Состав атмосферного воздуха и его изменение

ЛЕКЦИЯ 11

ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕГО ВОЗДУХА

План лекции:

1. Состав атмосферного воздуха и его изменение

2. Нормирование загрязнения и контроль за составом атмосферного воздуха

Состав атмосферного воздуха и его изменение

Атмосферный воздух представляет собой сложную систему, нахо­дящуюся в тесном взаимодействии с окружающей средой: земной по­верхностью, мировым океаном, космосом, солнечным излучением и т.д.

Поэтому, прежде чем изучать вопрос защиты воздушного бассей­на от загрязнения вредными веществами, необходимо знать его при­родный химический состав и протекающие в нем процессы.

В атмосферном воздухе под действием внешних и внутренних факторов постоянно протекают гидродинамические, тепловые, электро­магнитные, химические и фотохимические процессы, от которых зави­сят температура, влажность, давление, скорость перемещения воздуш­ных потоков и химический состав воздуха.

Атмосфера на сотни километров простирается вокруг Земли, ее масса составляет примерно 5,3×10¹⁵ тонн. Плотность, влажность, температура и химический состав атмосферы не одинаковы - они зави­сят, в основном, от высоты слоя атмосферы над Землей.

Земную атмосферу условно разделяют на 5 основных слоев: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу. Наиболь­ший интерес представляет тропосфера.

Тропосфера - это ближайший к поверхности Земли слой атмосфе­ры, толщина которого составляет над экватором 16-18 км, над полю­сами 7-9 км. Исследования показали, что в тропосфере заключено 9/10 всей массы атмосферы. В тропосфере воздух находится в постоянном движении. Здесь наиболее интенсивно протекают гидродинами­ческие, тепловые и химические процессы. Происходят вертикальные и горизонтальные перемещения больших масс воздуха, образование зон с повышенным или пониженным давлением, охлаждение или нагревание воздушных масс, конденсация влаги и т.д.

Температура воздуха в тропосфере по мере удаления от Земли понижается, и на высоте 10-15 км она составляет минус 60-70°С. Это происходит потому, что воздух нагревается от земли, которая в свою очередь нагревается от солнечных лучей. По мере удаления от по­верхности земли плотность воздуха уменьшается, ухудшается теплопе­редача, и воздух не успевает прогреваться. Температура снижается примерно на 6°С на каждый километр высоты над уровнем моря.

Природный химический состав атмосферы

Необходимость изучения химического состава атмосферы вызвана тем, что, зная природный состав атмосферного воздуха легко устано­вить присутствие в нем посторонних примесей и рассматривать их как ингредиенты, загрязняющие атмосферу.

Природный химический состав атмосферного воздуха следующий:

В порядке убывания от тысячных до миллионных долей следуют следующие компоненты: неон, гелий, криптон, водород, ксенон, озон, радон. В очень небольших количествах в состав природного воздуха входят также N₂O, СО, SO₂, H₂S, NН₃, СН₄, формальдегид, мельчайшая пыль самого различного происхождения. Присутствие природных приме­сей в земной атмосфере нельзя рассматривать как загрязнения, т.к. они являются постоянными компонентами атмосферы, а их содержание обычно в сотни и тысячи раз меньше ПДК, поэтому они не оказывают отрицательного воздействия на окружающую среду.

Если бы в атмосфере протекали необратимые физико-химические процессы, то это могло бы привести к быстрому изменению ее соста­ва. В действительности же изменение состава атмосферы Земли за время развития человеческого общества остается практически неиз­менным. Это происходит вследствие непрерывного круговорота веществ в природе.

Круговорот веществ в природе носит довольно сложный харак­тер, охватывая животный и растительный мир, гидросферу, геосферу и атмосферу. Интенсивная циркуляция, накопление и трансформация ве­ществ в природе происходит в основном в нижних слоях атмосферы, т.е. в биосфере. К главным циклам биосферы относят биогеохимические циклы углерода, азота, кислорода и воды. Поведение этих газов в атмосфере различно и зависит, главным образом, от распределения их зон выделения и поглощения. На круговорот веществ существенное влияние оказывает загрязнение атмосферы.

Источники загрязнения атмосферного воздуха

Существуют два пути загрязнения воздуха атмосферы: естествен­ный и искусственный. Загрязнение атмосферы естественным путем про­исходит в результате пыльных бурь, вулканической деятельности, лесных пожаров, морскими брызгами и т.д. В атмосферу при этом по­падают как твердые, так и газообразные вещества.

Пыль, поднимаемая с поверхности земли, состоит из мелких ча­стиц горных пород, почвы, остатков растительности и живых организ­мов. Размеры пылевидных частиц достигают от 1 до нескольких микрон. На высоте 1-2 км их концентрация составляет 0,02 мг/м³. В некоторых случаях эта концентрация в значительной мере может возрастать. Это происходит в результате пыльных бурь (>100 г/м³). Пыльная буря, ра­зразившаяся над Украиной в 1968 году, подняла с поверхности и пере­несла на огромные расстояния сотни миллионов тонн земли.

В атмосфере воздуха находится пыль, образовавшаяся в резуль­тате лесных, степных и торфяных пожаров. Эта пыль представляет со­бой мельчайшие частицы золы, образующиеся при сгорании органичес­кой массы.

Источником загрязнения воздуха твердыми частицами может слу­жить мировой океан. Мельчайшие брызги воды, поднимаясь над океа­ном, быстро испаряются, а растворенные в них соли кальция, магния, натрия, калия в виде микроскопических кристаллов остаются в возду­хе и воздушными течениями переносятся на довольно большие расстоя­ния.

Мощным источником загрязнения атмосферы являются вулканы. При извержении вулканов в атмосферу вместе с газообразными продук­тами выбрасывается большое количество пепла. В состав вулканичес­ких газов входят HCl, HF, NН₃, Cl₂, СО, SO₂, H₂S, CO₂, H₂O и дру­гие соединения, твердые частицы в основном состоят из SiO₂. Кроме перечисленных источников загрязнение воздушного бассейна происхо­дит за счет космической пыли (d = 50-100 мкм). Кроме частиц неорганического происхождения в атмосфере содержатся мельчайшие микроор­ганизмы, грибки, бактерии, споры.

Искусственное загрязнение атмосферы происходит в результате практической деятельности человека. Наибольшее количество вредных веществ выбрасывают в атмосферу тепловые электростанции, сжигающие в топках твердое, жидкое или газообразное топливо. Значительное количество вредных веществ выбрасывается при выплавке черных и цветных металлов, в химической промышленности.

С развитием автотранспорта происходит значительное загрязне­ние атмосферы выхлопными газами, а также резиновой пылью, образую­щейся от истирания покрышек.

Особый вид загрязнения атмосферного воздуха представляют ра­диоактивные вещества. Эта угроза возникла в результате развития атомной промышленности и испытаний ядерного оружия.

В настоящее время идентифицировано более 100 загрязнителей воздуха. Наиболее массовыми загрязнителями воздушного бассейна яв­ляются сернистый ангидрид, окись углерода, окислы азота, различные углеводороды и пыль. На их долю приходится 80-85% от общего коли­чества вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу.