XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Введение

В наше время антропогенные факторы загрязнения атмосферы стали превышать по масштабам естественные, приобретая глобальный характер. Выбрасываемые в атмосферу вредные примеси не только уничтожают живую природу, отрицательно воздействуют на здоровье людей, но и способны изменить свойства самой атмосферы, что может привести к нежелательным экологическим и климатическим последствиям.

Мощными антропогенными источниками, негативно воздействующими на качество атмосферного воздуха, являются автотранспорт и предприятия теплоэнергетики.

Основными загрязняющими веществами в моей работе являются: оксид углерода(CO), диоксид азота(NO2) и взвешенные частицы(PM10).

Оксид углерода, или угарный газ – очень ядовитый газ без цвета, запаха и вкуса. Он образуется при неполном сгорании древесины, ископаемого топлива и табака, при сжигании твердых отходов и частичном анаэробном разложении органики. Примерно 50% угарного газа образуется в связи с деятельностью человека, в основном в результате работы двигателей внутреннего сгорания автомобилей. В закрытом помещении (например, в гараже), наполненном угарным газом, снижается способность гемоглобина эритроцитов переносить кислород, из-за чего у человека замедляются реакции, ослабляется восприятие, появляются головная боль, сонливость, тошнота. Под воздействием большого количества угарного газа может произойти обморок, случиться кома и даже наступить смерть.

Оксиды азота. Оксид (NO) и диоксид (NO2) азота образуются при сгорании топлива при очень высоких температурах (выше 650оС) и избытке кислорода. В дальнейшем в атмосфере 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. В значительных концентрациях диоксид азота имеет резкий сладковатый запах, раздражает нижний отдел дыхательной системы, особенно легочную ткань, ухудшая тем самым состояние людей, страдающих астмой, хроническими бронхитами и эмфиземой легких. Диоксид азота повышает предрасположенность к острым респираторным заболеваниям, например, пневмонии.

Взвешенные частицы, включающие пыль, сажу, пыльцу и споры растений и пр., сильно различаются по размерам и составу. Они могут либо непосредственно содержаться в воздушной среде, либо быть заключены в капельках, взвешенных в воздухе (аэрозоли). В целом за год в атмосферу Земли поступает около 100 млн. т аэрозолей антропогенного происхождения. Примерно 50 % частиц антропогенного происхождения выбрасывается в воздух из-за неполного сгорания топлива на транспорте, заводах, фабриках и тепловых электростанциях. По данным Всемирной организации здравоохранения, 70 % населения, живущего в городах развивающихся стран, дышит сильно загрязнённым воздухом, содержащим множество аэрозолей.

Нормативы

Влияние метеопараметров на загрязнение атмосферы

Атмосфера, как и вся природная среда в целом, обладает способностью к самоочищению. Вредные вещества, поступающие в атмосферу от антропогенных источников, оседают на поверхности домов, растений, почвы, вымываются атмосферными осадками и переносятся на значительные расстояния от места выброса. Все эти процессы происходят с помощью ветра и зависят от температуры воздуха, солнечной радиации, атмосферных осадков и других метеорологических факторов. Под влиянием всех этих факторов при постоянных выбросах вредных веществ уровень загрязнения приземного слоя воздуха может меняться в очень широких пределах.

Влияние скорости и направления ветра на загрязнение. Главным фактором, влияющим на распространение примесей в атмосфере, является ветровой режим. Максимум концентрации обычно создается на расстоянии, кратном 10-20 высотам труб источника выбросов. Поэтому при проектировании размещения промышленных предприятий и жилых кварталов учитывается повторяемость различных направлений ветра (роза ветров), особенно со стороны предприятий, и расстояние до предприятия. Необходимо принимать во внимание не только направление, но и скорость ветра.

Выбросы низких и неорганизованных источников скапливаются в приземном слое при слабых ветрах. При выбросах от промышленных предприятий с высотными трубами значительные концентрации примесей у земли создаются при так называемой опасной скорости ветра.

Из высоких труб воздушная смесь (факел) выходит с определенной скоростью. Если эта смесь имеет более высокую температуру, чем окружающий воздух, она поднимается вверх, и вредные примеси уносятся в верхние слои атмосферы. При слабых ветрах подъем факела увеличивается, и примеси почти не достигают земли. При сильных ветрах наблюдается перенос примесей на значительные расстояния от места выброса. Но имеется некоторая промежуточная скорость ветра, при которой факел опускается к земле (наблюдается эффект «задымления») и в приземном слое формируется наибольший уровень загрязнения. Эта скорость и называется «опасной». Ее значение зависит от высоты, скорости и температуры выбросов из источника; например, для тепловых электростанций она равна 4-6 м/с. При ослаблении скорости ветра до штиля происходит подъем перегретых выбросов от отдельных высоких источников в верхние слои атмосферы, где они рассеиваются.

Однако если при этих условиях наблюдается инверсия, то она образует «потолок», препятствующий подъему выбросов. Тогда концентрация примеси в приземном слое будет резко возрастать. Большую опасность представляют так называемые застои воздуха, то есть ситуации, когда приземные инверсии температуры наблюдаются при скорости ветра 0-1 м/с. При этой ситуации выбросы вредных веществ не могут подниматься в верхние слои атмосферы и уноситься от источников выбросов. При застоях воздуха все вредные вещества скапливаются у источников выбросов. В городах вытянутой формы влияние ветра особенно существенно. Если направление ветра совпадает с вытянутостью города, то наблюдается наложение выбросов различных источников, и зона повышенного загрязнения создаётся с подветренной части города.

Влияние осадков на формирование уровня загрязнения. Известно, что осадки приводят к значительному очищению атмосферы. Ливневые осадки больше очищают воздух, чем обложные. Анализ результатов наблюдений показал, что повышенные концентрации пыли и сернистого газа редко наблюдаются после дождя, а удаление их из атмосферы в большой степени зависит от интенсивности и количества выпавших осадков. Скорость уменьшения сернистого газа увеличивается с возрастанием интенсивности дождя. Концентрация диоксида азота так же, как и сернистого газа, уменьшается при выпадении осадков, а озон и другие окислители в летнее время после дождя исчезают из атмосферы почти полностью.

Влияние туманов на формирование уровня загрязнения. Накопление примесей в атмосфере, обусловленное слабыми ветрами в большой толще атмосферы и инверсиями (приподнятыми и приземными), усиливается в условиях туманов. Капли тумана поглощают вредные вещества как вблизи поверхности, так и из вышележащих загрязненных слоев воздуха и, таким образом, как бы аккумулируют, примесь из весьма протяженного слоя, что существенно увеличивает суммарное загрязнение воздуха вблизи подстилающей поверхности. При растворении примесей иногда образуются новые более вредные вещества. А при содержании в тумане частиц металлов (марганца, меди, железа) или аммиака, процесс окисления ускоряется. Например, при растворении в каплях тумана диоксида серы образуются капли более токсичной серной кислоты.

Климатические особенности Санкт-Петербурга выгодно отличают город от других крупных городов в России с точки зрения условий рассеивания в атмосфере выбросов загрязняющих веществ. В частности, высокая относительная влажность воздуха, характерная для Санкт-Петербурга в течение всех климатических периодов года, способствует, как известно, коагуляции твердых частиц, что, в свою очередь, обусловливает их более быстрое осаждение и, следовательно, снижение концентрации в городской воздушной среде.

Тем не менее, следует отметить, что взвешенные вещества входят в перечень основных загрязнителей, выбрасываемых в атмосферный воздух Санкт-Петербурга и стационарными, и передвижными источниками

По объему выбросов твердых веществ в атмосферу лидируют пять административных районов Санкт-Петербурга - Выборгский, Колпинский, Красносельский, Невский и Пушкинский.

Материалы исследования

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.

В ходе выполнения работы был проведен анализ данных с автоматической станции мониторинга загрязнения атмосферного воздуха в Невском районе Санкт-Петербурга, расположенной по адресу: ул. Тельмана, дом 24 (станции АСМ-АВ №20) (рисунок1).

Данные представлены в виде среднесуточных концентраций загрязняющих веществ в долях ПДКсс.

ПДКсс – 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 (годы) вдыхании.

Рисунок 1 – Расположение станции

Станция расположена возле крупной автомобильной дороги, Дальневосточный проспект. На востоке от нее массивная жилая застройка. На западе протекает р.Нева. Вблизи расположена промышленная зона.

Для оценки изменчивости концентрации веществ, были взяты данные среднесуточных концентраций загрязняющих веществ в долях ПДКсс за период 90 дней с 01.12.21 по 28.02.2022 с официального сайта Экологического портала г. Санкт-Петербурга [6] и представлены в виде графика (рисунок 2).

Рисунок 2 – Изменение концентрации веществ за зимний период 2021-2022 гг.

Проанализировав график, можно выделить 13 дней, где концентрация веществ превышала ПДКсс. В основном это были превышения диоксида азота (NO2), но 04.02.2022 наблюдалось превышение оксида углерода(CO) и взвешенных частиц (PM10). Эти дни были отдельно занесены в таблицу. Помимо концентраций, для анализа загрязнения, были дополнительно включены значения температуры, влажности воздуха, скорости и направления ветра, а также синоптическая ситуация в которой находился Санкт-Петербург в исследуемый период [7], [12].

Сводные данные представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Дни с превышением ПДКсс

Из таблицы 1 видно, что из 13 дней 5 дней Санкт-Петербург находился в малоградиентном поле; 3 дня в гребне; по 2 дня в циклоне и антициклоне; и 1 день в седловине.

Результаты исследования

Делая вывод по синоптической ситуации, в которой находился Санкт-Петербург в эти дни, можно сказать, что уровень загрязнения повышается при следующих ситуациях: при малоградиентном барическом поле, характерна погода с низкой скоростью ветра, что не дает вещества меремещаться. Концентрации в городе понижены в ситуации с активной циклонической деятельностью. Известно, что определённой синоптической ситуации свойственна своя система воздушных течений, которая в большей или в меньшей степени влияет на распределение примесей.

Антициклон и гребень – области повышенного атмосферного давления. В этих барических системах преобладают нисходящие движения воздуха и малооблачная погода, без осадков. Это является одной из причин повышенных концентраций в приземном слое атмосферы. Циклон и ложбина – области пониженного давления, в которых преобладают восходящие движения воздуха и облачная, часто с осадками погода. Уровень загрязнения в этот период, преимущественно пониженный.

На рисунке 3 показаны промышленные зоны, обведенные красным контуром, а также крупные автомобильные дороги.

Рисунок 3 – Расположение промышленных зон

Делая вывод по географическому положению станции, можно сказать, что на нее большое влияние оказывает ветер преимущественно южных, юго-западных, западных и северо-западных направлений, так в этих же направления находятся промышленные зоны, которые могут быть причиной выбрасывания оксида азота(NO) в атмосферу. Он попадает в воздушную среду при сжигании различных видов топлива. Оксид азота находясь в воздухе окисляется кислородом и таким образом образует диоксида азота(NO2). Так же на превышение концентрации могут оказывать влияние расположенные по близости крупные автомобильные дороги с большим потоком транспорта, такие как Дальневосточный проспект, проспект Большевиков и Народная улица. В утренние и вечерние часы на них образуются километровые заторы, которые являются крупными источниками загрязнения.

Заключение

Подводя итог, можно сказать, что мониторинг загрязняющих веществ в наше время является одной из важнейшей задач, поскольку мы можем узнать насколько страдает атмосфера от вредных выбросов. Ведь превышения допустимых концентраций несет огромную опасность для здоровья людей и состояния окружающей среды. Загрязнение Невского района можно оценить на удовлетворительно. Пусть концентрация и превышает всего 13 дней за зимний период, но она не должна превышать и одного. Все должны жить в чистой среде, где не должно быть превышений загрязняющих веществ.

Список литературы:

Крюкова С.В. Контроль загрязнения природной среды: анализ данных загрязнения. Лабораторный практикум. — СПб.: РГГМУ, 2015. — 46 с.

Руководство по прогнозу загрязнения воздуха. Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат, 1993. с. 14-18.

Руководство по контролю загрязнения атмосферы. Москва 1991. с. 397-398.

Анализ влияния метеорологических параметров атмосферы и загрязнения окружающей природной среды на здоровье человека [Электронный ресурс]. – Режим доступа articlekz.com (дата обращения: 22.12.2022)

Влияния метеорологических параметров на распределение концентрации Основных загрязняющих веществ в воздухе и их источники [Электронный ресурс]. – Режим доступа scienceforum.ru (дата обращения: 22.12.2022)

Экологический портал Санкт-Петербурга [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.infoeco.ru/ (дата обращения: 22.12.2022).

Расписание погоды [Электронный ресурс]. – Режим доступа http://rp5.ru/ (дата обращения: 22.12.2022).

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.

Немецкая модель погоды [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.wetterzentrale.de/ (дата обращения: 22.12.2022).

Код для цитирования: Скопировать