XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ И ЗАГРЯЗНЯЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА. Загрязнение атмосферы представляет собой изменение состава атмосферы в результате наличия в ней примеси. Загрязняющим веществом называют примесь в атмосфере, оказывающую неблагоприятное действие на окружающую среду и здоровье населения.

Основными загрязняющими веществами являются:

Диоксид серы (SO₂)

Оксид углерода (CO)

Взвешенные частицы(PM)

Оксидыазота (NO, NO₂)

Озон (O₃)

Аммиак (NH3)

Диоксид серы (SO₂) – самое распространенное соединение серы – газ без цвета, который образуется при сгорании серосодержащих видов топлива (главным образом, угля, а также тяжелых фракций нефти) и при производственных процессах, например, плавке сульфидных руд.

Оксид углерода, или угарный газ (СО) – ядовитый газ, не имеющий цвета, вкуса и запаха, который образуется при неполном сгорании ископаемого топлива и древесины, при сжигании твердых отходов и частичном анаэробном разложении органики. Половина угарного газа образуется за счёт антропогенного фактора, в основном в результате работы ДВС автомобилей. Под действием большого количества угарного газа может произойти обморок, случиться кома, самым тяжёлым последствием является летальный исход.

Взвешенные частицы (РМ). Здесь выделяют пыль, сажу, споры и пыльцу растений. Они могут либо содержаться непосредственно в воздушной среде, либо быть заключены в капельках, взвешенных в воздухе в виде аэрозолей. В целом за год в атмосферу Земли поступает около 100 млн. тонн аэрозолей из-за антропогенного фактора. Примерно половина частиц антропогенного происхождения выбрасывается в воздух из-за неполного сгорания топлива на транспорте, заводах, фабриках и ТЭЦ. По данным ВОЗ, 2/3 населения, живущего в городах развивающихся стран, дышит сильно загрязненным воздухом, который содержит множество аэрозолей.

Оксиды азота. Оксид (NO) и диоксид (NO₂) азота образуются при сгорании топлива при очень высоких температурах (выше 650 °С) и избытке кислорода. В дальнейшем, при попадании в атмосферу, оксид азота окисляется до газообразного диоксида красно-бурого цвета, который хорошо заметен в атмосфере большинства крупных городов. Основными источниками диоксида азота в городах являются выхлопные газы автомобилей и выбросы теплоэлектростанций. Кроме того, диоксид азота образуется при сжигании твердых отходов, так как этот процесс происходит при высоких температурах горения.

Фотохимические окислители – озон (О₃) является продуктом вторичного загрязнения атмосферы в результате химических реакций под воздействием солнечной радиации. Образуется озон при расщеплении либо молекулы кислорода (О₂), либо диоксида азота (NО₂) с образованием атомарного кислорода (О), который затем присоединяется к другой молекуле кислорода. Несмотря на то, что в стратосфере озон играет важную роль как защитный экран, который поглощает коротковолновую УФ-радиацию, в тропосфере он как сильный окислитель разрушает растения, строительные материалы, резину и пластмассу.

Аммиак – газ без цвета, но с резким запахом, хорошо растворяется в воде, спирте и ряде других органических растворителей. Синтезируют из азота и водорода. В природе образуется при разложении азотсодержащих органических соединений. Основными источниками выделения аммиака являются предприятия по производству азотной кислоты и солей аммония, холодильные установки, коксохимические заводы и животноводческие фермы.[1]

НОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА. Главной чертой нормирования качества атмосферного воздуха является то, что воздействие загрязняющих веществ, присутствующих в воздухе, на человека зависит не только от значения их концентраций, но и от продолжительности временного интервала, в течение которого человек дышит данным воздухом, в котором содержится то или иное загрязняющее вещество.

В РФ, как и во всем мире, для загрязняющих веществ, установлены 2 норматива:

норматив, рассчитанный на короткий период воздействия загрязняющих веществ. Данный норматив называется «предельно допустимые максимально – разовые концентрации»;

норматив, рассчитанный на более продолжительный период воздействия (8 часов, сутки, по некоторым веществам год).

В РФ данный норматив устанавливается для 24 часов и называется «предельно допустимые среднесуточные концентрации».

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. Величины ПДК приведены в мг/м³

ПДК_МР – предельно допустимая максимальная разовая концентрация химического вещества в воздухе населенных мест, мг/м³. Эта концентрация при вдыхании в течение 20–30 мин не должна вызывать рефлекторных реакций в организме человека.

ПДК_СС – предельно допустимая среднесуточная концентрация химического вещества в воздухе населенных мест, мг/м³. Эта концентрация не должна оказывать на человека прямого или косвенного вредного воздействия при неопределенно долгом вдыхании.[4]

Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ в России представлены в табл. 1.

Таблица 1 - Предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ в РФ

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

ВЛИЯНИЕ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА КОНЦЕНТРАЦИЮ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ. Время сохранения примесей в атмосфере зависит от множества факторов, доминирующее значение среди которых принадлежит метеорологическим условиям. Под влиянием этих факторов при постоянных выбросах вредных веществ уровень загрязнения приземного слоя воздуха может колебаться в очень широких пределах. Метеоусловия также влияют на перенос и рассеивание примесей в атмосфере. Наибольшее влияние оказывает режим ветра и температуры (температурная стратификация), осадки, туманы, солнечная радиация.

Характер влияния ветра на распространение примесей зависит от типа источника и характеристики выбросов. Если отходящие газы перегреты относительно окружающего воздуха, то они обладают начальной высотой подъема. В связи с этим вблизи источника создается поле вертикальных скоростей, способствующих подъему факела и уносу примесей вверх. Данный подъём является причиной уменьшения концентраций примесей у земли. Концентрация уменьшается и при очень сильных ветрах, однако это происходит за счет быстрого переноса примесей в горизонтальном направлении. При низких или холодных источниках выбросов повышенный уровень загрязнения воздуха наблюдается при слабых ветрах (v = 0 ÷ 1 м/с) вследствие скопления примесей в приземном слое.

Также уровень загрязнения воздуха в городе зависит от направления ветра. Существенное увеличение концентрации примеси может наблюдается при случае, когда преобладают ветры со стороны промышленных объектов.

Инверсия температуры в атмосфере – повышение температуры воздуха с высотой взамен обычного для тропосферы её убывания. В зависимости от высоты, инверсии температуры подразделяют на приземные и приподнятые(в свободной атмосфере). Приземные инверсии температуры чаще всего образуются в безветренные ночи в результате интенсивного излучения тепла земной поверхностью, что приводит не только к её собственному охлаждению, но и охлаждению прилегающего слоя воздуха. Мощность приземных инверсий (_ΔН) составляет десятки – сотни метров. Увеличение температуры в инверсионном слое – интенсивность инверсии (_ΔТ) – колеблется от десятых долей градусов до 15–20 °С и более.

Инверсии температуры – это, так называемые, «барьеры» в атмосфере; они препятствуют развитию вертикальных движений воздуха, вследствие чего под ними накапливаются водяной пар, пыль, ядра конденсации. Это благоприятствует образованию слоев дымки, тумана. Для состояния атмосферы в городах наибольшую опасность представляет приземная инверсия в сочетании со слабыми ветрами, т. е. ситуация «застоя воздуха».

Наиболее высокие концентрации загрязняющих веществ наблюдаются при низкой температуре. Рост влажности также способствует увеличению концентраций загрязнений в атмосферном воздухе. Капли тумана поглощают примесь, причем не только вблизи подстилающей поверхности, но и из вышележащих, наиболее загрязненных слоев воздуха. Вследствие этого концентрация примесей сильно возрастает в слое тумана и уменьшается над ним. Растворение сернистого газа в каплях приводит к образованию серной кислоты.

Осадки очищают воздух от примесей.

Солнечная радиация обусловливает фотохимические реакции в атмосфере с образованием различных вторичных продуктов, обладающих часто более токсичными свойствами, чем вещества, поступающие от источников выбросов.[5,6]

ПОЛУЧЕНИЕ ДАННЫХ ОБ КОНЦЕНТРАЦИИ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ. Данные об концентрации загрязняющих веществ собираются с автоматических станций мониторинга атмосферы, которые располагаются в разных районах исследуемых городов.

В Санкт-Петербурге мониторинг качества атмосферного воздуха осуществляется с использованием Автоматизированной системы мониторинга атмосферного воздуха Санкт-Петербурга (АСМ-АВ).

АСМ-АВ является комплексом взаимодействующих технических и программных средств, организационных процедур и услуг по обеспечению функционирования технических и программных средств, необходимых для экологического мониторинга атмосферного воздуха в Санкт-Петербурге.

Структура АСМ-АВ состоит из двух уровней: измерительной части, информационного и технического сервиса.

На данный момент в состав АСМ-АВ входят: испытательная лаборатория, 25 автоматических станций мониторинга загрязнения атмосферного воздуха, 2 стационарных поста наблюдений, 3 автоматические метеорологические станции, 3 передвижные лаборатории мониторинга загрязнения атмосферного воздуха. Станции расположены в 18 административных районах Санкт-Петербурга [https://infoeco.ru/index.php?id=53]. Схема расположения станций представлена ниже на рис. 1.[7]

Рисунок 1 – Схема расположения станций в городе Санкт-Петербург

Стоит отметить, что каждая автоматическая станция даёт индивидуальный набор значений концентраций загрязняющих веществ, так как на них установлены датчики для измерения концентрации конкретных загрязняющих веществ. Некоторые станции, помимо значений концентрации загрязняющих веществ предоставляют данные и о значениях метеопараметров: температуры, давления, скорости и направления ветра. Данные о концентрациях загрязняющих веществ выражены в единицах среднесуточных предельно допустимых концентраций (ПДК_СС). Метеоданные берутся из архива сайта о расписании погоды [https://rp5.ru]

Пример данных о днях с максимальными значениях ПДС_СС со станции №10 (рисунок №2) за период с сентября по ноябрь 2021 года представлен в таблице №2.

Рисунок №2 – Расположение станции №10 на карте Санкт-Петербурга

Таблица 2 - Дни с максимальным значением ПДК_СС

Дата	CO, Доли ПДКсс	NO2, Доли ПДКсс	SO2, Доли ПДКсс	T, °C	f, %	V, м/c	d, направ.	d, град
11.09.2021	0,2	0,3	0,1	14,2	81	0,6	Штиль	0
29.09.2021	0,2	0,3	0,2	9,7	71	0,5	Штиль	0
02.10.2021	0,2	0,3	0,2	11,4	69	1,8	Ю	180
03.10.2021	0,2	0,3	0,2	10,4	71	1,9	ВЮВ	112
08.10.2021	---	0,3	0,2	11	60	2,3	ЮЗ	225
13.10.2021	0,2	0,3	0,2	8	75	1,3	Ю	180
14.10.2021	0,2	0,3	0,2	5,9	88	1,5	ЮЗ	225
20.10.2021	0,2	0,3	0,1	2	80	2,1	Ю	180
23.11.2021	0,2	0,3	0,1	-2,1	88	1,6	ЮЗ	225
25.11.2021	0,2	0,3	0,1	2,4	84	2,6	ЮЗ	225

Станция №10 расположена вдоль одного из самых протяжённых проспектов города – Московского проспекта и соответственно здесь большой поток транспорта, что является условием для повышения концентрации оксидов азота, источниками которого являются выхлопные газы автомобилей. Также осенью начинается отопительный сезон, с началом которого начинают работать котельные и ТЭЦ города, выбросы с которых также являются источниками оксида азота.

Главным метеопараметром, оказавшим влияние на распространение загрязняющих веществ стал слабый ветер (особенно в сентябре, когда скорость ветра была ˂ 1 м/с), вследствие чего примеси скопились в приземном слое. Ветер в целом за осенний период был слабый, а это является предпосылкой к увеличению концентрации загрязняющих веществ, так как при сильных ветрах концентрация уменьшается за счёт быстрого переноса примесей в горизонтальном направлении. В конце осени наблюдался рост относительной влажности, что в совокупности со слабым ветром, является признаком наличия температурных инверсий, которые повышают концентрацию загрязняющих веществ.

Экологическую обстановку в районе, описанном в примере, за осень 2021 года можно считать благоприятной, так как за весь период не было достигнуто даже 40 % уровня предельно допустимой концентрации того или иного загрязняющего вещества.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Мониторинг атмосферы и климата является важной задачей в современном мире, так как с каждым годом, с развитием новых технологий, увеличивается количество вредных выбросов в атмосферу, тем самым в будущем возможно ухудшение уровня жизни на Земле, а анализ количественного значения этих выбросов помогает понять, насколько сильно загрязнена атмосфера на данный момент и что нужно предпринять, чтобы попытаться замедлить глобальные процессы, которые в будущем негативно повлияют на жизнь людей на Земле.

Список литературы:

Крюкова С.В., Симакина Т.Е. Анализ загрязнения воздушного бассейна. Лабораторный практикум. – СПб. : РГГМУ, 2018. – 60 с

Экологический портал Санкт-Петербурга [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.infoeco.ru/ (дата обращения: 23.12.2022).

Расписание погоды [Электронный ресурс]. – Режим доступа http://rp5.ru/ (дата обращения: 23.12.2022).

Гигиенические нормативы ГН 2.1.6.1338-03 Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест. – М., - 2003. – 41 с.

Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния окружающей среды. – М.: Гидрометеоиздат, 1984. – 375 с.

Пашкевич М.А., Шуйский В.Ф. - Экологический мониторинг: Учебное пособие. Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет). СПб, 2002. - 89 с.

Безуглая Э.Ю. - Мониторинг состояния загрязнения атмосферы в городах. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986. – 200 с.

Код для цитирования: Скопировать