Охрана воздушного бассейна

2. Охрана воздушного бассейна

2.1. Строение атмосферы

Обычно под термином "атмосфера" понимают слой воздуха, окружающий Землю. Суммарная масса земной атмосферы составляет 5,3*10¹⁸ кг. Нагрузка воздуха на каждый квадратный сантиметр на уровне моря составляет около 1 кгс. Примерно 90% массы воздуха находится на высоте менее 15 км, 99% - менее 30 км и 99,99% - менее 48 км от поверхности Земли.

Высотные исследования, начало которым было положено почти 100 лет назад, выявили сложную структуру атмосферы. По характеру изменения температуры с увеличением высоты можно выделить несколько слоев, разделенных узкими переходными зонами - паузами. Нижний примыкающий к Земле слой - тропосфера - характеризуется средним вертикальным градиентом температуры 6°/км. Высота верхней границы тропосферы меняется от 8 км в полярных широтах до 16 - 18 км над экватором. От более высокого слоя - стратосферы - тропосферу отделяет сравнительно тонкая зона тропопауза.

Рисунок 1 Вертикальное распределение температуры в атмосфере:

I - тропопауза; II - стратопауза: III - мезопауза.

Потребность человека в воздухе: в состоянии покоя - 5-10 л/мин; при усилиях - около 30 л/мин; при больших усилиях - до 100 л/мин; в среднем за сутки около 15 кг.

Рисунок 2 Тепловой баланс атмосферы и земной поверхности (потоки радиации к кДж/(см²/год))

Рекомендуемые материалы

Таблица 1.2 - Средний газовый состав природной атмосферы

Суммарное содержание прочих газовых составляющих - 0,04 - 0,05 %

2.2 Инверсия температуры

Инверсия температуры в атмосфере - метеорологическое состояние, заключающееся в росте температуры воздуха с высотой, вместо обычного для тропосферы убывания. Нормальное понижение температуры воздуха с высотой составляет примерно 0,5-0,6 °С на 100 м. Инверсия температуры может периодически наблюдаться на протяжении круглого года. Приземные инверсии температуры связаны с излучением земной поверхности. В теплую часть года они наблюдаются лишь в ясные тихие ночи в отсутствие облачности нижнего и среднего ярусов и сильного ветра. Мощность таких инверсий не велика, всего несколько десятков метров, а величина - несколько градусов.

В холодную часть года приземные инверсии температуры наблюдаются не только ночью, но и днем. Их мощность может достигать нескольких сот метров, а величина составляет 10 – 15 °С и более. Особенно интенсивны инверсии зимой, при наличии снежного покрова; в этом случае длительность инверсионного состояния достигает 5 - 7 суток.

Инверсия температуры в тропосфере сопровождается особым режимом влажности и ветра; обычный рост относительной влажности с высотой сменяется ее убыванием, а ветер изменяется с высотой скачкообразно.

Инверсия температуры препятствует развитию вертикальных токов воздуха и связанному с этим переносу водяного пара и ядер конденсации в более высокие слои. Хорошо развитая инверсия действует как преграда для восходящих течений, так как они задерживаются чрезвычайно устойчивым слоем более теплого воздуха. Различают следующие состояния устойчивости атмосферы, определяющие возможность развития неупорядоченных вертикальных движений воздуха:

· неустойчивое состояние, характеризуемое значительным падением температуры с высотой, при этом частица вещества, получившая начальную вертикальную скорость начинает двигаться с ускорением;

· особо устойчивое состояние, когда с высотой температура возрастает (инверсия), при этом частица, получившая начальную вертикальную скорость возвращается в свое исходное положение. Такое состояние препятствует развитию вертикальных движений воздуха;

· состояние безразличного равновесия, при котором градиент падения температуры с высотой равен критической величине, а частица, получившая начальный импульс, будет двигаться до тех пор, пока не исчерпает своей энергии.

Иногда температурные инверсии распространяются на большие площади земной поверхности. Область из распространения обычно совпадает с областью распространения антициклонов, которые возникают в зонах высоких барометрических давлений.

Метеорологическая обстановка, способствующая возникновению локальных загрязнений, обычно характеризуется штилем или слабым ветром у поверхности Земли, что сочетается с приземной инверсией.

Особенно неблагоприятны условия, при которых нижняя граница инверсии располагается над источником загрязнения. Если при такой метеорологической обстановке в атмосферу интенсивно поступают вредные примеси, то может возникнуть зона опасных загрязнений, сохраняющаяся длительный период (от нескольких часов до нескольких суток). Повторяемость инверсии на европейской территории России составляет: 80-100% для районов Арктики, где она наибольшая, и 60 - 80% для всей остальной территории. Минимальная повторяемость инверсии отмечается в мае - июне.

Зависимость интенсивности турбулентного перемешивания над сушей от времени суток и года показана на рис.

Рисунок 3 Интенсивность турбулентного перемешивания над сушей

2.3 Глобальные загрязнения атмосферы.

Загрязнение атмосферы - результат выбросов загрязняющих веществ из различных источников. Причинно-следственные связи этого явления нужно искать в природе земной атмосферы. Так, загрязнения переносятся по воздуху от источников появления к местам их разрушающего воздействия; в атмосфере они могут претерпевать изменения, включая химические превращения одних загрязнений в другие, еще более опасные вещества.

Установившееся содержание загрязнений в воздухе (выбросы) определяет степень разрушающего воздействия на данный регион. Можно сказать, что степень загрязнения атмосферы зависит от числа и массы выбросов.

В общем плане концепция загрязнения атмосферы включает значительное число действий и явлений, ведущих к ухудшению исходного, природного качества ее. В более узком смысле, соответствующем концепции, согласованной в рамках стран, входящих в систему Комекон и ряда других, загрязнение атмосферы понимается как выброс твердых, жидких и газообразных загрязняющих веществ. Считается, что загрязняющие вещества - это те, которые оказывают отрицательное воздействие на окружающую среду либо непосредственно, после химических изменений в атмосфере, либо в сочетании с другими веществами.

В рамках Конвенции по обширным межгосударственным загрязнениям воздуха загрязнением атмосферы помимо выбросов в воздух материальных частиц считаются также приводящие к ущербу выбросы энергии. Следовательно, выбросы теплоты, шума, вибраций и излучений (не только радиоактивных, но и электромагнитных, таких как микроволновые, радарные, ультравысокочастотные, т.е. тех, которые испускаются высоковольтными линиями и т.д.) могут считаться видами загрязнения.

В таблице 1.3. дана классификация степеней загрязнения атмосферы и возникающих при этом проблем, в зависимости от высоты, расстояния и времени. Как видно, динамическое загрязнение атмосферы происходит главным образом в нижних слоях ее, а долговременные изменения вследствие загрязнений воздействуют на всю земную атмосферу.

Классификация загрязнения атмосферы

Защита атмосферы включает комплекс технических и административных мер, прямо или косвенно направленных на прекращение или, по крайней мере, уменьшение возрастающего загрязнения атмосферы, являющегося следствием промышленного развития.

Придание исследованиям по защите атмосферы целенаправленного характера должно включать борьбу против ее загрязнения, особенно промышленного, а также от транспортных средств и других источников. Они не могут проводиться, например, только ради постановки задач, но должны указывать пути улучшения существующего положения. Таким образом, эта область исследований не может пассивно комментировать сложившуюся ситуацию и делать прогнозы, основывающиеся на данных самих "поставщиков загрязнений", она должна разрабатывать концепции, промежуточные и долговременные планы, а также конкретные программы, направленные на активное ограничение неблагоприятного хода событий, используя при этом кратковременную локальную тактику и долговременную общенациональную стратегию.

Защита атмосферы не может быть успешной при односторонних и половинчатых мерах, направленных против конкретных источников загрязнения. Наилучшие результаты могут быть получены лишь при объективном, многостороннем подходе к определению причин загрязнения атмосферы, вкладу отдельных источников и выявлению реальных возможностей ограничения этих выбросов.

Конечной целью защиты атмосферного воздуха от загрязнения является решение трех основных задач:

1) создание замкнутых циклов производства с полезным использованием всех технологических отходов;

2) глубокая очистка вентиляционных выбросов;

3) перевод автотранспорта (а со временем и авиации) на двигатели, не дающие токсичных выбросов в атмосферу. Для решения этих сложных задач требуется значительный период времени и совместные работы ученых и специалистов разных специальностей как внутри страны, так и в рамках международного сотрудничества, большие капитальные и эксплуатационные затраты.

Основной задачей ближайших лет является: а) разработка и применение различных технологических процессов и, прежде всего, процессов сжигания топлив с пониженным выбросом токсичных веществ в атмосферу; б) разработка, исследование и внедрение методов и аппаратов для улавливания или уничтожения основных токсичных веществ.

2.3.1 Изменение концентрации CO₂ в атмосфере

2.3.2 Нарушение озонового слоя Земли.

Несмотря на то, что в атмосфере содержится небольшое количество озона, он является ее важнейшей составляющей. Озон активно поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца и таким образом определяет распределение температуры в стратосфере, а также является охранным щитом от жесткого ультрафиолетового излучения, опасного для всего живого на Земле. Озон образует в атмосфере озоносферу. Содержание озона в атмосфере составляет 6 * 10^-5 % (по массе); его общее количество достигает 3,3·10⁹т. (из них 1,16·10⁸ т находится в тропосфере). Среднее время жизни озона в атмосфере составляет около 50 сут.

Основное количество озона распределено на высотах от 15 до 45 км с максимумом на высоте 15 - 25 км (на более низких высотах - в полярных широтах, выше в тропиках). Содержание озона достигает своего максимума весной в северном полушарии и составляет в среднем 446ДЕ - добсоновских единиц (1 ДЕ - = 0,001 см озона при нормальном давлении и температуре); осенью оно примерно вдвое меньше.

Среднее годовое количество озона в озоносфере составляет 300 ДЕ (т.е. всего около 3 мм при нормальных условиях), а на экваторе - еще меньше (до 200 ДЕ). Существует большая естественная изменчивость концентрации озона в атмосфере вследствие переноса его упорядоченными и турбулентными потоками (в основном на высотах менее 25 км), а также вследствие того, что различные фотохимические реакции (выше 25 км) притекают с разной скоростью. Только дневные вариации концентрации озона достигают ±25 %.

Средняя скорость разрушения озона (за счет фото диссоциации и других и других естественных процессов) составляет 6,6·10¹⁰ молекул/(см²·с). Антропогенное воздействие на озонный слой представляется реальным и опасным, хотя выявить антропогенные эффекты на фоне большой естественной изменчивости концентраций озона не просто.

Основными антропогенными процессами производства веществ, приводящими к нарушению озонного слоя, являются: работа холодильников и аэрозольных установок (и упаковок), выделяющих галогеноуглероды (хлорфторметаны, или фреоны); разложение минеральных удобрений (выделяющих закись азота); полеты высотных самолетов (выброс окислов азота, паров воды); ядерные взрывы (ведущие к образованию значительного количества окислов азота). Наблюдаются также проникновения в стратосферу и других соединений хлора (антропогенного происхождения).

Из тропосферы в стратосферу проникают, как правило, лишь инертные (в химическом отношении) вещества, такие, как фреоны, закись азота. В стратосфере под действием ультрафиолетового излучения фреоны выделяют хлор, ведущий к разрушению стратосферного озона.

В целом на основании наблюдений и расчетов можно сделать вывод о том, что с 1970 г. Общее изменение содержания озона, которое можно отнести на счет антропогенных воздействий, составляет не более 2%. Это значение находится ниже предела уверенного обнаружения.

Вместе с этой лекцией читают "Чума, осложненная пастереллезом".

Таким образом, хотя в ближайшие годы вследствие влияния антропогенных факторов общее содержание озона, по-видимому, будет меняться мало, возможно существенное перераспределение озона по высоте, что может привести к заметным изменениям климата и другим негативным последствиям. Это указывает на чувствительность озоносферы к уже существующему антропогенному воздействию. Отметим также, что максимального уменьшения содержания озона следует ожидать в конце зимы и высоких широтах (этот эффект в 3- 4 раза сильнее, чем в низких широтах летом).

Целесообразно подчеркнуть вообще высокую уязвимость верхней атмосферы. Кроме уже рассмотренных эффектов, связанных с озоносферой, следует указать на появление в верхней атмосфере, в области ионосферы, зон с пониженной электронной концентрацией (так называемых "ионосферных дыр"). Наблюдается появление или усиление эмиссий, нехарактерных для естественного свечения верхней атмосферы. Это воздействие обусловлено:

· накоплением в верхней атмосфере различных веществ за счет диффузии

· накоплением в верхней атмосфере различных веществ при запусках мощных ракет

· влиянием электромагнитных излучений передающих устройств.

Ультрафиолетовое излучение существенно влияет на здоровье человека, способствуя образованию витамина Д₃, вызывая солнечные ожоги, болезни глаз, аллергические реакции и заболевания кожи, включая раковые. Кроме образования витамина Д, все это является вредным для человека. Увеличение ультрафиолетового излучения на 1% ведет к увеличению заболеваемости немеланомным раком кожи белее, чем на 2% (это статистически хорошо проверено). Есть указания, что увеличение жесткого ультрафиолетового излучения ведет к возникновению и злокачественных меланом. Особенно подвержены подобным заболеваниям люди со светлой кожей, живущие в низких широтах. Ультрафиолетовое излучение изменяет реакцию и иммунологическую системы человека и животных.