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,
у | 78,1 | |
,9 | ||
20 — | ■> | |
,93 | 0,03 d_______ 1 | 0,04 t |
Рис. 4.1. Химический состав атмосферноговоздуха (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 5,14-10 15 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
Зона атмосферы | Верхняя и нижняя границы зоны от уровня моря, км | Температура, °С | нижняя граница зоны | верхняя граница зоны |
тропосфера стратосфера мезосфера термосфера | 0-11 11-50 50- 85 85 -500 | + 15 -56 -2 -92 | -56 -2 -92 + 1200 |
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)/10,8-10 3 = 0,0066 К/м. Среднее атмосферное давление на уровне моря составляет 101,3 кПа.
t, • С Р, кПа
20 40
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.
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 NOx; углеводороды CmHn; 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/м 3 . 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/м 3 , при среднем значении 20 мг/м 3 . 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/м 3 — 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.
162Экология города
Таблица 4.2. Действие угарного газа на организм человека
Содержание карбоксигемоглобина, % | Симптомы |
0,4-2 2-5 5-Ю 10- 80 | 1. Ухудшение остроты зрения и способности оценивать длительность интервалов времени 2. Нарушение психомоторных функций головного мозга 3. Изменение деятельности сердца и легких 4. Головные боли, сонливость, спазмы, нарушение дыхания, смертельные исходы |
Степень воздействия СО на организм человека зависит также от длительности воздействия (экспозиции) и вида деятельности человека. Например, при содержании СО в воздухе 10—50 мг/м 3 , которое наблюдается на перекрестках улиц больших городов, при экспозиции
60 мин отмечаются нарушения, приведенные в п.1, а при экспозиции от 12 часов до 6 недель — в п.2. При тяжелой физической работе отравление наступает в 2—3 раза быстрее. Образование карбоксигемоглобина — процесс обратимый, через 3—4 ч содержание его в крови уменьшается в 2 раза. Время пребывания СО в атмосфере составляет 2—4 месяца.
Диоксид серы (SO2) — бесцветный газ с острым запахом. На его долю приходится до 95% от общего объема сернистых соединений, поступающих в атмосферу от антропогенных источников. До 70% выбросов SO2 образуется при сжигании угля, мазута — порядка 15%.
При концентрации диоксида серы 20—30 мг/м 3 раздражается слизистая оболочка рта и глаз, во рту возникает неприятный привкус. Весьма чувствительны к SO2 хвойные леса. При концентрации SO2 в воздухе 0,23—0,32 мг/м 3 в результате нарушения фотосинтеза происходит усыхание хвои в течение 2— 3 лет. Аналогичные изменения у лиственных деревьев происходят при концентрациях SO2 0,5—1 мг/м 3 .
Основной техногенный источник выбросов углеводородов (CmHn — пары бензина, метан, пентан, гексан) — автотранспорт. Его удельный вес составляет более 50% от общего объема выбросов. При неполном сгорании топлива происходит также выброс циклических углеводородов, обладающих канцерогенными свойствами. Особенно много канцерогенных веществ содержится в саже, выбрасываемой дизельными двигателями. Из углеводородов в атмосферном воздухе наиболее часто встречается метан, что является следствием его низкой реакционной способности. Углеводороды обладают наркотическим действием, вызывают головную боль, головокружение. При вдыхании в течение 8 часов паров бензина с концентрацией более 600 мг/м 3 возникают головные боли, кашель, неприятные ощущения в горле.
Оксиды азота (NOx)образуются в процессе горения при высокой температуре путем окисления части азота, находящегося в атмосферном воздухе. Под общей формулой NOx обычно подразумевают сумму NO и NO2. Основ-
Раздел 4. Воздушная среда города 163
ные источники выбросов NOx: двигатели внутреннего сгорания, топки промышленных котлов, печи.
NO2 — газ желтого цвета, придающий воздуху в городах коричневатый оттенок. Отравляющее действие NOx начинается с легкого кашля. При повышении концентрации кашель усиливается, начинается головная боль, возникает рвота. При контакте NOx 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.
Источник