- •Лекция №3. Загрязнение атмосферного воздуха
- •Лекция №4. Парниковый эффект
- •Лекция №5. Озоновый слой Земли
- •Лекция №6. Использование человеком ресурсов гидросферы
- •Лекция № 7. Ресурсы пресной воды Республики Казахстан
- •Лекция № 8. Воздействие человека на литосферу
- •Лекция №9. Воздействие отраслей экономики рк на окружающую среду
- •Лекция № 10. Зоны экологического бедствия
- •Лекция № 11. Лесные ресурсы Земли. Леса и растительный мир Казахстана
- •Лекция № 12. Особо охраняемые природные территории
- •Лекция № 13-14. Состояние биологических ресурсов Земли. Биоразнообразие Казахстана. Красная книга.
- •Лекция № 15. Устойчивое развитие. Экологическая безопасность рк
Лекция №3. Загрязнение атмосферного воздуха
В естественном состоянии атмосферный воздух содержит: 78,08% азота, 20,95% кислорода, 0,036% углекислого газа, 0,5— 4% паров воды, твердые и жидкие частицы (аэрозоли), небольшие количества инертных газов и примесей — озон, водород, окись углерода (СО), окислы серы (SО2, SО3), окислы азота (NO, NO2, N2О4,) и другие, аммиак, сероводород, углеводороды (СХНХ) и др.
Распределение газов по высоте не всегда однородно, например, озон концентрируется на верхней границе стратосферы на высоте 15—25км, а СО — у поверхности Земли.
Химические и оптические свойства атмосферы, ее химический состав и прозрачность играют важнейшую роль в поддержании температурного баланса Земли: от них зависит степень проникновения к Земле лучей Солнца и обратная отдача тепла Земли в космическое пространство. Наличие в стратосфере озонового «экрана» делает возможным существование жизни на поверхности Земли, без него жизнь существовала бы только в океане.
Загрязнением атмосферы называют повышение в ней концентраций веществ, являющихся ее природными составляющими (СО, SО2, SО3, NO, NO2, N2О4, озона и др.), или внесение в атмосферу человеком не характерных для нее веществ (ксенобиотиков).
По физическим свойствам загрязнители атмосферы подразделяют на:
1) газообразные — окислы углерода, серы, азота, озон, другие газы. Их доля составляет до 90% всех загрязнителей атмосферы;
2) взвешенные частицы — аэрозоли:
- твердые — частицы пыли, сажи, свинца и др.;
- жидкие — капли кислот, углеводородов и др.
Все источники загрязнителей атмосферы делятся на естественные и антропогенные, т. е. произведенные человеком.
Естественными источниками являются:
- извержения вулканов — выделяют пыль, газы SО2, СО2, NO, NO2, НCl, НF и др.;
- все виды процессов горения, лесные пожары, вызванные молниями;
- ветровая эрозия почв, пыльные бури;
- продукты бактериального разложения органических веществ;
- морские брызги (бризы) — выделяют хлориды и сульфаты;
- испарение летучих органических веществ с листьев растений;
- естественные выделения радиоактивных веществ и др.
Большинство выбросов из естественных источников не являются значительными и опасными, за исключением сильных извержений вулканов и пыльных бурь. Описан случай, когда 1 км3 воздуха нес в себе 450 т почвенных частиц.
Антропогенные источники загрязнителей атмосферы весьма различны. Главной причиной загрязнения атмосферы является производство всех видов энергии. Но воздух загрязняют и другие отрасли промышленности, в особенности горнодобывающая, тяжелая, атомная, а также мусороперерабатывающие заводы, выхлопные газы автотранспорта и др.
Наиболее сильное загрязнение атмосферы имеется в городах, но в последнее время оно приобретает все более глобальный характер.
Основные источники загрязнителей атмосферы представлены в таблице 3.1. Однако следует иметь в виду, что данный список является далеко не полным.
Таблица 3.1 Источники загрязняющих веществ
Загрязнитель |
Источник |
Углекислый газ (СО2) |
Извержения вулканов |
Все виды процессов горения, в том числе сжигание ископаемого топлива Дыхание организмов Разложение органики |
|
Окись углерода (СО) |
Извержения вулканов Все виды процессов горения Электрические разряды в атмосфере Выхлопные газы автомобилей Деятельность бактерий |
Производные серы (SO2, SO3 и др.) |
Извержения вулканов Сжигание ископаемого топлива Перегонка нефти Деятельность бактерий Производство серной кислоты Морские брызги |
Производные азота (NO, NO2, N2O4 и др.) |
Все виды процессов горения Электрические разряды в атмосфере Выхлопные газы автомобилей Деятельность бактерий (брожение) Производство взрывчатых вешеств Производство азотной кислоты |
Углеводороды (CxHx) |
Месторождения нефти и газа Нефтеперерабатывающие заводы, бензоколонки Испарение из топливных баков и двигателей автомобилей Деятельность бактерий (брожение) |
Фотохимические окислители (озон, ПАН, альдегиды и др.) |
Фотохимические реакции в атмосфере |
Органические соединения |
Химическая промышленность Сжигание отходов Испарение летучих органических веществ с листьев растений |
Тяжелые металлы |
Высокотемпературные выбросы промышленных предприятий Сжигание ископаемого топлива Мусороперерабатывающие заводы |
Твердые частицы (аэрозоли) |
Извержения вулканов Пыльные бури Сжигание топлива Разные отрасли промышленности Лесные пожары |
Радиоактивные вещества |
Атомные электростанции Ядерные взрывы |
Главными антропогенными источниками загрязнений атмосферы являются все виды процессов горения: сжигание топлива (угля, нефти, газа, торфа, древесины) для производства энергии, а также в двигателях автомобилей, лесные пожары и др.
-
Ископаемое топливо
↓ ↓ ↓
↓ +О2 ↓ ↓
SO2 --------------------------------→ SO3 ↓
Двуокись серы трехокись серы ↓
↓ +Н2О ↓ +Н2О ↓
↓ ↓ ↓
↓ +О2 ↓ ↓
Н2SO3-----------------------------→ Н2SO4 + окислы металлов
сернистая кислота серная кислота (Са и Fe)
↓
Сульфаты металлов
Рисунок 3.1 Химические реакции соединений серы в атмосферном воздухе
В процессах сжигания топлива выделяются окислы углерода СО и СО2, частицы углерода — сажа, окислы серы и азота, другие вещества.
Наименьшие количества загрязнителей выбрасываются при сжигании природного газа и нефти, наибольшие — угля, в особенности низкосортного — окислы серы (SO2, SO3), частицы углерода (сажа), силиката кальция (зола), окислы металлов, в основном кальция и железа.
Окислы серы и азота соединяются в атмосфере с парами воды и образуют кислоты, выпадающие на Землю в виде кислотных осадков. Окислы металлов соединяются в воздухе с каплями кислот и образуют сульфаты металлов (рисунок 3.1).
Вещества, образуемые в атмосфере путем происходящих в ней химических реакций, называют вторичными загрязнителями.
Совокупность паров воды (туман), аэрозолей серной кислоты, сульфатов металлов и сажи, образующихся при сжигании угля, создают явление, называемое угольным, или промышленным смогом (от англ. smoke — дым и fog — туман), что в переводе означает «смесь дыма и тумана». Капли серной кислоты дополнительно адсорбируют воду и туман сгущается, достигая высокой степени кислотности. Высокие концентрации смога вызывают нарушение дыхания и болезни легких.
До середины XX в. в связи с распространением угольного отопления в жилых домах угольный смог был обычным явлением в крупных городах Англии, отчего получил название «лондонского» смога. В 1911 г. в Лондоне от угольного смога умерло 1150 человек, в 1952 г. — 4000, а в 1956 и 1957 г. еще 2500 человек. После этого, индивидуальные системы угольного отопления в Лондоне были заменены на современные, не загрязняющие воздух.
Все более значительным фактором загрязнения атмосферы становится транспорт. Выхлопные газы автомобилей, работающих на бензине и мазуте, содержат окислы углерода (СО и СО2), окислы азота, частицы несгоревшего топлива и продукты его неполного сгорания — углеводороды и сажу, при использовании этилированного бензина воздух загрязняют частицы свинца.
Под действием ультрафиолетовых лучей Солнца окислы азота и углеводороды вступают между собой в фотохимические реакции и образуют агрессивный фотохимический, или белый, смог, содержащий озон и другие сильные окислители — пероксиацетилнитраты (ПАН), альдегиды, кетоны и др.
Фотохимический смог образуется при следующем комплексе условий:
- высоком уровне солнечной инсоляции;
- большом числе автомобилей;
- наличии препятствий к разбавлению воздуха (расположение города в низменной местности, его окружение горами, явление температурной инверсии).
Впервые фотохимический смог был описан в Лос-Анджелесе, поэтому его еще называют лос-анджелесским (рисунок 3.2). Этот город лежит в лощине, с трех сторон окружен горами, а со стороны моря на него дуют прохладные ветры. В результате нижний слой воздуха оказывается более холодным, что не дает загрязнениям подняться и перевалить за горный хребет. Наибольшие концентрации фотохимического смога наблюдаются в Мехико, из-за огромного количества машин.
Рисунок 3.2 Формирование фотохимического смога
Таким образом, угольный («лондонский») и фотохимический смог различны по механизмам образования и имеют разные свойства (таблица 3.2).
Таблица 3.2 Сравнительная характеристика фотохимического и угольного смога
Характеристика |
Фотохимический смог |
Угольный смог |
Температура воздуха |
24-32 °С |
(-1...+ 4) °С |
Влажность |
<70% |
85% + туман |
Изменения температуры |
Падение на высоте 1000 м |
Излучение на высоте нескольких сотен метров |
Скорость ветра |
<0,3 м/с |
Безветренно |
Видимость |
<0,8-1,6км |
<30м |
Месяцы наиболее час того проявления |
Август - сентябрь |
Декабрь - январь |
Основное топливо |
Бензин |
Уголь и бензин |
Главные составляющие |
О3, NО, NО2, СО
|
Частицы сажи, соединения серы, СО, пары воды |
Тип химических реакций |
Окислительные |
Восстановительные |
Время максимального сгущения |
Полдень |
Раннее утро |
Действие на здоровье |
Раздражение глаз |
Раздражение дыхательных путей, кашель |
Повреждение материалов |
Резина |
Известняки, мрамор, железо, бетон |
Важнейшим свойством атмосферы является ее способность к разбавлению своих составляющих и их быстрому перемещению на большие расстояния.
Атмосфера имеет высокую способность к самоочищению за счет вымывания загрязнителей (твердых частиц и кислот) в составе осадков.
Загрязнители, приносимые воздушными массами с территорий других стран, называют трансграничными.
Качество воздуха в населенных пунктах Республики Казахстан
Загрязнение воздушного бассейна на территории республики оценивается в 20-ти населенных пунктах по результатам анализа и обработки проб воздуха, отобранных на стационарных постах наблюдений за загрязнением атмосферы (ПНЗ) национальной гидрометеорологической службы РГП «Казгидромет».
Таблица 3.3 - Сведения о степени загрязнения атмосферного воздуха городов РК в 2005 г.
Наименование примеси |
Число городов |
Средняя по городам |
Число городов, где концентрации превышали ПДК |
||||
из средних концентраций |
из максимальных концентраций |
||||||
мг/м3 |
кратность превышения ПДК |
мг/м3 |
кратность превышения ПДК |
средние |
максимальные |
||
1. Взвешенные |
19 |
0,16 |
1,0 |
2,11 |
4,2 |
9 |
16 |
2.Диоксид серы |
20 |
0,0260 |
0,5 |
0,5886 |
1,2 |
4 |
3 |
3.Растворимые сульфаты |
9 |
0,007 |
|
0,063 |
|
|
|
4.Оксид углерода |
19 |
1,5 |
0,5 |
11,7 |
2,3 |
1 |
11 |
5.Диоксид азота |
20 |
0,044 |
1,1 |
0,335 |
3,9 |
10 |
18 |
6.Оксид азота |
4 |
0,026 |
0,4 |
0,1125 |
0,3 |
0 |
0 |
7.Аммиак |
6 |
0,033 |
0,8 |
0,173 |
0,9 |
1 |
2 |
8.Сероводород |
7 |
0,0017 |
|
0,012 |
1,5 |
|
4 |
9.Фтористый водород |
3 |
0,0023 |
0,5 |
0,0700 |
3,5 |
0 |
3 |
10.Серная кислота |
2 |
0,009 |
0,1 |
0,04 |
0,1 |
0 |
0 |
11.Фенол |
10 |
0,0040 |
1,3 |
0,0226 |
2,3 |
5 |
9 |
12.Формальдегид |
9 |
0,0089 |
3,0 |
0,0374 |
1,1 |
7 |
4 |
13.Хлор |
2 |
0,015 |
0,5 |
0,165 |
0,8 |
0 |
1 |
14.Хлористый водород |
2 |
0,036 |
0,4 |
0,52 |
2,6 |
0 |
2 |
15.Мышьяк |
3 |
0,0018 |
0,6 |
0,012 |
|
0 |
|
16.Хром |
1 |
0,0001 |
0,0 |
0,0011 |
|
0 |
|
Источник информации: РГП «Казгидромет» МООС РК
Исследуется 16 загрязняющих веществ, подлежащих контролю в воздушном бассейне Республики Казахстан. Одновременно с отбором проб воздуха измеряются метеорологические характеристики: направление и скорость ветра, температура и влажность воздуха, состояние погоды, позволяющие определить рассеивание примесей в атмосфере.
Основными критериями качества атмосферного воздуха являются значения предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ и уровень загрязнения атмосферы, который оценивается по величине комплексного индекса загрязнения атмосферы (ИЗА5)
К загрязненным городам (ИЗА5 ≥ 5) отнесено 9 городов Казахстана, в том числе с высоким и очень высоким загрязнения воздуха (ИЗА5 более 7) - 8 городов. Наибольший уровень загрязнения воздуха наблюдается в г.Алматы (ИЗА5 15,2), в Караганда – 13,9; Шымкент – 11,8; Актюбинск – 10,1; Усть-Каменогорск-8,7; Риддер и Темиртау по 8,3; Тараз-8,0; Жезказган – 5,5 ИЗА5.
Рисунок 3.3 Средние концентрации примесей (кратные ПДК) по РК в 2005 г.
Источник информации: РГП «Казгидромет»
В 17 городах республики средние за год значения концентраций загрязняющих веществ хотя бы одной примесью превышают ПДК, а в 6 городах (Алматы, Караганда, Риддер, Темиртау, Усть-Каменогорск, Шымкент) выше ПДК были концентрации сразу трех и более веществ.
Главной причиной загрязнения атмосферы является производство всех видов энергии.
Но воздух загрязняют и другие отрасли промышленности, в особенности горнодобывающая, тяжелая, атомная, а также мусороперерабатывающие заводы, выхлопные газы автотранспорта и др. Наиболее сильное загрязнение атмосферы имеется в городах, но в последнее время оно приобретает все более глобальный характер.
Загрязнение воздушного бассейна на территории республики наблюдается в 20-ти населенных пунктах по результатам анализа и обработки проб воздуха, отобранных на стационарных постах наблюдений за загрязнением атмосферы (ПНЗ) Национальной гидрометеорологической службы Казахстана.
Загрязнение атмосферных осадков и снежного покрова
Данные о химическом составе жидких и твердых осадков служат показателем загрязнения слоя атмосферы, в котором образуются облака и
Рис. 3.4 Динамика индекса загрязнения атмосферы (ИЗА5) по городам РК.
Источник информации: РГП «Казгидромет»
выпадают осадки. Химико-аналитические анализы атмосферных осадков определяют 14 показателей, По программе Всемирной метеорологической организации (ВМО) в пробах осадков и снега определялись анионы - сульфаты, хлориды, нитраты; катионы - аммоний, натрий, калий, кальций, магний; микроэлементы – свинец, медь, кадмий, мышьяк, кислотность и удельная электропроводность.
Наблюдения за химическим составом атмосферных осадков заключались в отборе проб дождевой воды на 41 метеорологической станции (МС), расположенных как в сельской местности, так и в городах республики. Пробы снега на территории Казахстана отбираются 32 МС один раз за зиму в период максимального накопления влагозапаса в снеге.
Снежный покров является индикатором загрязнения атмосферного воздуха, в нем накапливается суммарное количество загрязняющих веществ, выпадающих из атмосферного воздуха с начала периода установления устойчивого снежного покрова, что помогает выявить ареал распространения загрязняющих веществ от выбросов промышленных предприятий, включая трансграничный перенос.
Почти по всей территории республики в снежном покрове преобладют содержание гидрокарбонаты (31%), сульфаты (21 %), хлоридные ионы (13 %) и ионыв кальция (12 %).
Все определяемые примеси, в том числе соли тяжелых металлов в осадках и снежном покрове не превышают ПДК.
Тяжелые металлы. Средние концентрации свинца, меди, мышьяка в атмосферных осадках остаются в пределах нормы. Максимальные концентрации в атмосферных осадках свинца отмечены в г. Алматы – 15,1 мкг/л. Концентрации меди (57,0 мкг/л), мышьяка (27,3 мкг/л) и кадмия (3,4 мкг/л) обнаружены в г. Балхаш.
Кислотность проб снежного покрова имеет характер нейтральной и слабощелочной среды.
Тестовые вопросы
1. Назовите естественный источник загрязнения атмосферы, являющийся наиболее значительным и опасным? A) извержения вулканов B) все виды процессов горения, лесные пожары C) ветровая эрозия почв, пыльные бури D) испарения летучих органических веществ с листьев растений
2. Как называется совокупность паров воды (туман), аэрозолей серной кислоты, сульфатов металлов и сажи, образующихся при сжигании угля? A) фотохимические окислители B) угольный или промышленный смог C) фитохимический или белый смог D) разложение органики |
3. Назовите основное загрязняющее вещество, поступающее в атмосферу от передвижных источников - транспорта? A) оксид углерода B) углеводороды C) оксиды азота D) выхлопные газы
4. Как называется процесс, при котором под действием ультрафиолетовых лучей Солнца окислы азота и углеводороды вступают между собой в химическую реакцию? A) фотохимические окислители B) угольный или промышленный смог C) фитохимический или белый смог D) разложение органики |
Глоссарий
На русском языке |
На казахском языке |
На английском языке |
Загрязнение |
Ластану |
Contamination |
Воздушный бассейн |
Ауа бассейні |
Air pool |
Территория республики |
Республика аумағы |
Territory of the republic |
Косвенное воздействие |
жанама әсер |
Indirect influence |
Анализ и обработка |
Анализ және өңдеу |
Analysis and processing |
Метеорологические характеристики |
Метеорологиялық қасиеттері |
Meteorological features |
Снежный покров |
Қар жамылғы |
Snow cover |
Тяжелые металлы |
Ауыр металдар |
Heavy metals |
Промышленный смог |
Өнеркәсіптік шаң |
Industrial smog |
Фотохимический смог |
Фотохимиялық шаң |
Fotohimicheskiy smog |
Самоочищение атмосферы |
Атмосфераның өзін-өзі тазаруы |
Samoochischenie atmosphere |
Тема СРС
1) Составить схему формирования промышленного смога, (Л 1, стр.309-309).
Тема СРСП
1) Составить схему формирования фотохимического смога (Л 1, стр.309-310).
Список основной литературы
1.Чебышев Н.В., Филиппова А.В. Основы экологии. – Москва, 2004 г.
2.Национальный доклад о состоянии окружающей среды в Республике Казахстан, МООС РК, Алматы, 2007 г.
3. В.Г.Игнатов, А.В.Кокин. Экология и экономика природопользования., Р-на-Д, 2003 г.
4. Л.И.Губарева, О.М.Мизирева, Т.М. Чурилова. Экология человека. М., 2005
5 Г.С.Оспанова, Г.Т.Бозшатаева. Экология. – Алматы, 2002
6. Под редакцией А.С.Степановских . Общая экология. М., 2001.