Состав, строение, свойства и функции атмосферы

Атмосфера выполняет следующие функции:

• содержит кислород, необходимый для дыхания живых организмов;

• является источником углекислого газа для фотосинтеза растений;

• защищает живые организмы от космических излучений;

• сохраняет тепло Земли и регулирует климат;

• трансформирует газообразные продукты обмена веществ;

• переносит водяные пары по планете;

• является средой обитания летающих форм организмов;

• служит источником Химического сырья и энергии;

• принимает и трансформирует газообразные и пылевидные отходы.

Состав атмосферы находится в состоянии динамического равновесия, поддерживаемого такими климатическими факторами, как перемещение воз­душных масс (ветер и конвекция) и атмосферные осадки, жизнедеятельность животного и растительного миров, особенно лесов и планктона мирового океана, а также в результате космических процессов, геохимических явлений и хозяйственной деятельности человека.

Примерный химический состав атмосферного воздуха (в объемных про­центах в пересчете на сухой воздух) приведен на рис. 4.1.

Раздел 4. Воздушная среда города

A,

Рис. 4.1. Химический состав атмосферного воздуха (в объемных процентах):

азот (N,) — 78,1%; кислород (О,) — 20,85%; аргон (Аг) - 0,93%; диоксид углерода (СО₂) - 0,033%; на долю остальных компонентов — неон (Ne), ге­лий (Не), криптон (Кг), ксенон (Хе), озон (О₃), водород (Н₂) и др. приходится не более чем 0,087%; содержание водяных паров колеблется в пределах 0,01-4%.

N₂ О, Аг СО, прочие (Не; Ne; Кг; Хе; О,; Н₂)

Общая масса атмосферы составляет 5,14- 10¹⁵ т. Около 50% массы атмо­сферы приходится на нижний слой толщиной около 5 км. Масса слоя толщи­ной 30 км составляет 99% всей массы атмосферы.

По вертикали атмосфера имеет слоистое строение. Выделение отдельных зон (табл. 4.1) основано на изменении температуры с высотой.

Таблица 4.1. Характеристика основных зон, выделяемых в атмосфере

Верхняя граница атмосферы четко не выделяется. Она переходит посте­пенно в космическое пространство.

Осредненная температура атмосферы на средних широтах уменьша­ется линейно с высотой до отметки 11 км. При этом средняя температура на уровне моря принимается равной 288 К, а на высоте 11 км — 216,7 К (рис. 4.2).

Исходя из этого стандартный, или нормальный температурный гради­ент равен:

~(dT/dH)_cnm = (288 - 216,7)/10,8-10³ = 0,0066 К/м. Среднее атмосферное давление на уровне моря составляет 101,3 кПа.

Экология города

t, • С Р, кПа

20 40

80 100 120 Н, км

Рис. 4.2. Распределение давления и температуры атмосферного воздуха по высоте (при некоторых средних условиях)

При условиях, соответствующих среднему давлению на уровне моря и многолетней среднегодовой температуре атмосферного воздуха на уровне моря, равной 15° С, распределение давления с высотой определяется по междуна­родной барометрической формуле:

Р(Н) = 101,3(1 - 6,5#/288)«⁵⁵, где Р — давление, кПа; Н — высота над уровнем моря, км.

Различия в нагревании воздуха приводят к горизонтальным градиентам давления, которые, в свою очередь, являются причиной конвекции горизон­тальных перемещений воздушных масс.

На перемещение воздушных масс воздействуют также сила Кориолиса, воз­никающая вследствие вращения Земли; центробежное ускорение, возникающее в районах, прилегающих к областям высокого и низкого давления; силы трения, замедляющие движение воздуха вблизи земной поверхности. В северном полу­шарии движение воздушных потоков вокруг центров высокого давления осуще­ствляется по часовой стрелке с отклонением наружу и вниз от кругового движе­ния. Этот поток получил название нисходящего и является одним из возможных препятствий для рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере.

При движении воздушных потоков вокруг центров низкого давления вектор скорости направлен внутрь и вверх от кругового движения против часовой стрелки. В этом случае загрязняющие вещества из нижних слоев атмосферы переносятся вверх и рассеиваются в больших объемах воздуха.

При движении воздуха в северном полушарии против часовой стрелки вокруг центра низкого давления формируется циклон, при движении в на­правлении часовой стрелки вокруг центра высокого давления — антициклон.

Раздел 4. Воздушная среда города 159

4.1.2. Характеристика загрязняющих атмосферу веществ и классификация источников загрязнения

Загрязнение атмосферы — изменение состава атмосферы в результате по­падания в нее примесей.

Примесь в атмосфере — это рассеянное в атмосфере вещество, не содер­жащееся в ее постоянном составе.

Загрязняющее воздух вещество — это примесь в атмосфере, оказывающая неблагоприятное воздействие на окружающую среду и здоровье населения.

Поскольку примеси в атмосфере могут претерпевать различные превра­щения, их можно условно разделить на первичные и вторичные.

Первичная примесь в атмосфере — примесь, сохранившая за рассматрива­емый интервал времени свои физические и химические свойства.

Превращения примесей в атмосфере — процесс, при котором примеси в атмосфере подвергаются физическим и химическим изменениям под влия­нием природных и антропогенных факторов, а также в результате взаимодей­ствия между собой.

Вторичная примесь в атмосфере — это примесь в атмосфере, образовав­шаяся в результате превращения первичных примесей.

По воздействию на организм человека загрязнение атмосферы подраз­деляют на физическое и химическое. К физическому относят: радиоактив­ное излучение, тепловое воздействие, шум, низкочастотные вибрации, элек­тромагнитные поля. К химическому — наличие химических веществ и их соединений.

Выбросы в атмосферу загрязняющих веществ характеризуются по 4 при­знакам: по агрегатному состоянию, химическому составу, размеру частиц и массовому расходу выброшенного вещества.

Загрязняющие вещества выбрасываются в атмосферу в виде смеси пыли, дыма, тумана, пара и газообразных веществ.

Источники выбросов в атмосферу подразделяют на естественные, обус­ловленные природными процессами, и антропогенные (техногенные), явля­ющиеся результатом деятельности человека.

К числу естественных источников загрязнения атмосферного воздуха от­носят пыльные бури, массивы зеленых насаждений в период цветения, степ­ные и лесные пожары, извержения вулканов. Примеси, выделяемые есте­ственными источниками:

• пыль растительного, вулканического, космического происхождения,
продукты эрозии почвы, частицы морской соли;

• туманы, дым и газы от лесных и степных пожаров;

• газы вулканического происхождения;

• продукты растительного, животного, бактериального происхождения.

Экология города

Естественные источники обычно бывают площадными (распределенны­ми) и действуют сравнительно кратковременно. Уровень загрязнения атмо­сферы естественными источниками является фоновым и мало изменяется с течением времени.

Антропогенные (техногенные) источники загрязнения атмосферного воз­духа, представленные главным образом выбросами промышленных пред­приятий и автотранспорта, отличаются многочисленностью и многообрази­ем видов (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Источники загрязнения атмосферы:

1 — высокая дымовая труба; 2 — низкая дымовая труба; 3 — аэрационный фонарь цеха; 4 — испарения с поверхности бассейна; 5 — утечки через неплотности оборудования; 6 — пыление при разгрузке сыпучих материалов; 7 — выхлопная труба автомобиля; 8 — направление движения потоков воздуха

Источники выбросов промышленных предприятий бывают стационар­ными (источники 1—6), когда координата источника выброса не изменяет­ся во времени, и передвижными (нестационарными) (источник 7 — авто­транспорт).

Источники выбросов в атмосферу подразделяют на: точечные, линейные и площадные.

Каждый из них может быть затененный и незатененный.

Точечные источники (на рис. 4.3 — 1, 2, 5, 7) — это загрязнения, сосредо­точенные в одном месте. К ним относятся дымовые трубы, вентиляционные шахты, крышные вентиляторы.

Раздел 4. Воздушная среда города 161

Линейные источники (3) имеют значительную протяженность. Это аэра-ционные фонари, ряды открытых окон, близко расположенные крышные вен­тиляторы. К ним могут быть также отнесены автотрассы.

Площадные источники (4, 6). Здесь удаляемые загрязнения рассредоточе­ны по плоскости промышленной площадки предприятия. К площадным ис­точникам относятся места складирования производственных и бытовых от­ходов, автостоянки, склады горюче-смазочных материалов.

Незатененные (1), или высокие, источники расположены в недеформиро-ванном потоке ветра. Это дымовые трубы и другие источники, выбрасываю­щие загрязнения на высоту, превышающую 2,5 высоты расположенных по­близости зданий и других препятствий.

Затененные источники (2—7) расположены в зоне подпора или аэродина­мической тени здания или другого препятствия.

Источники выбросов загрязняющих веществ в атмосферу подразделяют на организованные и неорганизованные.

Из организованного источника (1, 2, 7) загрязняющие вещества посту­пают в атмосферу через специально сооруженные газоходы, воздуховоды и трубы.

Неорганизованный источник выделения загрязняющих веществ (5, 6) об­разуется в результате нарушения герметичности оборудования, отсутствия или неудовлетворительной работы оборудования по отсосу пыли и газов, в местах загрузки, выгрузки или хранения продукта. К неорганизованным источникам относят автостоянки, склады горюче-смазочных или сыпучих материалов и другие площадные источники.

Наиболее распространенными загрязняющими веществами, поступа­ющими в атмосферный воздух от техногенных источников, являются: ок­сид углерода СО; диоксид серы SO₂; оксиды азота NO_x; углеводороды C_mH_n; пыль.

Оксид углерода (СО) — самая распространенная и наиболее значитель­ная примесь атмосферы, называемая в быту угарным газом. Содержание СО в естественных условиях от 0,01 до 0,2 мг/м³. Основная масса выбросов СО образуется в процессе сжигания органического топлива, прежде всего в дви­гателях внутреннего сгорания. Содержание СО в воздухе крупных городов колеблется в пределах 1— 250 мг/м³, при среднем значении 20 мг/м³. Наи­более высокая концентрация СО наблюдается на улицах и площадях горо­дов с интенсивным движением, особенно у перекрестков. Высокая концен­трация СО в воздухе приводит к физиологическим изменениям в организме человека, а концентрация более 750 мг/м³ — к смерти. СО — исключитель­но агрессивный газ, легко соединяющийся с гемоглобином крови, образуя карбоксигемоглобин. Состояние организма при дыхании воздухом, содержа­щим угарный газ, характеризуется данными, приведенными в табл. 4.2.

6, ,-

Оксиды азота (NO_x) образуются в процессе горения при высокой темпе­ратуре путем окисления части азота, находящегося в атмосферном воздухе. Под общей формулой NO_x обычно подразумевают сумму NO и NO₂. Основ-

Раздел 4. Воздушная среда города 163

ные источники выбросов NO_x: двигатели внутреннего сгорания, топки про­мышленных котлов, печи.

NO₂ — газ желтого цвета, придающий воздуху в городах коричневатый оттенок. Отравляющее действие NO_x начинается с легкого кашля. При повы­шении концентрации кашель усиливается, начинается головная боль, возни­кает рвота. При контакте NO_x с водяным паром, поверхностью слизистой оболочки образуются кислоты HNO₃ и HNO₂, что может привести к отеку легких. Продолжительность нахождения NO₂ в атмосфере — около 3 суток.

Размер пылинок колеблется от сотых долей до нескольких десятков мкм. Средний размер частиц пыли в атмосферном воздухе — 7—8 мкм. Пыль ока­зывает вредное воздействие на человека, растительный и животный мир, по­глощает солнечную радиацию и тем самым влияет на термический режим атмосферы и земной поверхности. Частицы пыли служат ядрами конденса­ции при образовании облаков и туманов. Основные источники образования пыли: производство строительных материалов, черная и цветная металлургия (оксиды железа, частицы Al, Cu, Zn), автотранспорт, пылящие и тлеющие места складирования бытовых и производственных отходов. Основная масса пыли вымывается из атмосферы осадками.

Выбросы, содержащие примеси в виде частиц пыли, дыма, тумана или пара, называются аэрозолями. Общее число разновидностей загрязняющих атмосферу аэрозолей составляет несколько сотен.