Экологические проблемы атмосферы

     Обычно это происходит в тех  случаях, когда в слое воздуха  непосредственно над  источниками газопылевой эмиссии существует  инверсия - расположения слоя более холодного воздуха под теплым, что  препятствует  воздушных  масс и задерживает перенос  примесей вверх. В результате вредные выбросы сосредотачиваются под слоем инверсии,  содержание их у земли резко возрастает, что становится одной из причин образования  ранее  неизвестного в природе фотохимического тумана. 

3. Фотохимический  туман (смог)

Фотохимический  туман представляет собой  многокомпонентную  смесь газов и аэрозольных частиц первичного и вторичного происхождения. В состав основных компонентов смога входят  озон,  оксиды азота  и серы,  многочисленные органические соединения  перекисной природы,  называемые в совокупности фотооксидантами. Фотохимический смог возникает в результате фотохимических  реакций при определенных условиях:  наличии в атмосфере высокой концентрации  оксидов азота,  углеводородов и других загрязнителей, интенсивной солнечной радиации  и  безветрия  или  очень слабого  обмена воздуха в приземном слое при мощной и в  течение не менее суток повышенной инверсии.  Устойчивая  безветренная погода, обычно сопровождающаяся инверсиями, необходима для создания высокой концентрации  реагирующих  веществ.  Такие условия  создаются  чаще  в июне-сентябре и реже зимой.  При продолжительной ясной погоде солнечная радиация  вызывает  расщепление молекул диоксида азота с образованием оксида азота и атомарного кислорода.  Атомарный кислород с молекулярным  кислородом дают озон.  Казалось бы,  последний, окисляя оксид  азота, должен снова превращаться в  молекулярный  кислород,  а  оксид азота - в диоксид.  Но этого не происходит. Оксид азота  вступает в реакции с олефинами выхлопных газов,  которые  при  этом расщепляются по двойной связи и образуют осколки молекул  и избыток озона. В результате продолжающейся диссоциации новые  массы диоксида  азота расщепляются и дают дополнительные количества озона.  Возникает циклическая реакция, в итоге которой в атмосфере постепенно накапливается озон. Этот процесс в  ночное время прекращается. В свою очередь озон вступает в реакцию с олефинами.  В атмосфере концентрируются различные перекиси, которые в сумме и образуют характерные для  фотохимического тумана  оксиданты.  Последние являются источником так  называемых свободных радикалов, отличающихся особой реакционной способностью. Такие смоги - нередкое явление над Лондоном,  Парижем, Лос-Анджелесом, Нью-Йорком и другими городами Европы  и Америки. По своему физиологическому воздействию на организм  человека они крайне опасны для дыхательной и кровеносной системы и часто бывают причиной преждевременной смерти городских  жителей с ослабленным здоровьем. 
 

4.   Контроль за выбросами  загрязнений в  атмосферу

     Приоритет в  области   разработки   предельно   допустимых  концентраций в воздухе принадлежит  СССР.  Предельно допустимые концентрации - такие концентрации, которые на человека и его потомство прямого  или  косвенного воздействия,  не ухудшают их работоспособности, самочувствия, а  также  санитарно-бытовых  условий  жизни  людей.

Обобщение всей информации по  ПДК , получаемой всеми ведомствами, осуществляется в  ГГО  -  Главной  Геофизической  Обсерватории . Чтобы по результатам  наблюдений определить значения воздуха, измеренные значения концентраций  сравнивают  с  максимальной разовой  предельно допустимой концентрацией и определяют число случаев,  когда были превышены   ПДК ,  а  также  во  сколько раз наибольшее значение было выше  ПДК . Среднее значение концентрации за месяц или за год сравнивается с  ПДК   длительного действия -  среднеустойчивой  ПДК.  Состояние загрязнение воздуха несколькими веществами,  наблюдаемые в  атмосфере  города, оценивается  с  помощью комплексного показателя -  индекса загрязнения атмосферы (ИЗА).  Для этого нормированные на  соответствующее значения  ПДК  и средние концентрации различных веществ с помощью  несложных  расчетов  приводят  к  величине концентраций сернистого ангидрида,  а затем суммируют. Максимальные разовые концентрации  основных  загрязняющих  веществ  были наибольшими  в   Норильске (оксиды азота и серы),  Фрунзе (пыль), Омске (угарный газ). Степень загрязнения воздуха основными загрязняющими веществами находится в прямой зависимости от промышленного развития города. Наибольшие максимальные концентрации  характерны для городов с численностью населения 1 более 500 тыс. жителей.  0Загрязнение воздуха специфическими веществами зависит от вида промышленности,  развитой в городе.  Если в крупном городе размещены предприятия нескольких отраслей промышленности, то создается очень высокий уровень загрязнения воздуха,  однако проблема снижения  выбросов  многих специфических веществ до сих пор остается нерешенной. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Загрязнение атмосферы от подвижных  источников

   В последние  десятилетия  в  связи  с  быстрым развитием автотранспорта и авиации существенно увеличилась доля выбросов, поступающих в  атмосферу   от  подвижных   источников:  грузовых и легковых  автомобилей,   тракторов,  тепловозов   и  самолетов. Согласно оценкам, в городах на долю автотранспорта  приходится от 30 до 70 % общей массы выбросов. В США в целом по стране по крайней мере 40 % общей массы пяти основных загрязняющих веществ составляют выбросы подвижных источников. 
 

                                                   3.1 Автотранспорт 
 

   Основной  вклад в загрязнение атмосферы вносят автомобили, работающие на бензине (в США на их долю приходится около 75%), затем самолеты (примерно  5% ), автомобили  с дизельными двигателями (около  4%), тракторы и  другие сельскохозяйственные машины (около 4 % ), железнодорожный и водный транспорт (примерно 2%). К основным загрязняющим атмосферу веществам, которые выбрасывают  подвижные источники (общее число таких веществ превышает 40), относятся оксид углерода (в США его доля в общей массе составляет около 70%), углеводороды (примерно 19% ) и оксиды азота (около 9 % ). Оксид углерода (CO) и оксиды азота (N0x) поступают в атмосферу только с выхлопными газами, тогда как не полностью сгоревшие углеводороды (HnСm ) поступают как вместе с выхлопными газами (что составляет примерно 60%  от общей массы выбрасываемых углеводородов), так и из картера (около 20%), топливного бака (около 10%) и карбюратора (примерно 10%); твердые примеси поступают в основном с выхлопными газами (90%) и из картера (10%).

   Наибольшее  количество загрязняющих веществ выбрасывается при разгоне автомобиля, а также при движении с малой скоростью. Относительная доля (от общей массы выбросов) углеводородов и оксида углерода наиболее высока при торможении и на холостом ходу, доля оксидов азота - при разгоне. Из этих данных следует, что автомобили особенно сильно загрязняют воздушную среду при частых остановках и при движении с малой скоростью.

   Большое влияние на качество и количество  выбросов примесей оказывает режим  работы двигателя, в частности соотношение между массами топлива и воздуха, момент зажигания, качество топлива, отношение поверхности камеры сгорания к ее объему и др. При увеличении отношения массы воздуха и топлива, поступающих в камеру  сгорания, сокращаются выбросы оксида углерода и углеводородов, но  возрастает выброс оксидов азота.

   Несмотря  на то что  дизельные двигатели  более экономичны, таких веществ,  как  СО, HnCm, NОx, выбрасывают не более, чем бензиновые,  они существенно больше  выбрасывают дыма (преимущественно несгоревшего углерода), который к тому же обладает неприятным запахом создаваемым некоторыми  несгоревшими углеводородами). В сочетании же с создаваемым шумом дизельные двигатели не только сильнее загрязняют  среду, но и воздействуют на здоровье человека гораздо в большей степени, чем бензиновые. 
 

   3.2 Самолеты 
 

   Хотя  суммарный  выброс  загрязняющих  веществ двигателями самолетов  сравнительно невелик (для  города, страны), в районе аэропорта эти  выбросы вносят определяющий вклад  в загрязнение  среды. К тому же турбореактивные двигатели (так же как дизельные) при посадке и взлете выбрасывают  хорошо заметный на глаз шлейф дыма. Значительное  количество примесей  в аэропорту выбрасывают  и  наземные передвижные  средства, подъезжающие и отъезжающие  автомобили.

     В среднем около  42 % общего расхода топлива тратится на выруливание самолета  к взлетно-посадочной полосе  (ВПП) перед  взлетом и  на заруливание с ВПП после посадки (по времени в среднем около 22 мин). При этом доля  несгоревшего и  выброшенного в  атмосферу топлива при рулении намного больше, чем в полете.  Помимо улучшения работы двигателей (распыление топлива,  обогащение смеси в зоне горения, использование присадок к топливу, впрыск воды и др.), существенного уменьшения  выбросов  можно добиться путем сокращения  времени работы  двигателей на  земле и  числа работающих двигателей при рулении (только за счет последнего достигается снижение выбросов в 3 - 8 раз).

   В последние 10 - 15 лет большое  внимание уделяется исследованию тех эффектов, которые могут возникнуть в связи с полетами сверхзвуковых  самолетов и космических кораблей. Эти полеты сопровождаются   загрязнением стратосферы оксидами азота и серной кислотой (сверхзвуковые  самолеты), а также частицами оксида алюминия (транспортные  космические корабли). Поскольку эти загрязняющие вещества разрушают озон, то первоначально создалось мнение (подкрепленное соответствующими модельными расчетами), что планируемый рост числа полетов сверхзвуковых самолетов и транспортных космических кораблей приведет к существенному уменьшению содержания озона со всеми последующими губительными воздействиями ультрафиолетовой радиации на биосферу  Земли. Однако более глубокий подход к этой проблеме позволил сделать заключение о слабом влиянии выбросы сверхзвуковых самолетов на состояние стратосферы. Так, при современном числе сверхзвуковых самолетов и выбросе загрязняющих веществ на высоте около 16 км относительное уменьшение содержания О₃ может составить примерно 0.60 ; если их число возрастет до 200 и высота полета будет близка к 20 км, то относительное уменьшение содержания О₃ может подняться до 17%. Глобальная приземная температура воздуха за счет парникового эффекта, создаваемого выбросами сверхзвуковыми самолетами может повысится не более чем на 0,1°C.

   Более сильное воздействие на озонный слой и глобальную температуру воздуха могут оказать хлорфторметаны. Поскольку ХФМ очень инертны, то они распространяются и долго живут не только в тропосфере, но и в стратосфере. Обладая довольно сильными полосами поглощения в окне прозрачности атмосферы (8-12 мкм), фреоны усиливают парниковый эффект. Наметившееся в последние десятилетия темпы роста производства фреонов могут привести к увеличению содержания фреона-11 и фреона-12 в 2030 г. до 0,8 и 2,3 млрд (при современных значениях 0,1 и 0,2 млрд). Под влиянием такого количества фреонов общее содержание озона в атмосфере уменьшится на 18%, а в нижней стратосфере даже на 40;  глобальная приземная температура возрастет на 0,12-0,21°С. 
 

     3.3 Ракетоносители 
 

     Загрязнение воздушной среды транспортом с ракетными двигательными установками происходит главным образом при их работе перед стартом, при взлете и посадке, при наземных испытаниях в процессе их производства и после ремонта, при хранении и транспортировке топлива, а так же при заправке топливом летательных аппаратов. Работа жидкостного ракетного двигателя сопровождается выбросом продуктов полного и неполного сгорания топлива, состоящих из O, NO_x, OH и др.

     При сгорании твердого топлива из камеры сгорания выбрасываются H₂O, CO₂, HCl, CO, NO, Cl, а также твердые частицы Al₂O₃ со средним размером 0,1 мкм (иногда до 10 мкм).

     В двигателях космического корабля «Шатл» сжигается как жидкое так и  твердое топливо. Продукты сгорания топлива по мере удаления корабля  от Земли проникают в различные  слои атмосферы (табл. 2.2), но большей частью в тропосферу.                                                                       
 
 
 
 
 
 

                                                                                                            Таблица 2.2