних домішок повітряних викидів, закономірностей формування хімічного складу снігу в залежності від віддаленості від джерела забруднення, встановлення кореляцій між компонентами хімічного складу є предметом даної роботи.

Виходячи з умов формування та існування, сніговий покров - це складна гетерогенна система, яка включає воду в твердому стані, як основний компонент(її вміст зазвичай більше 99 %), а також тверду фракцію, представлену аерозольними частинками. Саме ці аерозольні частинки є основними носіями інформації про склад снігових проб, так як за їх характеристиками можна судити про джерела аерозольних викидів. Єдиної класифікації джерел надходження аерозольних часток в сніговий покрив не існує. Тим не менш, можна припускати наявність вкладу в його в хімічний склад як з боку аерозолів природного походження (космічний пил, континентальні і морські аерозолі), так і від антропогенних викидів промпідприємств, транспорту, сільського, побутового та комунального господарства. Залежно від місця відбору проб внесок від цих джерел і співвідношення між твердою і водорозчинній фракціями снігового покриву може бути різним. Крім того, самі аерозолі також різняться по фазовому, дисперсному, хімічному та мікробіологічному складу. Для вивчення стану довкілля урбанізованих територій найбільший інтерес представляють снігові проби, відібрані в околицях антропогенних джерел. Очевидно, що в цих пробах переважають аерозольні фракції, що характеризують конкретне джерело.

Найбільш інтенсивні дослідження снігового покриву проводяться протягом останніх 40-50 років. Результати проведених досліджень були узагальнені в ряді монографій. Основний висновок, який можна зробити з проведених досліджень, полягає в тому, що сніговий покрив є зручним об'єктом для дослідження тривалого атмосферного забруднення, що дозволяє здійснювати моніторинг навколишнього середовища із застосуванням відносно простих процедур відбору проб, підготовки до аналізу та отримання кількісної інформації про склад. Так, наприклад, відбір снігових проб для виявлення забруднення сніжного покриву повітряними викидами джерел різної просторово-часової структури проводять за визначеними маршрутами, як правило, приуроченим до системи під'їзних шляхі...