Аерозольне забруднення атмосфери

Аерозолі — це тверді або рідкі частки, що перебувають у зваженому стані в повітрі. Тверді компоненти аерозолів у ряді випадків особливо небезпечні для організмів, а в людей викликають специфічні захворювання. В атмосфері аерозольні забруднення сприймаються у вигляді диму, туману, імли або серпанку. Значна частина аерозолів утвориться в атмосфері при взаємодії твердих і рідких часток між собою або з водяною парою. Середній розмір аерозольних часток становить 1-5 напівтемний. В атмосферу Землі щорічно надходить близько 1 куб.км. пилоподібних часток штучного походження. Велика кількість пилових часток утвориться також у ході виробничої діяльності людей. Відомості про деякі джерела техногенного пилу наведені нижче:

ВИРОБНИЧИЙ ПРОЦЕС ВИКИДУ ПИЛУ,МЛН.Т./РІК

1. Спалювання кам’яного вугілля 93,60

2. Виплавка чавуну 20,21

3. Виплавка міді (без очищення) 6,23

4. Виплавка цинку 0,18

5. Виплавка олова (без очищення) 0,004

6. Виплавка свинцю 0,13

7. Виробництво цементу 53,37

Основними джерелами штучних аерозольних забруднень повітря є ТЕС, які споживають вугілля високої зольності, збагачувальні фабрики, металургійні, цементні, магнезитові й сажевые заводи. Аерозольні частки від цих джерел відрізняються більшою розмаїтістю хімічного складу. Найчастіше в їхній сполуці виявляються сполуки кремнію, кальцію й вуглецю, рідше — оксиди металів: заліза, магнію, марганцю, цинку, міді, нікелю, свинцю, сурми, вісмуту, селен, миш’яку, бериллия, кадмію, хрому, кобальту, молібдену, а також азбест. Постійними джерелами аерозольного забруднення є промислові відвали — штучні насипи, утворені при видобутку корисних копалин або ж з відходів підприємств переробної промисловості, ТЕС. Джерелом пилу й отрутних газів служать масові підривні роботи. До атмосферних отрутних хімічних відходів ставляться вуглеводні. Вони піддаються різним перетворенням, окислюванню, полімеризації, взаємодіючи з іншими атмосферними забруднювачами після порушення сонячною радіацією. У результаті цих реакцій утворяться перекісні сполуки, вільні радикали, сполуки вуглеводнів з оксидами азоту й сірки часто у вигляді аерозольних часток. При деяких погодних умовах можуть утворюватися особливо більші скупчення шкідливих газоподібних і аерозольних домішок у приземному шарі повітря.

За умовами формування виділяють первинні і вторинні аерозолі. Первинні аерозолі вносяться в атмосферу завдяки диспергуванню матеріалу на поверхні Землі (вітрова ерозія, спалювання різних видів палива в промислових регіонах, пожежі в тропічних лісах, винесення морських аерозолів з поверхні морів та океанів, космічний пил). Вторинні аерозолі утворюються в результаті хімічних перетворень газоподібних речовин-попередників в атмосфері. Так, наприклад, сульфатні аерозолі утворюються з двооксиду сірки, який виділяється під час спалювання викопних видів палива. Надходження аерозолів, як і їх попередників, в атмосферу може спричинятися як природними, так і антропогенними чинниками. Аерозолі природного походження виникають в процесі вулканічної діяльності, згорання метеоритної речовини в атмосфері, в результаті пилових і піщаних бурь і утворення гігантських пилових хмар, що переміщуються на великі відстані, лісових пожеж, за рахунок діяльності рослинного і тваринного світу. Антропогенні аерозолі виникають внаслідок промислової і господарської діяльності людини.

Природні і антропогенні аерозолі доволі важко розрізняти, тому прийнято притримуватися при вирішенні подібної задачі таких орієнтирів: в антропогенному аерозолі домінують дрібні сульфатні частки та сажа, а в природному – грубші частки пилу та морської солі. Чітко розрізнити аерозолі можна лише за допомогою електронного мікроскопа. Одним з критеріїв є географічне поширення. Антропогенні аерозолі переважають над густо заселеними промисловими зонами та їх підвітряними територіями. Ідентифікувати антропогенні аерозолі можна дослідивши особливості сезонної динаміки їх концентрацій та спів ставивши її з такими сезонними явищами як лісові пожежі, спалювання біомаси, різних видів палива для отримання тепла, тощо. Слід зазначити, що аерозолі і природного і антропогенного походження однаково важливі для протікання атмосферних процесів. Ядра конденсації обох типів беруть участь у формуванні хмар. Окремі аерозолі можуть складатися з частинок як природного, так і антропогенного походження.

Первинні аерозолі. Важливим джерелом первинних аерозолів є аридні зони нашої планети, де внаслідок вітрової ерозії відбувається підйом мінеральних пилових частинок. Найчастіше це відбувається в пустельних регіонах Африканського Сахелю, Азії, в деяких районах США. Концентрація пилу в цих регіонах під час вітрових бур може досягати величини 1мг/м3, що на порядок вище, ніж вміст пилу у повітрі міст. Географічне поширення природних джерел утворення та потужність емісії пилових аерозолів (в кг на годину з км2). Вітром виносяться в атмосферу мінеральні частки розміром 1-10 μm. Кількість цього пилу, що надходить в пустельних районах в атмосферу та його поширення залежить від локальних погодних умов, особливо швидкості вітру, сухості повітря, наявності опадів, тощо. На ці погодні умови впливають крупномасштабні коливання клімату, що обумовлені такими явищами як Ель-Ніньо, або Північно-Атлантичне коливання.

Дослідження механізму перетворення зв'язано з інтересом, що виявляється до курних бур і формування піщаних дюн. У цих явищах основна частина зваженої речовини представлена дуже великими частками. Процес надходження часток в атмосферу під дією вітру досить добре вивчений. При горизонтальному переносі сипучої речовини розвивається так звана сольтація - процес, у якому великі частки під дією вітру стрибкоподібно переміщуються уздовж поверхні, у якийсь момент відриваються від неї і, нарешті, стають зваженими. Однак вони настільки великі, що можуть залишатися в повітрі лише кілька секунд. Для того щоб викликати переміщення часток уздовж поверхні, швидкість руху повітря на рівні поверхні повинна бути близько 0,2 м/с. У цьому випадку на звичайних висотах виміру (1 - 10 м) швидкість вітру складає кілька метрів у секунду. При таких швидкостях переміщення повітря в рух приходять частки діаметром порядку 0,1 мм. Їхнього зіткнення з поверхнею надають руху більш дрібним часткам. Крім того, такі зіткнення викликають фрагментацію й утворення тонкодисперсної речовини. Як правило, у процесі підйому пилу частка робить лише кілька зіткнень. Що потрапило в повітря більш тонко роздрібнена речовина може залишатися в зваженому стані значно довше. Дрібні пилинки можуть підніматися в атмосферу на висоту до 5 км, а у разі сильного вітру можуть долати міжконтинентальні відстані.

Раніше вважалось, що 50% пилових аерозолів утворюється під впливом господарської діяльності людини (антропогенне походження). Проте сучасні дані свідчать про те, що лише 10% від їх загальної кількості надходить в результаті сільськогосподарського виробництва, ще близько 10% - через знищення лісів.

Хоча слід визнати, що ці оцінки є досить умовними, адже реально досить важко розділити аерозолі за походженням. За рахунок вітрової ерозії грунтів щороку утворюється від 1000 до 5000 млн. т пилових аерозолів9. Сучасні модельні розрахунки оцінюють цю ж величину в 1000 – 2000 млн. т, а загальний вміст пилових аерозолів в атмосфері в 18,1 млн. т, з яких 97% часток мають розмір 0,1-10 μm. Сухе осадження є головним механізмом виведення пилових аерозолів з атмосфери. Середній час їх перебування в атмосфері складає всього 3,9 днів. При цьому, найдрібніші частинки залишаються в атмосфері до 4 тижнів, а найкрупніші – лише декілька годин 10. Надходження пилових аерозолів від вулканічних вивержень оцінюється величиною в 33 млн. т. Під час сильних вивержень частки вулканічного походження досягають стратосфери і процес їх осадження триває до 2 місяців.

Світовий океан теж є важливим джерелом первинних аерозолів. Частки морського аерозолю починають своє існування в земній атмосфері у вигляді крапель морської води. Одним з механізмів утворення цих крапель слід вважати, здування бризок гребенів хвиль, що розбиваються. Інший механізм являє собою утворення крапель при лопанні великого числа бульбашок повітря, по мірі того як вони досягають поверхні моря. Паристі краплі можуть також утворюватися і багатьма іншими шляхами. Краплі, що утворюються за першим механізмом, доволі великі і частки морської солі, які залишаються в результаті випаровування 0,05 мкм. Морські аерозолі доволі гігроскопічні і виливаються за атмосфери дуже інтенсивно. Основними компонентами речовин, що входять до хімічного складу морських аерозолів, є хлористий натрій і сульфати. Дрібнодисперсна фракція складається переважно з сульфатів, середньо дисперсна з хлористого натрію. Частка останнього збільшується із збільшенням розмірів часток. Обидва компоненти є доволі гігроскопічними поєднаннями, тому спостерігається сильна залежність комплексного показника заломлення від відносної вологості. Надходження аерозолів морського походження в атмосферу оцінюється величиною 3300 млн. т на рік. Найменші за розміром аерозолі можуть досягати значних висот і відігравати провідну роль під час формування хмар. В той же час великі частки досить швидко осідають назад в океан. Найвищі концентрації аерозолів морського походження спостерігаються над океанічними акваторіями, особливо в середніх широтах південної півкулі, де розвиваються високі швидкості вітру. Наступною групою первинних аерозолів є карбоновмістні (вуглецеві?) аерозолі, до яких належать органічні сполуки вуглецю та сажа. Вони виникають, як правило в процесах неповного згорання викопних видів палива та при спалюванні біомаси і мають виключно антропогенне походження. Їх розмір, як правило, менший 1 мкм.

Антропогенні органічні аерозолі складаються з багатьох хімічних комплексних складових. Глобальна емісія органічних вуглецевих аерозолів за рахунок спалювання біомаси складає 45-80 млн. т на рік, а за рахунок спалювання викопних палив – 10-30 млн. т на рік. Під час спалювання вугілля, нафтопродуктів та біомаси утворюється дуже велика кількість дуже дрібних частинок сажі, яка оцінюється в 12-16 млн. т на рік. Сажа – це агломерат із дуже маленьких частинок, які утворюються, наприклад, при спалюванні дизельного палива. Органічні вуглецеві аерозолі в значній мірі накопичуються в атмосфері тропічних регіонів, де зосереджені джерела їх надходження – регіони спалювання біомаси та в промислових регіонах північної півкулі, де спалюється дуже багато викопних палив – енергоносіїв. Географічне поширення антропогенних джерел сажі та їх емісійні характеристики (в кг на годину з км2).

Так як останні в силу своїх значних розмірів характеризуються невеликим часом життя в атмосфері, цей механізм навряд чи можна вважати основним механізмом утворення, також як: механізм утворення аерозолю при випадінні опадів із за своєї очевидної епізодичності і локального характеру. Таким чином, основним механізмом потрапляння в атмосферу морського аерозолю треба вважати механізм лопаючих бульбашок. За існуючими оцінками, 0,3% поверхні Світового океану вкрито повітряними бульбашками. Вважають, що при цьому щосекунди лопається не менше 1018 – 1020 бульбашок.

Знаходячись у зваженому стані над поверхнею води, аерозольні сольові частки зазнають впливу фізичних умов оточуючого повітряного середовища. Атмосферні умови доволі суттєво впливають насамперед в прикордонному шарі на перших десяти метрах від поверхні, де швидкість вітру, температура, вологість і турбулентність повітря з іншими фізичними параметрами атмосфери, різко змінюються з висотою. Природно, що найвищі швидкості генерації повинні спостерігатися при високих швидкостях вітру. Крапельки морської води, що утворилися при руйнуванні пухирців, потрапивши в повітря, можуть випаровуватися. Це веде до появи в атмосфері концентрованих солоних крапельок або малюсіньких кристалів солі. Пухирець радіусом I мм при руйнуванні плівки утворить кілька плівкових крапель з радіусами 3-15 мкм, що містять 4 - 50 пг солі. Це означає, що при випарі утворяться частки радіусом 0,8-4 мкм. Центральна крапля при руйнуванні такого пухирця буде мати радіус, що складає приблизно 10% від радіуса пухирця, тобто буде містити 0,15 мкг солі і при висиханні утворить частку радіусом 25 мкм.

Точні значення цих потоків відомі усе ще досить приблизно, оскільки велика частина спостережень заснована на лабораторних досвідах. Вони складаються з кухонної солі (NaCl) та гіпсу (CaSO4), мають розміри від 0,05 до 10 μm і різний час перебування в атмосфері (в залежності від розміру), в середньому, не довше як половина доби. Мікроструктура і концентрація морських аерозолів сильно залежить від солоності морської води, температурного режиму приводного шару і степені хвилювання морської поверхні, а також формується в результаті хімічних реакцій в повітрі. Найбільш вірогідним модальним радіусом частоти з морських солей слід вважати r0 = 0,2 мкм.

Вторинні аерозолі. Вторинними аерозолями атмосфери вважаються рідинні частки (краплі рідини?), такі як сірчана (H2SO4) та азотна (HNO3) кислоти, які утворюються в результаті хімічних реакцій з газоподібних попередників – двоокису сірки (SO2) та окислів азоту (NOx). Ці гази беруть участь у процесах прямої нуклеації, коли молекули газів об’єднуються в частки, або коли молекули конденсуються на вже утворених частках. В процесі нуклеації утворюються дуже дрібні частки (нанорозмірів 10-9 м?), які в подальшому беруть участь процесі коагуляції – об’єднуються з іншими аерозольними частинками. Сірчанокислотні аерозолі завдяки їхній добрій розчинності легко поглинаються хмарами і беруть участ у подальших реакціях. Найважливішими вторинними аерозолями, які мають кліматоутвоюючі властивості, є сульфатні аерозолі. Вони утворюються із газоподібних попередників природного і антропогенного походження, найважливішими з яких є двоокис сірки, що надходить в атмосферу з вулканічними виверженнями та від господарської діяльності людини, диметилсульфід, який виділяється з морського планктону. Двоокис сірки є головною формою вулканічних сірковмісних емісійних продуктів. Щорічне його надходження в атмосферу оцінюється величинами від 6 до 20 млн. т, а під час окремих великих ерупційних викидів його кількість може досягати 100 млн. т. Антропогенна емісія SO2 обумовлена, головним чином, масовим використанням викопних видів палива як енергоносіїв. За розрахунковими даними її величина досягає 60-100 млн.т, причому 94% цих викидів в атмосферу здійснюється у північній півкулі.

Диметилсульфід (DMS = (CH3)2S), який продукується фітопланктоном в океанах, бере участь у ряді ланцюгових реакцій, що ініціюються ОН- радикалом і приводять в результаті до утворення SO2. Щороку в атмосферу надходить близько 24 млн. т диметилсульфіду.

Географічне поширення джерел антропогенних сульфатних аерозолей та їх емісійні характеристики (в кг на годину з км2). 10a Слід зазначити, що значна частина двоокису сірки повертається назад на земну поверхню шляхом сухого осадження, тому що час перебування цієї сполуки в атмосфері складає від 0,6 до 2,6 днів. За розрахунками, лише 46-82% емісійного SO2 перетворюється шляхом окислення в сульфат. В рідкій фазі, у хмарних краплях, двоокис сірки перетворюється спочатку в сірчану кислоту (H2SO4), а потім трансформується в сульфат-іон (SO42-). Також в газовій фазі він бере участь у ряді реакцій, головним чином з ОН- радикалом.

Розмір сульфатних аерозолей характеризується мікронними величинами, час перебування в атмосфері становить 4-7 днів. Найбільші концентрації сульфатних аерозолей виявляються біля місць їх виникнення, в першу чергу, в атмосфері промислових регіонів США, Європи та Східної Азії, а також у їх підвітряних зонах. Газоподібні сполуки сірки в невеликому обсязі вносяться в атмосферу також через використання авіації на висотах 9-12 км. SO2 вулканічного походження поширюється у верхній тропосфері та нижній стратосфері і тому має відносно тривалий час перебування в атмосфері. Завдяки цьому відносно велика його частина перетворюється в сульфат. В стратосфері процес перетворення SO2 в сульфат може тривати понад 3 місяці і лише по закінченню 4 років в стратосфері відновлюється попередній рівень концентрації сульфатів.

Аерозолі можуть утворюватися також із азотних сполук. Аміак (NH3) утворює разом з сірчаною кислотою сульфат амонію, або нітрат амонію з азотною кислотою, якщо концентрація сірчаної кислоти незначна. Азотна кислота утворюється з окислів азоту, завдяки ряду хімічних перетворень в атмосфері.

Значення нітратних аерозолів на даний час невелике, проте протягом ХХІ століття може зрости, адже викиди аміаку можуть подвоїтися і помітно зрости викиди окислів азоту.

план

1. Предмет, цілі та задачі дисципліни, класифікація відходів.

2. Аерозольні пилові частки, а також речовини, в основному розчинні, що виділяються в атмосферу.

Поиск по сайту: