Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Дипломная работа - Прогнозирование изменений экосистем на основе данных дистанционного зондирования состояния газового состава атмосферы - файл 1.doc


Дипломная работа - Прогнозирование изменений экосистем на основе данных дистанционного зондирования состояния газового состава атмосферы
скачать (3157 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc3157kb.04.12.2011 10:46скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

  1   2   3   4
Реклама MarketGid:
Загрузка...
ВВЕДЕНИЕ

В рамках данной работы рассмотрено прогнозирование изменения экосистем на основе данных дистанционного зондирования состояния газового состава атмосферы на примере диоксида серы (SO2).

Актуальность выбранной темы состоит в том, что диоксид серы – сильнейший загрязитель атмосферного воздуха, негативно влияет на климат, мощные или постоянные выбросы SO2 приводят к деградации экосистемы.

Наибольшую опасность представляет собой загрязнение соединениями серы, которые выбрасываются в атмосферу при сжигании угольного топлива, нефти и природного газа, а также при выплавке цветных металлов и производстве серной кислоты. Серный ангидрид образуется при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Растения около таких предприятий обычно бывают густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшимися в местах оседания капель серной кислоты. Пирометаллургические предприятия цветной и чёрной металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки миллионов тонн серного ангидрида. Наибольших концентраций сернистый газ достигает в северном полушарии, особенно над территорией США, зарубежной Европы, европейской части России, Украины. В южном полушарии оно ниже.

Мощные выбросы SO2 могут приводить к возникновению кислотных дождей и климатическим изменениям. Так, например, в результате извержения вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 г. в атмосферу было выброшено диоксида серы массой 20 млн. тонн, что оказало мощное влияние на состояние озонового слоя.

Менее крупные и мощные выбросы ведут к локальным изменениям экосистемы, регулярные же эмиссии SO2 могут привести к полной перемене облика природно-территориального комплекса, гибели популяций животного и растительного мира (вплоть до полного уничтожения биоценоза на некоторой территории).

Последствия выпадения кислотных дождей наблюдаются в США, Германии, Чехии, Словакии, Нидерландах, Швейцарии, Австралии, республиках бывшей Югославии и ещё во многих странах земного шара. [1] Кислотный дождь оказывает отрицательное воздействие на водоемы — озера, реки, заливы, пруды — повышая их кислотность до такого уровня, что в них погибает флора и фауна.

Кислотный дождь наносит вред не только водной флоре и фауне. Он также уничтожает растительность на суше. Повышение уровня загрязнения сернистым газом вызывает либо хроническое, либо острое кратковременное поражение листьев растений, что приводит к замедлению роста зеленой массы и снижению урожайности. Разрушается хлорофилл растений, повреждаются листья и хвоя. Пораженные участки приобретают бронзовую окраску. На листьях также появляются бледные пятна, которые затем приобретают бронзовый цвет, затем листья опадают. Ученые считают, что хотя до сегодняшнего дня механизм до конца ещё не изучен, «сложная смесь загрязняющих веществ, включающая кислотные осадки, озон, и тяжелые металлы в совокупности приводят к деградации лесов». [2]

Кроме того, именно выбросы SO2 представляют наибольший интерес с точки зрения глобального влияния на климат через образование долгоживущего сульфатного аэрозоля в стратосфере.

Актуальность работы обусловлена также тем, что дистанционные спутниковые методы открывают новые возможности в изучении газового состава атмосферы и его динамики, мониторинга окружающей среды, прогнозирования техногенных и природных катаклизмов и проблем, связанных с поступлением загрязняющих веществ в атмосферу, а также упрощают изучение и прогнозирование климатических изменений, вызванных изменением газового состава атмосферы.

Дистанционные методы позволяют прогнозировать изменение экосистем под воздействием выбросов (или постоянного поступления) загрязняющих веществ антропогенного и природного происхождения, а также рационально и оперативно реагировать на эти изменения. Эти методы дают возможность оперативно, регулярно и экономически целесообразно получать необходимые данные для наблюдения, изучения и отслеживания изменений состояния атмосферы.

Глобальный мониторинг концентраций SO2 осуществляется на основе измерений в ультрафиолетовом диапазоне (UV) приборами, установленными на искусственных спутниках Земли. Алгоритм обработки данных даёт информацию о повышенных концентрациях диоксида серы на трёх высотах над уровнем моря: 2 км (антропогенный SO2), 5 км (пассивная вулканическая дегазация) и 15 км (крупные эксплозивные извержения вулканов).

Спутниковые методы мониторинга позволяют понять, как формируется загрязнение, каковы его источники, направление движения и место оседания. Такие методы исследований являются неотъемлемой частью изучения атмосферы. Значительно расширить эти наблюдения, предоставить новую информацию о жизни вулканов и природно-технических систем и территорий позволяют данные, получаемые из космоса прибором Ozone Monitoring Instrument. При помощи OMI становится возможным выявлять повышенные концентрации диоксида серы в периоды пассивной вулканической дегазации и на этапе активной фазы извержений (кстати, в некоторых случаях фиксируется увеличение концентрации сернистого газа в предэруптивный период, что может являться прогнозным методом), а также антропогенный SO2. Эти данные позволяют прогнозировать и контролировать последствия повышения содержания диоксида серы в атмосферном воздухе.[3]

Наблюдения за концентрациями SO2 являются важным направлением исследований для понимания изменений экосистем, климатических изменений, экологических проблем, жизнедеятельности вулканов, обеспечения здоровья населения.

Дистанционные методы определения содержания SO2 (и его количества) в атмосферном воздухе, позволяют делать прогнозы о таких немаловажных вещах, как извержения вулканов, экологические проблемы и техногенные катастрофы.

Например, на основании данных OMI/Aura, вполне реально делать прогнозы извержения вулканов (к сожалению, пока немногих, так как периодичность получения информации - 1 раз в сутки - зачастую недостаточна для точных и своевременных прогнозов, но эта проблема будет решена увеличением количества спутников со схожей аппаратурой на данной орбите или других орбитах). Аналогичным образом возможно прогнозирование последствий промышленных аварий и техногенных катастроф – поскольку OMI/Aura даёт сведения не только о самом выбросе вещества, но и о его количестве и направлении движения «облака» - соответственно, мы можем по этим данным прогнозировать последствия выброса и возможное влияние на экосистему в данном районе.

Своевременный прогноз развития ситуации даёт, прежде всего, возможность предотвращения большой части негативных последствий (например, путём эвакуации населения и принятия других мер), а также объективные аргументы (систематизированные, оперативные, регулярные данные и иформация) для пересмотра требований к организациям и предприятиям, которые занимаются деятельностью, несущей вред окружающей среде.

И в случае природных выбросов SO2, и в случае антропогенных, главный фактор для улучшения ситуации – своевременное и регулярное прогнозирование, которое фактически возможно лишь при использовании дистанционных методов. Как уже упоминалось выше, сейчас это наиболее оперативный и экономически целесообразный метод, и его развитие (улучшение аппаратуры, увеличение количества спутников и помещение их на разные орбиты) принесёт свои дивиденды в виде ещё более точных и своевременных прогнозов, большем контроле ситуации и в виде планомерного прогресса в изучении газового состава атмосферы в различных точках Мира в различные моменты времени, а также использовании этих данных в прикладных целях.

^ Цели и задачи дипломной работы

В работе рассмотрены вопросы экологического мониторинга, прогнозирования последствий изменения газового состава атмосферы на основе спутниковых методов зондирования земной атмосферы и их практического приложения к мониторингу содержания и концентраций диоксида серы в атмосфере.

Для решения этих вопросов требовалось:

  • Рассмотреть основные загрязняющие атмосферу вещества и их влияние на экосистему и человека;

  • Рассмотреть антропогенные и неантропогенные пути попадания диоксида серы в атмосферу;

  • Дать обзор методов мониторинга (контактные и дистанционные: наземные, аэро- и космические методы);

  • Провести анализ потенциала имеющихся спутников (изучающих газовый состав атмосферы) и их аппаратуры; сравнить их характеристики;

  • Изучить актуальные методы использования данных OMI/Aura по содержанию и изменению концентраций SO2 в атмосферном воздухе;

  • Провести мониторинг крупной природно-технической системы на основе данных OMI/Aura SO2;

  • Дать прогноз изменений экосистем на основе проведённого мониторинга;

  • Внести предложения по улучшению методики мониторинга и прогнозирования, внедрению рассматриваемой методики в экологический мониторинг, а также рекомендации по оптимизации мониторинга ЧС и безопасности населения.

^ 1. ОБЗОР ИСТОЧНИКОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ

Загрязнение воздуха – это любое нежелательное изменение состава земной атмосферы в результате поступления в нее различных газов, водяного пара и твердых частиц (под воздействием природных процессов или в результате деятельности человека) [4]

Загрязнение атмосферы — привнесение в атмосферный воздух новых нехарактерных для него физических, химических и биологических веществ или изменение в его естественной среде многолетней концентрации этих веществ. [5]
1.1. Состав и строение атмосферы

Атмосфера, или "воздушный океан", состоит из газов, необходимых для поддержания жизни на Земле. По высоте ее можно разделить на пять слоев, или оболочек, окружающих земной шар: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу. Их границы определяются по резким изменениям температуры, обусловленным различиями в поглощении солнечной радиации. С высотой также меняется плотность воздуха. В верхних слоях атмосферы воздух разреженный, а у поверхности Земли, благодаря силе тяжести, - более плотный. Загрязнены, главным образом, два нижних слоя атмосферы. [1]

Тропосфера. Состав и строение нижнего слоя - тропосферы - определяется поступлением газов из земной коры и присутствием жизни на земной поверхности. Верхняя граница тропосферы располагается на высотах примерно 16-18 км над уровнем моря на экваторе, в умеренных широтах до 10-12 км, около 8-10 км на полюсах. Этот тонкий слой содержит два важных газообразных компонента: азот (N2) и кислород (О2), которые составляют соответственно 78 и 21% объема атмосферы. Круговорот азота в природе (азотный цикл) играет очень важную роль в питании растений. Атмосферный азот связывается клубеньковыми бактериями, содержащимися в корневых утолщениях бобовых растений, с образованием многочисленных органических соединений, особенно белков. После этого другие специализированные бактерии в процессе минерализации разлагают и перерабатывают богатые азотом органические остатки в более простые неорганические вещества, например, в аммиак (NH4). Наконец, нитрифицирующие бактерии снова превращают их в оксид (NO) и диоксид (NО2) азота, которые возвращаются в атмосферу. Затем цикл возобновляется.

Кислород образуется в процессе фотосинтеза растений и, в свою очередь, используется микро- и макроорганизмами при дыхании, побочным продуктом которого является углекислый газ.

Помимо азота и кислорода, в состав атмосферы входят аргон (Ar - 0,93%) и углекислый газ (СО2 - 0,036%), а также в незначительных количествах неон (Ne), гелий (Не), метан (СН4), криптон (Kr), водород (Н2), ксенон (Хе) и хлорфторуглеводороды (ХФУ) антропогенного происхождения [6]. Источником и необходимым компонентом жизни на Земле, способствующим, в частности, поддержанию температуры ее поверхности, является водяной пар (Н2О), который поступает в тропосферу, главным образом, в результате испарения воды с поверхности океана. Его содержание в атмосфере значительно меняется в зависимости от времени года и географического положения. Для живых организмов, состоящих, в основном, из органических соединений углерода с водородом и кислородом, первостепенную роль играют кислород, вода и углекислый газ. Вода и углекислый газ имеют определяющее значение для нагрева земной поверхности благодаря их способности поглощать солнечную радиацию.

Стратосфера. Непосредственно над тропосферой на высотах примерно от 15 до 48 км над земной поверхностью находится стратосфера. Хотя по составу эти оболочки очень сходны, в стратосфере содержание водяного пара гораздо ниже, а содержание озона - выше, чем в тропосфере.

Именно в стратосфере располагается слой озоносферы («озоновый слой») (на высоте от 15—20 до 55—60 км), который определяет верхний предел жизни в биосфере. Озон (О3) образуется в результате фотохимических реакций наиболее интенсивно на высоте ~30 км [6].

Он образуется в стратосфере при взаимодействии молекул кислорода при разрядах молнии и ультрафиолетовом облучении Солнцем

Общая масса О3 составила бы при нормальном давлении слой толщиной 1,7—4,0 мм, но и этого достаточно для поглощения губительного для жизни ультрафиолетового излучения Солнца. Разрушение О3 происходит при его взаимодействии со свободными радикалами, NO, галогенсодержащими соединениями (в т. ч. «фреонами»).

В стратосфере задерживается большая часть коротковолновой части ультрафиолетового излучения (180—200 нм) и происходит трансформация энергии коротких волн. Под влиянием этих лучей изменяются магнитные поля, распадаются молекулы озона, происходит ионизация, новообразование газов и других химических соединений. Эти процессы можно наблюдать в виде северных сияний, зарниц и других свечений.
1.2. Классификация и виды загрязняющих веществ

Состав веществ, загрязняющих атмосферу, значительно изменился после Второй мировой войны. В 1950-х годах на смену углю пришло дизельное топливо, а вскоре и природный газ. К 2000 г. большая часть домов обогревалась природным газом, самым чистым из всех видов ископаемого топлива. С другой стороны, атмосферу все больше начали загрязнять выхлопные газы, образующиеся при работе двигателей внутреннего сгорания.

^ По агрегатному состоянию выбросы вредных веществ в атмосферу классифицируются на:

  • газообразные (диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода, углеводороды и др.);

  • жидкие (кислоты, щелочи, растворы солей и др.);

  • твердые (канцерогенные вещества, свинец и его соединения, органическая и неорганическая пыль, сажа, смолистые вещества и прочие).

Основные загрязнители атмосферного воздуха:

  • Оксид и диоксид углерода;

  • Оксиды азота;

  • Диоксид серы;

  • Углеводороды;

  • Альдегиды;

  • Тяжёлые металлы (Pb, Cu, Zn, Cd, Cr);

  • Аммиак;

  • Атмосферная пыль.


Оксид углерода (СО) – очень ядовитый газ без цвета, запаха и вкуса, известен также под названием «угарный газ». Образуется в результате неполного сгорания древесины, ископаемого топлива (угля, газа, нефти) в условиях недостатка кислорода и при низкой температуре, при сжигании твердых отходов и частичном анаэробном разложении органики. При этом 65% от всех выбросов приходится на транспорт, 21% - на мелких потребителей и бытовой сектор, а 14% - на промышленность. При вдыхании угарный газ, за счёт имеющейся в его молекуле двойной связи, образует прочные комплексные соединения с гемоглобином крови человека и тем самым блокирует поступление кислорода в кровь.

^ Диоксид углерода (СО2) – или углекислый газ, - бесцветный газ с кисловатым запахом и вкусом, продукт полного окисления углерода. Является одним из парниковых газов.
^ Оксиды азота (оксид и диоксид азота) – газообразные вещества: монооксид азота NO и диоксид азота NO2 объединяются одной общей формулой NOх.

Оксид и диоксид азота образуются при сгорании топлива при очень высоких температурах (выше 650о С) и избытке кислорода. Чем выше температура сгорания, тем интенсивнее идет образование окислов азота. Кроме того, эти вещества выделяются при окислении бактериями азотсодержащих соединений в воде или почве. Таким образом, другим источником окислов азота являются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения. Количество окислов азота, поступающих в атмосферу, составляет 65 млн. тонн в год. В дальнейшем в атмосфере оксид азота окисляется до газообразного диоксида красно-бурого цвета, который хорошо заметен в воздухе над большинством крупных городов. Основными источниками диоксида азота в городах являются выхлопные газы автомобилей и выбросы теплоэлектростанций (причем использующих не только ископаемые виды топлива). Кроме того, диоксид азота образуется при сжигании твердых отходов, так как этот процесс происходит при высоких температурах горения. Также NO2 играет не последнюю роль при образовании фотохимического смога в приземном слое атмосферы. В значительных концентрациях диоксид азота имеет резкий сладковатый запах. Он раздражает нижний отдел дыхательной системы, особенно легочную ткань, ухудшая тем самым состояние людей, страдающих астмой, хроническими бронхитами и эмфиземой легких. Диоксид азота повышает предрасположенность к острым респираторным заболеваниям, например пневмонии.
^ Оксид серы(IV) (диоксид серы, сернистый газ, сернистый ангидрид) — SO2. В нормальных условиях представляет собой бесцветный газ с характерным резким запахом (запах загорающейся спички). Растворимость газа в воде – достаточно велика. Диоксид серы – реакционно способен; из-за химических превращений время его жизни в атмосфере – невелико (как правило, порядка нескольких часов или дней). В связи с этим возможности загрязнения и опасность воздействия непосредственно диоксида серы носят локальный, а в отдельных случаях – региональный характер. Диоксид серы имеет короткий период жизни в воздухе, превращаясь в аэрозоли сульфатов в течение суток близ поверхности Земли и в течение месяца в стратосфере.

Сера попадает в атмосферу в результате многих природных процессов, в том числе испарения брызг морской воды, развеивания серосодержащих почв в аридных районах, эмиссии газов при извержениях вулканов и выделения биогенного сероводорода (Н2S). Сернистый ангидрид (SO2) - наиболее широко распространенное соединение серы, образующееся при сгорании серосодержащих видов топлива (в первую очередь угля и тяжелых фракций нефти), а также при разных производственных процессах, например плавке сульфидных руд. Сернистый газ особенно вреден для деревьев, он приводит к хлорозу (пожелтению или обесцвечиванию листьев) и карликовости.

Он, в первую очередь, участвует в формировании кислотных дождей. Общемировой выброс SO2 оценивается примерно в 110-115 млн. тонн в год.

Серный ангидрид (SO3) образуется при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека.

У человека этот газ раздражает верхние дыхательные пути, так как легко растворяется в слизи гортани и трахеи. Постоянное воздействие сернистого газа может вызвать заболевание дыхательной системы, напоминающее бронхит. Сам по себе этот газ не наносит существенного ущерба здоровью населения, но в атмосфере реагирует с водяным паром с образованием вторичного загрязнителя - серной кислоты (Н24). Капли кислоты переносятся на значительные расстояния и, попадая в легкие, сильно их разрушают. Наиболее опасная форма загрязнения воздуха наблюдается при реакции сернистого ангидрида с взвешенными частицами, сопровождающейся образованием солей серной кислоты, которые при дыхании проникают в легкие и там оседают.
Длительное воздействие диоксида серы на человека приводит вначале к потере вкусовых ощущений, стесненному дыханию, а затем – к воспалению или отеку лёгких, перебоям в сердечной деятельности, нарушению кровообращения и остановке дыхания.
Углеводороды – химические соединения углерода и водорода. К ним относят тысячи различных загрязняющих атмосферу веществ, содержащихся в несгоревшем бензине, жидкостях, применяемых в химчистке, промышленных растворителях и т.д.
Альдегиды — класс органических соединений, содержащих карбонильную группу (С=О) с одним алкильным или арильным заместителем. Токсичны. Способны накапливаться в организме. Кроме общетоксичного, обладают раздражающим и нейротоксическим действием. Эффект зависит от молекулярной массы: чем она больше, тем слабее раздражающее, но сильнее наркотическое действие, причём ненасыщенные альдегиды токсичнее насыщенных. Некоторые обладают канцерогенными свойствами.
^ Тяжёлые металлы — группа химических элементов со свойствами металлов (в том числе и полуметаллы) и значительным атомным весом либо плотностью. Известно около сорока различных определений термина тяжёлые металлы, и невозможно указать на одно из них, как наиболее принятое. Соответственно, список тяжелых металлов согласно разным определениям будет включать разные элементы. Используемым критерием может быть атомный вес свыше 50. Другим часто используемым критерием является плотность, примерно равная или большая плотности железа (8 г/см3), тогда в список попадают такие элементы как свинец, ртуть, медь, кадмий, кобальт, а, например, более легкое олово выпадает из списка.

Многие тяжелые металлы, такие как железо, медь, цинк, молибден, участвуют в биологических процессах и в определенных количествах являются необходимыми для функционирования растений, животных и человека микроэлементами. С другой стороны, тяжёлые металлы и их соединения могут оказывать вредное воздействие на организм человека, способны накапливаться в тканях, вызывая ряд заболеваний. Не имеющие полезной роли в биологических процессах металлы, такие как свинец и ртуть, определяются как токсичные металлы. Некоторые элементы, такие как ванадий или кадмий, обычно имеющие токсичное влияние на живые организмы, могут быть полезны для некоторых видов.

Среди разнообразных загрязняющих веществ тяжёлые металлы (в том числе ртуть, свинец, кадмий, цинк, мышьяк) и их соединения выделяются распространенностью, высокой токсичностью, многие из них — также способностью к накоплению в живых организмах. Они широко применяются в различных промышленных производствах, поэтому, несмотря на очистительные мероприятия, содержание соединения тяжелых металлов в промышленных сточных водах довольно высокое. Они также поступают в окружающую среду с бытовыми стоками, с дымом и пылью промышленных предприятий. Многие металлы образуют стойкие органические соединения, хорошая растворимость этих комплексов способствует миграции тяжелых металлов в природных водах. К тяжелым металлам относят более 40 химических элементов, но при учете токсичности, стойкости, способности накапливаться во внешней среде и масштабов распространения токсичных соединений, контроля требуют значительно меньшее число элементов.
Аммиак — NH3, нитрид водорода, при нормальных условиях — бесцветный газ с резким характерным запахом (запах нашатырного спирта), почти вдвое легче воздуха, очень ядовит. Растворимость аммиака в воде чрезвычайно велика — около 1200 объёмов (при 0 °C) или 700 объёмов (при 20 °C) в объёме воды.

По физиологическому действию на организм относится к группе веществ удушающего и нейротропного действия, способных при ингаляционном поражении вызвать токсический отёк лёгких и тяжёлое поражение нервной системы. Аммиак обладает как местным, так и резорбтивным действием.

Пары аммиака сильно раздражают слизистые оболочки глаз и органов дыхания, а также кожные покровы. Это мы и воспринимаем как резкий запах. Пары аммиака вызывают обильное слезотечение, боль в глазах, химический ожог конъюнктивы и роговицы, потерю зрения, приступы кашля, покраснение и зуд кожи. При соприкосновении сжиженного аммиака и его растворов с кожей возникает жжение, возможен химический ожог. Кроме того, сжиженный аммиак при испарении поглощает тепло, и при соприкосновении с кожей возникает обморожение различной степени.

Аммиак относится к числу важнейших продуктов химической промышленности, ежегодное его мировое производство достигает 150 млн. тонн. В основном используется для производства азотных удобрений (нитрат и сульфат аммония, мочевина), взрывчатых веществ и полимеров, азотной кислоты, соды (по аммиачному методу) и других продуктов химической промышленности. Жидкий аммиак используют в качестве растворителя.
^ Промышленные пыли в зависимости от механизма их образования подразделяются на следующие 4 класса:

  • механическая пыль – образуется в результате измельчения продукта в ходе технологического процесса;

  • возгоны – образуются в результате объёмной конденсации паров веществ при охлаждении газа, пропускаемого через технологический аппарат, установку или агрегат;

  • летучая зола – содержащийся в дымовом газе во взвешенном состоянии несгораемый остаток топлива, образуется из его минеральных примесей при горении;

  • промышленная сажа – входящий в состав промышленного выброса твёрдый высокодисперсный углерод, образуется при неполном сгорании или термическом разложении углеводородов.

Основными источниками антропогенных аэрозольных загрязнений воздуха являются теплоэлектростанции (ТЭС), потребляющие уголь. Сжигание каменного угля, производство цемента и выплавка чугуна дают суммарный выброс пыли в атмосферу, равный 170 млн. тонн в год.

Взвешенные частицы, включающие пыль, сажу, пыльцу и споры растений и пр., сильно различаются по размерам и составу. Они могут либо непосредственно содержаться в воздушной среде, либо быть заключены в капельках, взвешенных в воздухе (т.н. аэрозоли). В целом за год в атмосферу Земли поступает ок. 100 млн. т аэрозолей антропогенного происхождения. Это примерно в 100 раз меньше, чем количество аэрозолей естественного происхождения - вулканических пеплов, развеваемой ветром пыли и брызг морской воды. Примерно 50% частиц антропогенного происхождения выбрасывается в воздух из-за неполного сгорания топлива на транспорте, заводах, фабриках и тепловых электростанциях. По данным Всемирной организации здравоохранения, 70% населения, живущего в городах развивающихся стран, дышит сильно загрязненным воздухом, содержащим множество аэрозолей. Нередко аэрозоли бывают самой явной формой загрязнения воздуха, так как они сокращают дальность видимости и оставляют грязные следы на окрашенных поверхностях, тканях, растительности и прочих предметах. Более крупные частицы в основном улавливаются волосками и слизистой оболочкой носа и гортани, а затем выводятся наружу. Предполагается, что частицы размером менее 10 мкм наиболее опасны для здоровья человека; они настолько малы, что проникают через защитные барьеры организма в легкие, повреждая ткани дыхательных органов и способствуя развитию хронических заболеваний дыхательной системы и рака. Наиболее канцерогенными и поэтому очень опасными для здоровья считаются также табачный дым и асбестовые волокна, содержащиеся в городском воздухе и внутри помещений. Другие типы аэрозольного загрязнения осложняют протекание бронхитов и астмы и вызывают аллергические реакции. Накопление определенного количества мелких частиц в организме затрудняет дыхание из-за закупорки капилляров и постоянного раздражения органов дыхания. Несмотря на то, что доля антропогенной пыли незначительна по сравнению с количеством аэрозолей естественного происхождения, её повышенные концентрации в городах и специфический состав оказывают существенное вредное влияние на здоровье человека.

Летучие органические соединения (ЛОС) - это ядовитые пары в атмосфере. Они являются источником множества проблем, в том числе мутаций, нарушений дыхания и раковых заболеваний, и, кроме того, играют главную роль при образовании фотохимических окислителей.

Наиболее крупным природным источником ЛОС являются растения, ежегодно выделяющие примерно 350 млн. т изопрена (С5Н8) и 450 млн. т терпенов (С10Н16). Другое ЛОС - газ метан (СН4), образующийся в сильно увлажненных местностях (например, на болотах или рисовых плантациях), а также продуцируемый бактериями в желудках термитов и жвачных животных. В атмосфере ЛОС обычно окисляются до оксидов углерода - угарного (СО) и углекислого (СО2) газа. Кроме того, антропогенные источники выбрасывают в атмосферу множество ядовитых синтетических органических веществ, например бензол, хлороформ, формальдегид, фенолы, толуол, трихлорэтан и винилхлорид. Основная часть этих соединений поступает в воздух при неполном сгорании углеводородов автомобильного топлива, на теплоэлектростанциях, химических и нефтеперегонных заводах.

^ Фотохимические окислители озон (О3), пероксоацетилнитрат (ПАН) и формальдегид являются продуктами вторичного загрязнения атмосферы в результате химических реакций под воздействием солнечной радиации. Озон образуется при расщеплении либо молекулы кислорода (О2) либо диоксида азота (NО2) с образованием атомарного кислорода (О), который затем присоединяется к другой молекуле кислорода. В этом процессе участвуют углеводороды, связывающие молекулу оксида азота с другими веществами. Таким образом, например, образуется ПАН. Хотя в стратосфере озон играет важную роль как защитный экран, поглощающий коротковолновую ультрафиолетовую радиацию, в тропосфере он как сильный окислитель разрушает растения, строительные материалы, резину и пластмассу. Озон имеет характерный запах, служащий признаком фотохимического смога. Вдыхание его человеком вызывает кашель, боль в груди, учащенное дыхание и раздражение глаз, носовой полости и гортани. Воздействие озона приводит также к ухудшению состояния больных хроническими астмой, бронхитами, эмфиземой легких и страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями.

Свойства газов, входящих в состав атмосферного воздуха при изменении давления меняются. 

К примеру: кислород под давлением более 2-х атмосфер оказывает ядовитое действие на организм. Азот под давлением свыше 5 атмосфер оказывает наркотическое действие (азотное опьянение). Быстрый подъем из глубины вызывает кессонную болезнь из-за бурного выделения пузырьков азота из крови, как бы вспенивая ее. Повышение углекислого газа до концентрации более 3% в дыхательной смеси вызывает смерть.

Каждый компонент, входящий в состав воздуха, с повышением давления до определенных границ становится ядом, способным отравить организм.

1.3. Антропогенное происхождение SO2

Как уже было сказано выше (Раздел 2.2.), диоксид серы антропогенного происхождения образуется при сгорании угля и нефти, в металлургических производствах, при переработке содержащих серу руд (сульфиды), при различных химических технологических процессах. Большая часть антропогенных выбросов диоксида серы связана с энергетикой и металлургической промышленностью. Общее количество антропогенного диоксида серы, выбрасываемое за год, значительно превышает его естественное образование. Ежегодное поступление сернистого газа в атмосферу только вследствие промышленных выбросов оценивается почти в 70 млн. т.

Наибольшую опасность представляет собой загрязнение соединениями серы, которые выбрасываются в атмосферу при сжигании угольного топлива, нефти и природного газа, а также при выплавке цветных металлов и производстве серной кислоты. Конечным продуктом реакции окисления сернистого ангидрида является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека

Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий отмечается при низкой облачности и высокой влажности воздуха. Растения около таких предприятий обычно бывают густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшимися в местах оседания капель серной кислоты. Пирометаллургические предприятия цветной и чёрной металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки миллионов тонн серного ангидрида. Наибольших концентраций сернистый газ достигает в северном полушарии, особенно над территорией США, зарубежной Европы, европейской части России, Украины. В южном полушарии оно ниже.

Мощные выбросы SO2 могут приводить к возникновению кислотных дождей и климатическим изменениям. Последствия выпадения кислотных дождей наблюдаются в США, Германии, Чехии, Словакии, Нидерландах, Швейцарии, Австралии, республиках бывшей Югославии и ещё во многих странах земного шара.
1.4. Неантропогенное происхождение SO2

К природным (естественным) источникам диоксида серы относятся:

  • Вулканы;

  • Лесные пожары;

  • Морская пена и микробиологические превращения серосодержащих соединений.

Выделяющийся в атмосферу диоксид серы может связываться известью, в результате чего в воздухе поддерживается его постоянная концентрация около 1 млн-1.

Диоксид серы (SO2) является одним из основных магматических газов, эманации которого сопровождают вулканические извержение. Доля вулканизма в общей массе выбросов SO2 невелика и составляет всего 14 тыс. килотонн в год. Для вулканизма характерно наличие двух основных механизмов дегазации диоксида серы:

  • Первый – дегазация при извержениях, в результате которых в атмосферу поступает от 500 до 4 000 килотонн SO2 в год. При этом происходит излияние лавы, выбросы пепла на высоту до 40 км за достаточно короткий период времени (часы или сутки);

  • Второй – пассивная вулканическая дегазация, которая является источником гораздо большего количества SO2 (от 5 000 до 10 000 килотонн в год). Этот тип вулканической активности характеризуется долгим временным периодом (недели-столетия), небольшой высотой дегазации (до 5 км над уровнем моря).

К примеру, за 2007 год вулканами Камчатки (Ключевской, Безымянный, Шивелуч, Карымский, Мутновский) было продуцировано в атмосферу более 150 килотонн диоксида серы (на основании измерений OMI SO2). [3]

Сжигание биомассы (в основном, лесные пожары) приводит к ежегодному поступлению в атмосферу около 2500 килотонн диоксида серы.

Экспериментальные данные и результаты исследований подтверждают, что средние суточные концентрации SO2 в атмосферном воздухе на территории Московской области значительно возрастают в период увеличения количества лесных пожаров. [7] Причём повышенные концентрации диоксида серы связаны с переносом загрязнений, происходящем на некоторой высоте над поверхностью земли, от региональных либо более удалённых источников.

На долю морской пены и микробиологических превращений серосодержащих соединений приходится примерно 18500 килотонн диоксида серы в год.

(Сравнение объёмов SO2, поступающего из антропогенных и неантропогенных источников - см. Приложение 2, табл. 1.1)

^ 2. МЕТОДЫ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ АТМОСФЕРЫ

Соотношение по крайней мере основных компонент в атмосферном воздухе - молекул азота, кислорода, водяного пара и др. - было известно давно. Уже во второй половине XIX в. в Европе производились измерения концентрации озона в приземном воздухе. В 1930-е годы английский ученый С.Чепмен открыл механизм формирования озона в чисто кислородной атмосфере, указав набор взаимодействий атомов и молекул кислорода, а также озона в отсутствие каких-либо других составляющих воздуха [8]. Однако в конце 50-х годов измерения, производимые, с помощью метеорологических ракет показали, что озона в стратосфере гораздо меньше, чем его должно быть согласно циклу реакций Чепмена. Хотя этот механизм и по сей день считается основополагающим, стало ясно, что существуют какие-то иные процессы, также активно участвующие в формировании атмосферного озона.

Чтобы проверить состоятельность имеющихся на тот момент гипотез, необходимо было выполнить немало задач.

Во-первых, было необходимо расширить лабораторные исследования, в ходе которых можно было бы определить или уточнить скорости протекания фотохимических реакций между различными компонентами атмосферного воздуха. Надо сказать, что существовавшие в то время весьма скудные данные об этих скоростях к тому же имели изрядную (до нескольких сот процентов) погрешность. Кроме того, условия, в которых производились измерения, как правило, мало соответствовали реалиям атмосферы, что серьезно усугубляло ошибку, поскольку интенсивность большинства реакций зависела от температуры, а иногда от давления или плотности атмосферного воздуха.

Во-вторых, требовалось усиленное изучение радиационно-оптических свойств ряда малых газов атмосферы в лабораторных условиях. Молекулы значительного числа составляющих атмосферного воздуха разрушаются ультрафиолетовым излучением Солнца (в реакциях фотолиза), среди них не только упомянутые выше хлорфторуглероды (ХФУ), но также молекулярный кислород, озон, оксиды азота и многие другие. Поэтому оценки параметров каждой реакции фотолиза были столь же необходимы и важны для правильного воспроизведения атмосферных химических процессов, как и скорости реакций между различными молекулами.

В-третьих, нужно было создавать математические модели, способные возможно более полно описывать взаимные химические превращения компонент атмосферного воздуха. Как уже упоминалось, продуктивность разрушения озона в каталитических циклах определяется тем, сколь долго пребывает в атмосфере катализатор (NO, Cl или какой-либо другой). Понятно, что такой катализатор, вообще-то говоря, мог вступить в реакцию с любой из десятков составляющих атмосферного воздуха, быстро разрушаясь при этом, и тогда ущерб стратосферному озону оказался бы значительно меньше, чем предполагалось. С другой стороны, когда в атмосфере ежесекундно происходит множество химических превращений, вполне вероятно выявление других механизмов, прямо или косвенно влияющих на образование и разрушение озона. Наконец, такие модели в состоянии выделить и оценить значимость отдельных реакций или их групп в формировании других газов, входящих в состав атмосферного воздуха, а также позволить вычислить концентрации газов, которые недоступны измерениям.

И, наконец, предстояло организовать широкую сеть для измерений содержания в воздухе различных газов, в том числе соединений азота, серы, хлора и др., используя с этой целью наземные станции, запуски метеозондов и метеоракет, полеты самолетов. Безусловно, создание базы данных было наиболее дорогостоящей задачей, которую невозможно решить в короткое время. Однако только измерения могли дать исходную точку для теоретических изысканий, будучи одновременно пробным камнем истинности высказанных гипотез.

С начала 70-х годов ХХ века, по крайней мере, раз в три года выходят специальные, постоянно пополняемые сборники, содержащие сведения обо всех значимых атмосферных реакциях, включая реакции фотолиза.

На вторую половину этого десятилетия приходится бурное развитие моделей, описывающих химические преобразования в атмосфере. Сперва это были боксовые (нульмерные), а потом и одномерные модели. Первые воспроизводили с разной степенью достоверности содержание основных атмосферных газов в заданном объеме - боксе (отсюда и их название) - в результате химических взаимодействий между ними. Поскольку постулировалось сохранение общей массы воздушной смеси, удаление какой-либо ее доли из бокса, например, ветром, не рассматривалось. Боксовые модели были удобны для выяснения роли отдельных реакций или их групп в процессах химических образований и разрушений газов атмосферы, для оценки чувствительности газового состава атмосферы к неточностям определения скоростей реакций. С их помощью исследователи могли, задав в боксе атмосферные параметры (в частности, температуру и плотность воздуха), соответствующие высоте полетов авиации, оценить в грубом приближении, как изменятся концентрации атмосферных примесей в результате выбросов продуктов сгорания двигателями самолетов. В то же время боксовые модели были непригодны для изучения проблемы хлорфторуглеводородов (ХФУ), так как не могли описать процесс их перемещения от земной поверхности в стратосферу. Вот здесь пригодились одномерные модели, которые совмещали в себе учет подробного описания химических взаимодействий в атмосфере и переноса примесей в вертикальном направлении. И хотя вертикальный перенос задавался и здесь достаточно грубо, использование одномерных моделей было заметным шагом вперед, поскольку они давали возможность как-то описать реальные явления.

Оглядываясь назад, можно сказать, что наши современные знания во многом базируются на огромной работе, проведенной в те годы с помощью несовершенных одномерных и боксовых моделей. Она позволила определить механизмы формирования газового состава атмосферы, оценить интенсивность химических источников и стоки отдельных газов. Важная особенность этого этапа развития атмосферной химии в том, что рождавшиеся новые идеи апробировались на моделях и широко обсуждались среди специалистов. Полученные результаты часто сравнивались с оценками других научных групп, поскольку натурных измерений было явно недостаточно, да и точность их была весьма низкой. Кроме того, для подтверждения правильности моделирования тех или иных химических взаимодействий было необходимо проводить комплексные измерения, когда одновременно определялись бы концентрации всех участвующих реагентов, что в то время было практически невозможно. Поэтому модельные исследования шли впереди экспериментальных, и теория не столько объясняла проведенные натурные наблюдения, сколько способствовала их оптимальному планированию. Например, такое соединение, как хлорный нитрат, сначала появилось в модельных исследованиях и только потом было обнаружено в атмосфере. Даже сравнивать имевшиеся измерения с модельными оценками было трудно, поскольку одномерная модель не могла учесть горизонтальных движений воздуха, из-за чего атмосфера предполагалась горизонтально однородной, а полученные модельные результаты соответствовали некоторому среднеглобальному ее состоянию. Однако в реальности состав воздуха над индустриальными регионами Европы или США сильно отличается от его состава над Австралией или над акваторией Тихого океана. Поэтому результаты любого натурного наблюдения в значительной мере зависят от места и времени проведения измерений и, конечно, не соответствуют в точности среднеглобальному значению.

Чтобы устранить этот пробел в моделировании, в 80-е годы исследователи создают двумерные модели, в которых наряду с вертикальным переносом учитывался и перенос воздуха вдоль меридиана (вдоль круга широты атмосфера по-прежнему считалась однородной). Создание таких моделей на первых порах было сопряжено со значительными трудностями.

Во-первых, резко возрастало количество внешних модельных параметров: в каждом узле сетки необходимо было задать скорости вертикального и межширотного переноса, температуру и плотность воздуха и т.д. Многие параметры (в первую очередь, вышеупомянутые скорости) не были надежно определены в экспериментах и поэтому подбирались из качественных соображений.

Во-вторых, состояние вычислительной техники того времени заметно сдерживало полноценное развитие двумерных моделей. В отличие от экономичных одномерных и тем более боксовых двумерные модели требовали существенно больших затрат памяти и времени ЭВМ. И в результате их создатели были вынуждены значительно упрощать схемы учета химических превращений в атмосфере. Тем не менее, комплекс атмосферных исследований, как модельных, так и натурных с использованием спутников, позволил нарисовать относительно стройную, хотя и далеко не полную картину состава атмосферы, а также установить основные причинно-следственные связи, вызывающие изменения содержания отдельных компонент воздуха. В частности, многочисленные исследования показали, что полеты самолетов в тропосфере не наносят сколь-нибудь существенного вреда тропосферному озону, однако их подъем в стратосферу, похоже, может иметь отрицательные последствия для озоносферы. Мнение большинства специалистов о роли ХФУ было почти единодушным: гипотеза Роуленда и Молина подтверждается, и эти вещества действительно способствуют разрушению стратосферного озона, а регулярный рост их промышленного производства - мина замедленного действия, так как распад ХФУ происходит не сразу, а спустя десятки и сотни лет, поэтому последствия загрязнения будут сказываться в атмосфере очень долго. Более того, долго сохраняясь, хлорфторуглеводороды могут достигнуть любой, самой удаленной точки атмосферы, и, следовательно, это - угроза глобального масштаба. Настало время согласованных политических решений.

В 1985 г. при участии 44 стран в Вене была разработана и принята конвенция по охране озонного слоя, стимулировавшая его всестороннее изучение. Теоретики снова оказались в центре внимания.

Д. Уэбблс из Ливерморской национальной лаборатории предложил использовать для этой цели озоноразрушающий потенциал, который показывал, насколько молекула вещества-заменителя сильнее (или слабее), чем молекула CFCl3 (фреона-11), воздействует на атмосферный озон. На тот момент также хорошо было известно, что температура приземного слоя воздуха существенно зависит от концентрации некоторых газовых примесей (их назвали парниковыми), в первую очередь углекислого газа CO2, водяного пара H2O, озона и др. К этой категории отнесли и ХФУ, и многие их потенциальные заменители. Измерения показали, что в ходе индустриальной революции среднегодовая глобальная температура приземного слоя воздуха росла и продолжает расти, и это свидетельствует о значительных и не всегда желательных изменениях климата Земли. Для того чтобы поставить эту ситуацию под контроль, вместе с озоноразрушающим потенциалом вещества стали также рассматривать его потенциал глобального потепления. Проведенные расчеты показали, что ХФУ и альтернативные вещества обладали весьма высокими потенциалами глобального потепления, но из-за того, что их концентрации в атмосфере были гораздо меньше концентрации CO2, H2O или O3, их суммарный вклад в глобальное потепление до некоторого времени оставался пренебрежимо малым.

Таблицы рассчитанных значений озоноразрушающих потенциалов и потенциалов глобального потепления хлорфторуглеводородов и их возможных заменителей легли в основу международных решений о сокращении и последующем запрещении производства и использования многих ХФУ (Монреальский протокол 1987 г. и более поздние дополнения к нему). Возможно, собравшиеся в Монреале эксперты не были бы столь единодушными (в конце концов, статьи Протокола основывались на не подтвержденных натурными экспериментами “измышлениях” теоретиков), но за подписание этого документа высказалось еще одно заинтересованное “лицо” - сама атмосфера.

Сообщение об обнаружении английскими учеными в конце 1985 г. “озонной дыры” над Антарктидой стало, не без участия журналистов, сенсацией года, а реакцию мировой общественности на это сообщение легче всего охарактеризовать одним коротким словом - шок. Одно дело, когда угроза разрушения озонного слоя существует лишь в отдаленной перспективе, другое - когда все мы поставлены перед свершившимся фактом. К этому не были готовы ни обыватели, ни политики, ни специалисты-теоретики.

Очень быстро выяснилось, что ни одна из существовавших тогда моделей не могла воспроизвести столь значительного сокращения содержания озона. Значит, какие-то важные природные явления либо не учитывались, либо недооценивались. Вскоре проведенные в рамках программы изучения антарктического феномена натурные исследования установили, что важную роль в формировании “озонной дыры”, наряду с обычными (газофазными) атмосферными реакциями, играют особенности переноса атмосферного воздуха в стратосфере Антарктики (ее почти полная изоляция зимой от остальной атмосферы), а также в ту пору мало изученные гетерогенные реакции (реакции на поверхности атмосферных аэрозолей - частиц пыли, сажи, льдинок, капель воды и т.д.). Только учет вышеупомянутых факторов позволил добиться удовлетворительного согласования модельных результатов с данными наблюдений. А уроки, преподанные антарктической “озонной дырой”, серьезно сказались на дальнейшем развитии атмосферной химии.

Во-первых, был дан резкий толчок к детальному изучению гетерогенных процессов, протекающих по законам, отличным от тех, которые определяют процессы газофазные. Во-вторых, пришло ясное осознание того, что в сложной системе, каковой является атмосфера, поведение ее элементов зависит от целого комплекса внутренних связей. Другими словами, содержание газов в атмосфере определяется не только интенсивностью протекания химических процессов, но и температурой воздуха, переносом воздушных масс, особенностями загрязнения аэрозолями различных частей атмосферы и пр. В свою очередь радиационные нагрев и выхолаживание, формирующие поле температуры стратосферного воздуха, зависят от концентрации и распределения в пространстве парниковых газов, а, следовательно, и от атмосферных динамических процессов. Наконец, неоднородный радиационный нагрев разных поясов земного шара и частей атмосферы порождает движения атмосферного воздуха и контролирует их интенсивность. Таким образом, неучет каких-либо обратных связей в моделях может быть чреват большими ошибками в полученных результатах (хотя, заметим попутно, и чрезмерное усложнение модели без насущной необходимости столь же нецелесообразно, как стрельба из пушек по известным представителям пернатых).

Если взаимосвязь температуры воздуха и его газового состава учитывалась в двумерных моделях еще в 80-е годы, то привлечение трехмерных моделей общей циркуляции атмосферы для описания распределения атмосферных примесей стало возможным благодаря компьютерному буму только в 90-е. Первые такие модели общей циркуляции использовались для описания пространственного распределения химически пассивных веществ - трассеров. Позже из-за недостаточной оперативной памяти компьютеров химические процессы задавались только одним параметром - временем пребывания примеси в атмосфере, и лишь относительно недавно блоки химических превращений стали полноправными частями трехмерных моделей. И хотя до сих пор сохраняются трудности подробного представления атмосферных химических процессов в трехмерных моделях, сегодня они уже не кажутся непреодолимыми, и лучшие трехмерные модели включают в себя сотни химических реакций, наряду с реальным климатическим переносом воздуха в глобальной атмосфере.

В то же время, широкое применение современных моделей вовсе не ставит под сомнение полезность более простых, о которых говорилось выше. Хорошо известно, чем сложнее модель, тем труднее отделить “сигнал” от “модельного шума”, анализировать полученные результаты, выделить главные причинно-следственные механизмы, оценить влияние на конечный результат тех или иных явлений (а значит, и целесообразности их учета в модели). И здесь более простые модели служат идеальным испытательным полигоном, они позволяют получить предварительные оценки, в дальнейшем используемые в трехмерных моделях, изучить новые природные явления до их включения в более сложные и т.д.

Бурный научно-технический прогресс породил еще несколько направлений исследований, так или иначе связанных с атмосферной химией.

Оценка интенсивности источников важнейших компонент воздуха. Систематические измерения в приземном воздухе содержания газов, таких, как метан, оксид углерода, оксиды азота, стали основой для решения обратной задачи: оценки размера выбросов в атмосферу газов, имеющих наземные источники, по их известным концентрациям. К сожалению, лишь инвентаризация виновников вселенского переполоха - ХФУ - является относительно простой задачей, так как почти все эти вещества не имеют естественных источников и общее их количество, поступившее в атмосферу, ограничивается объемом их производства. Остальные газы имеют разнородные и сравнимые по мощности источники. Например, источник метана - переувлажненные территории, болота, нефтяные скважины, угольные шахты; это соединение выделяется колониями термитов и даже является продуктом жизнедеятельности крупного рогатого скота. Оксид углерода попадает в атмосферу в составе выхлопных газов, в результате сжигания топлива, а также при окислении метана и многих органических соединений. Трудно осуществить прямые измерения выбросов этих газов, но разработаны методики, позволяющие давать оценки глобальных источников газов-загрязнителей, погрешность которых в последние годы значительно сократилась, хотя и остается большой.
2.1. Классификация методов мониторинга

Современные методы мониторинга газового состава атмосферы условно можно разделить на наземные (включающие в себя дистанционные методы и отборы проб), аэрометоды и космические (или спутниковые) методы.

^ Табл. 2.1. Методы мониторинга.
  1   2   3   4



Скачать файл (3157 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru