Оценка экологического состояния атмосферы в промышленной зоне

 

Туманы имеют частицы  правильной сферической формы (результат  самопроизвольного уменьшения поверхности жидкости), тогда как пыли и дымы содержат твердые частицы самой разнообразной формы. К типичным аэрозолям можно отнести туман, состоящий из капелек водяного пара, размер частиц которых в среднем составляет 0,5 мкм, топочный дым (сажа) – 0,1–100 мкм, дождевые облака – 10–100 мкм и др.

При некоторых погодных условиях могут образовываться особо большие скопления вредных аэрозольных примесей в приземном слое воздуха. Обычно это происходит в тех случаях, когда в слое воздуха непосредственно над источниками газопылевой эмиссии существует инверсия – расположение слоя более холодного воздуха под теплым, что препятствует воздушным массам и задерживает перенос примесей вверх. В результате вредные выбросы сосредотачиваются под слоем инверсии, содержание их у земли резко возрастает, что становится одной из причин образования ранее неизвестного в природе фотохимического тумана [4].

Фотохимический туман (смог) представляет собой многокомпонентную  смесь газов и аэрозольных  частиц первичного и вторичного происхождения. В состав основных компонентов смога  входят озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические соединения перекисной природы, называемые в совокупности фотооксидантами. Фотохимический смог возникает в результате фотохимических реакций при определенных условиях:

• наличие в атмосфере высокой концентрации оксидов азота, углеводородов и других загрязнителей;

• интенсивная солнечная радиация и безветрие или очень слабый обмен воздуха в приземном слое при мощной и повышенной (не менее суток) инверсии.

По своему физиологическому воздействию на организм человека смог крайне опасен для дыхательной и  кровеносной системы, часто бывают причиной преждевременной смерти городских жителей с ослабленным здоровьем [4].

Важнейшее свойство аэрозолей  – способность частиц сохраняться  во взвешенном состоянии, перемещаться преимущественно как единое целое  и при столкновении коагулировать  друг с другом. В покоящейся среде  частицы аэрозоля поддерживаются во взвешенном состоянии в поле гравитации благодаря их собственному тепловому движению. Однако в атмосфере на аэрозоли помимо радиационного температурного прогрева, поля силы тяжести действуют и другие силы. Прежде всего это горизонтальные и вертикальные движения воздуха, называемые ветром. Горизонтальные движения связаны с циркуляцией атмосферы, перемещением барических образования (циклонов и антициклонов), и есть следствие неодинакового прогрева земной поверхности. Вертикальные смещения связаны с турбулентностью в атмосфере.

Под действием силы тяжести  в аэрозольном облаке происходит направленное перемешивание менее плотной фазы вверх (всплывание), а более плотной – вниз (оседание или седиментация). Капли тумана или частицы аэрозоля стремятся под действием силы тяжести осесть. В случае облаков это проявляется в виде дождя или снега [4].

 

1.2.3. Твердые аэрозоли

 

Источниками естественных аэрозолей  являются океаны, космическая пыль, частицы почвы и горных пород, поднимаемых в воздух при ветровой эрозии, органические вещества – пыльца растений, споры, бактерии и др., частицы дыма, возникающие при лесных и торфяных пожарах, продукты вулканических извержений.

Атмосферные аэрозоли над  океаном образуются в результате разбрызгивания капель морской воды и их последующего испарения. Капли образуются при сдувании ветром брызг с гребней волн, при выпадении на водную поверхность осадков, в прибойной зоне побережий. Основным компонентом морских аэрозолей является хлорид натрия, однако в них присутствуют карбонаты, сульфаты, калий, магний и кальций, органических соединений. Взвешенные в воздухе солевые частицы в прибрежных районах наносят значительный ущерб сельскохозяйственным культурам и вызывают коррозию металлов [4].

Важным источником аэрозолей  являются вулканы, но их вклад сильно варьирует во времени и пространстве. Одно мощное извержение может многократно превысить выброс частиц в атмосферу, который происходит в периоды «спокойной» вулканической деятельности. Например, извержение вулкана Агунг на о. Бали в 1963 г. выбросило большое количество аэрозолей в тропосферу и стратосферу, вызвав на всем земном шаре весьма эффектные вечерние зори. Появление аэрозолей в стратосфере в результате этого извержения вызвало повышение там температуры примерно на 5 ˚С. Вулканические аэрозоли представляют собой тонко измельченную лаву либо капли серной кислоты, содержащей растворы сульфатов, галогенидов, следы никеля и хрома.

Степные, кустарниковые и  лесные пожары являются еще одним  важным источником тропосферных аэрозолей. Зола, выбрасываемая при пожарах в атмосферу, состоит из неорганических веществ, минералов, первоначально присутствовавших в тканях растений. В золе имеются частицы углерода, не полностью сгоревшие смолистые вещества. Крупные лесные пожары могут быть источниками атмосферных аэрозолей, заметных в глобальном масштабе.

Метеорная пыль может быть двух видов. Так, субмикронные частицы  из межпланетного пространства могут  достигать земной поверхности в  неизменном виде. Более крупные частично сгорают или расплавляются.

Частицы биологического происхождения  переносятся на большие расстояния. Споры грибов, например, находили над океаном на расстоянии 1000 км, а пыльцу – в 2500 км от возможного ближайшего источника. Морские бактерии обнаружены в пробах воздуха более чем в 100 км от побережья [4].

Аэрозоли антропогенного происхождения составляют примерно 20% от естественного содержания аэрозолей. Они образуются в основном при  сжигании твердого и жидкого топлива. Кроме того, ряд производств, например, цементные заводы, выбрасывают в атмосферу большое количество пыли. Пространственное распределение антропогенных аэрозолей неравномерно, и они являются загрязнителями атмосферы, играя пагубную роль как в отношении человека и животных, так и растительных сообществ.

Атмосферный аэрозоль подразделяют также на:

• тропосферный (до высоты приблизительно 10 км);

• стратосферный (10–50 км).

Аэрозольные частицы проникают  в стратосферу в результате вулканических извержений, заноса ядер конденсации при развитии кучево-дождевых облаков, вершины которых выходят за пределы тропосферы. Определенный вклад в формирование стратосферных аэрозолей вносит высотная авиация, запуски ракет-носителей и т.д. В стратосфере отмечаются также аэрозоли внеземного происхождения, содержащие следы никеля [4].

Диспергационные аэрозоли с  твердыми частицами (пыли) образуются в атмосфере в природных условиях, а также при измельчении твердых  тел в шахтах, пересыпании порошков (муки, мела) и т.п. [1].

При взрывном разрушении твердых  тел происходит, как правило, диспергирование вещества и его испарение с последующей конденсацией паров и образованием аэрозолей.

Размер твердых частиц, наблюдаемых в атмосфере, колеблется в широких пределах: от тысячных и сотых долей до нескольких десятков микрометров. В зависимости от размера аэрозольные частицы делят на три класса:

• тонкодисперсные (r < 0,1 мкм);

• среднедисперсные (r = 0,1–1 мкм);

• грубодисперсные (r > 1 мкм).

Тонкодисперсный аэрозоль вносит существенный вклад в поглощение радиации и, как следствие, в изменение термического режима атмосферы [1].

Количество аэрозолей  в атмосфере огромно, существует их постоянный приток и сток. Более  крупные частицы осаждаются сами, более мелкие вымываются дождем или снегом. Продолжительность пребывания аэрозолей в атмосфере определяет их так называемое «время жизни». В тропосфере время жизни аэрозолей составляет от 6 до 40 суток. В стратосфере среднее время жизни аэрозольных частиц увеличивается с высотой: до месяца в слое 10–12 км, 1–2 года на высоте 20 км и от 4 до 20 лет на высоте50 км.

Проблемы, связанные с  аэрозолями многогранны. Аэрозоли могут  оказывать влияние на формирование климата как Земли в целом, так и в отдельных её районах. Важнейшей положительной ролью аэрозолей является ядрообразование, т.е. свойство конденсировать воду. Однако, они могут изменять отражательную способность планеты Земля и тем самым изменять глобальную температуру [4].

 

 

1.3. Состояние атмосферы  в Республике Беларусь

 

Изменение климата Республики Беларусь связано с естественными  и антропогенными факторами. Исходя из средних оценок, ожидаемые изменения газового и аэрозольного состава атмосферы, обусловленные в основном антропогенной деятельностью, приведут к увеличению средней годовой температуры на территории республики приблизительно на 1°С к 2025 году. На фоне общего потепления резко возрастут внутригодовые (межсезонные) и межгодовые колебания температуры и осадков, увеличится число погодных и климатических экстремальных явлений.

Проведенные исследования показали, что глобальное потепление связано с выбросами парниковых газов в различных отраслях экономики, в первую очередь в энергетике. Уровень выбросов парниковых газов в республике составляет в настоящее время порядка 60 млн. тонн в эквиваленте диоксида углерода.

Наблюдается тенденция  снижения над территорией республики общего содержания озона, что сопровождается повышением уровня приземного ультрафиолетового излучения, что негативно отражается на здоровье населения республики, функционировании экосистем и росте числа заболеваний, инициированных ультрафиолетовой радиацией [8].

Основные проблемы в  области охраны атмосферного воздуха  связаны с его загрязнением вредными выбросами от стационарных и передвижных  источников. Выбросы загрязняющих веществ от стационарных источников характеризуются как общее количество загрязняющих веществ, поступающих в атмосферный воздух от всех организованных и неорганизованных стационарных источников. В структуре выбросов преобладают оксид углерода (56,4 процента), диоксид серы (6,9), оксиды азота (11,1) и углеводороды (14,3 процента). Сокращение выбросов от стационарных источников происходит как за счет строительства установок очистки газов, так и за счет внедрения новых технологий, использования топлива, сырья и материалов, позволяющих снизить вредное воздействие на атмосферный воздух. Решение вопросов повышения энергоэффективности производств, использование возобновляемых источников энергии способствуют также решению экологических проблем по сокращению выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух [8,15].

Выбросы загрязняющих веществ  мобильными источниками рассчитываются на основании количества потребляемого топлива. Выбросы от мобильных источников на территории республики характеризуются некоторым ростом, который в зависимости от вещества составляет от 8 до 17%. Максимальный объем выбросов отмечается в Минске и Минской области, минимальный – в Могилевской области [15].

Основными направлениями  деятельности в области охраны атмосферного воздуха являются:

• совершенствование экологической политики и формирование гибкой системы экономического стимулирования в области охраны атмосферного воздуха;

• использование новых технических методов и средств минимизации выбросов;

• комплексный учет воздействия хозяйственной деятельности на окружающую среду;

• повышение экологической безопасности транспорта, обновление, модернизация подвижного состава, совершенствование инфраструктуры транспортного комплекса страны;

• внедрение новейших технологий и методов наблюдений, включая дистанционные, за состоянием атмосферного воздуха, а также расширение перечня определяемых загрязняющих веществ, необходимых для получения достоверной информации и принятия оперативных управленческих решений [8].

Показатель качества атмосферного воздуха характеризует состояние  окружающей среды с точки зрения качества атмосферного воздуха и  негативного влияния повышенных концентраций загрязняющих веществ на население.

В настоящее время мониторинг состояния  атмосферного  воздуха  в  Беларуси проводится в 18 промышленных городах, включая областные центры, а также Полоцк, Новополоцк,  Оршу,  Бобруйск,  Мозырь, Речицу,  Светлогорск,  Пинск,  Новогрудок, Жлобин, Лиду и Солигорск. Регулярными наблюдениями охвачены территории, на которых проживает 81,3% населения крупных и средних городов страны. Сеть мониторинга атмосферного воздуха включает 61 станцию. В Минске, Витебске и Могилеве функционируют автоматические станции, позволяющие получать информацию о содержании в воздухе приоритетных загрязняющих веществ в режиме реального времени.

Во всех городах в воздухе  определяются концентрации основных загрязняющих веществ: суммарных твердых частиц, диоксида серы, оксида углерода, диоксида азота. Измеряются также концентрации приоритетных специфических загрязняющих веществ: формальдегида, аммиака, фенола, сероводорода, сероуглерода. Во всех контролируемых  городах  определяется содержание в воздухе свинца и кадмия, в 16 городах – бензапирена, в 9 городах – летучих органических соединений (ЛОС). При  оценке  качества  атмосферного воздуха учитываются среднесуточные и максимально разовые предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ. Для станций с дискретным отбором проб средние за год значения сравниваются с ПДК среднесуточными, а максимальные – с максимально разовыми. Кроме того, для оценки состояния атмосферного воздуха используются такие показатели, как количество дней в году, в течение которых установлены превышения среднесуточных ПДК, и повторяемость (доля) проб с концентрациями выше максимально разовых ПДК. Средние за год концентрации основных и специфических загрязняющих веществ в подавляющем большинстве контролируемых городов Беларуси ниже нормативов качества. В отдельных городах зафиксированы превышения среднесуточных ПДК суммарных твердых частиц, оксида углерода и диоксида азота. Уровень загрязнения воздуха диоксидом серы сохраняется стабильно низким: как среднегодовые, так и  максимальные  разовые  концентрации находятся существенно ниже нормативов качества. Состояние  атмосферного  воздуха  в городах Бобруйске, Гродно, Новогрудке, Светлогорске, Лиде, Солигорске и в большинстве контролируемых районов Бреста, Витебска,  Минска,  Гомеля,  Мозыря  и Пинска в 2009 г. оценивалось как стабильно хорошее.