ВУЗ: Белорусский государственный медицинский университет
Категория: Ответы на вопросы
Дисциплина: Медицина
Добавлен: 17.02.2019
Просмотров: 19212
Скачиваний: 30
Если зимой фактическая концентрация сажи составляла 0,141 мг/м3, а серы диоксида — 1,500 мг/м3, то летом их содержание в атмосферном воздухе уменьшилось в 2 и 11 раз соответственно. Установлено, что в холодное время года в дальний перенос вовлекается больше соединений серы, чем в теплое. Продолжительность пребывания их зимой возрастает в 1,5 раза, а скорость трансформации увеличивается летом в 2,5 раза. Величина выброса атмосферных загрязнений изменяется и в течение суток. Концентрация их ночью ниже, чем утром, в 5—10 раз. То, что максимальная концентрация углерода оксида, диоксида и других наиболее распространенных в воздушной среде населенных мест ингредиентов наблюдается именно днем, объясняется увеличением интенсивности выбросов промышленными предприятиями и транспортом в это время суток. Резко отражаются на абсолютной величине выброса и изменения в работе пылегазоочистных установок. Так, при снижении коэффициента очистки с 99,8 до 99,2 выброс увеличивается в 4 раза. Объем выброса может изменяться также при переходе на другой вид топлива и технологию сжигания. Использование многозольного и многосернистого топлива приводит к увеличению выбросов золы, серы диоксида и других ингредиентов.
При одинаковом абсолютном выбросе степень загрязнения атмосферного воздуха в населенных пунктах может значительно изменяться в зависимости от высоты выброса. Различают высокие (Н > 50 м), средние (Н = 10—50 м), низкие (Н = 2—10 м) и наземные (Н < 2 м) источники выбросов. На основании фундаментальных исследований, было установлено: чем выше источник выброса, тем больше сечение дымового факела в точке касания его поверхности земли и во всех точках, больше скорость ветра, интенсивнее процессы турбулентности, а также меньше концентрация примесей. Изменение сечения дымового факела определяется величиной раскрытия его угла.
Степень разбавления выброса атмосферным воздухом зависит и от расстояния, которое проходит ГВС до определенной точки. Чем дальше относится дым от места выброса, тем больше сечение факела. Хлорорганические пестициды распространяются в радиусе 600 м от складов хранения. Их концентрация уменьшается в атмосферном воздухе по мере удаления. При увеличении расстояния в 6 раз максимальное содержание этих веществ в атмосферном воздухе уменьшается в 11 раз, а на расстоянии 700— 1000 м они не определяются. Такая же закономерность характерна и для рассеивания фосфорорганических пестицидов. Но, в отличие от хлорорганических пестицидов, они распространяются в радиусе 900 м. На основании проведенных исследований была рекомендована СЗЗ для таких складов размером не менее 1000 м.
В реальных условиях концентрация веществ, загрязняющих атмосферный воздух, снижается медленнее, так как дымовой факел, касаясь земли, деформируется, сечение его увеличивается меньшей степени, чем квадрат расстояния. Значение этой поправки возрастает по мере удаления ГВС от источника выброса. Вот почему концентрация атмосферных загрязнений в воздухе снижается медленно. Эти данные имеют важное значение для обоснования размера СЗЗ промышленных предприятий. Экспериментально установлено, что от предприятий строительной промышленности и машиностроения наибольшие концентрации примесей в атмосферном воздухе наблюдаются на расстоянии до 1 км. Крупные химические и металлургические предприятия создают максимум загрязнения в радиусе 2—4 км. Многочисленные газовые и дымовые факелы на территории города могут перекрываться, образуя большие зоны повышенного загрязнения воздуха. Это необходимо учитывать при обосновании фоновых концентраций.
Конусообразный факел наблюдается при безразличной устойчивости атмосферы, когда превалирует механическая турбулентность, а небо затянуто облаками днем и ночью. Половина угла факела составляет почти 10°. Большая часть загрязнений переносится ветром на значительные расстояния, прежде чем достигнет уровня земли.
Волнообразный факел наблюдается в условиях сильной конвективной турбулентности и является следствием сверхадиабатического вертикального градиента температуры, который приводит к значительной неустойчивости атмосферы. Характерен для ясных дней, когда земная поверхность нагревается солнечными лучами. Тепловые вихри могут быть достаточно сильными, чтобы переносить выбросы вниз до уровня земли за короткое время. Хотя здесь наблюдается тенденция к рассеиванию примесей в большом объеме, в отдельных участках приземного слоя концентрация их может быть значительной.
Нитевидный факел наблюдается при условии большого отрицательного градиента температуры, образования инверсии над трубой. Механическая турбулентность выражена слабо. Если плотность ГВС незначительно отличается от плотности воздуха, примеси перемещаются в направлении ветра приблизительно на одинаковой высоте. Чаще бывает в ясные ночи, когда земля охлаждается, излучая тепло. Земной поверхности достигает лишь небольшое количество летучих веществ.
Задымляющий факел наблюдается в том случае, если устойчивый слой воздуха находится на небольшом расстоянии, над точкой выброса, а неустойчивый — ниже выброса. Температурный профиль, способствующий образованию задымления, формируется рано утром. Утреннее солнце нагревает землю, развивается отрицательный температурный градиент в направлении от поверхности земли. Когда неустойчивый слой достигает высоты трубы, большие объемы выброса из нее переносятся в направлении ветра к поверхности земли. Это длится не более получаса. Но в течение этого времени приземная концентрация может достигать относительно высоких значений.
Задымлению способствуют ясное небо и слабый ветер. Чаще всего такие условия создаются летом.
Приподнятый факел появляется в то время, когда слой инверсии находится ниже выброса. Формируется в полдень и на рассвете при ясном небе. В течение суток под действием солнечных лучей отрицательный температурный градиент развивается во всем нижнем слое атмосферы. Тепло, излучаемое поверхностью земли после полудня, способствует образованию приземной инверсии. Когда слой инверсии углубляется, приподнятая струя ГВС переходит в нитевидный факел. При таких условиях загрязнения рассеиваются во время перемещения примесей в направлении ветра, и значительной приземной концентрации не наблюдается.
Большое значение в формировании загрязнения воздушного бассейна в городе имеет направление ветра. При относительно равномерном размещении промышленных объектов на территории населенного пункта зона повышенного содержания ингредиентов смещается в подветренную сторону. Строительство промышленных объектов даже за чертой города по отношению к жилым кварталам без учета розы ветров может привести к тому, что выбросы будут переноситься в сторону города. Особенно большую роль играет направление ветра в городах, которые имеют вытянутую форму. Если вытянутость города совпадает с преобладающим направлением ветра, то имеет место наложение факелов выбросов от различных источников с образованием зоны повышенного загрязнения в подветренной части города. Поэтому при осуществлении предупредительного государственного санитарного надзора промышленные объекты необходимо размещать в направлении, исключающем возможность создания неблагоприятной экологической ситуации. Установлено, что для одиночных источников выбросов максимум концентрации атмосферных загрязнений наблюдается при направлении ветра, вдоль этих источников, а если имеется группа параллельно расположенных источников, та неблагоприятным оказывается ветер, направленный перпендикулярно к ним.
Если бы уровень загрязнения атмосферного воздуха зависел только от величины выброса и направления ветра, то он не изменялся бы при постоянном выбросе и одном и том же направлении ветра. Однако в реальных условиях атмосферный цикл начинается с выброса примесей в воздух, после чего они
переносятся ветром и разбавляются воздухом. В этом процессе играет роль скорость ветра. Установлено, что наибольшая концентрация примесей в приземном слое атмосферного воздуха образуется при определенной скорости ветра, которую называют опасной. Значение ее зависит от типа источника
По температуре выходящей ГВС выбросы подразделяют на: очень нагретые , умеренно нагретые , слабо нагретые, изотермические и холодные. Подъем горячих потоков ГВС в основном обусловлен тем, что температура выходящих газов выше температуры воздуха. При распространении потока ГВС в направлении ветра разбавление струи вдоль оси пропорционально средней скорости ветра на высоту потока. Чтобы предупредить отклонение потока вниз, вблизи горловины трубы скорость выбросов ГВС должна быть достаточно большой. Нисходящее движение потока от горловины трубы будет минимальным, если скорость выброса ГВС будет вдвое превышать скорость ветра на уровне горловины трубы. Наряду с этим установлено, что при низких выбросах повышенный уровень загрязнения воздуха определяется при слабом ветре (0—1 м/с) за счет накопления примесей в приземном слое атмосферного воздуха. При такой скорости ветра концентрация примесей на 30—70% выше, чем при других его скоростях. При высоких выбросах повышенный уровень загрязнения воздуха определяется при скорости ветра в пределах 4—6 м/с. В современных промышленных центрах наблюдается два пика концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе в зависимости от скорости ветра. Первый пик характерен для низких выбросов и обусловлен выхлопными газами автотранспорта. Второй пик характерен для высоких выбросов. Он обусловлен выбросами крупных промышленных предприятий.
Следующим фактором, который играет определенную роль в рассеивании примесей в атмосферном воздухе, является температурная стратификация, или распределение температуры по высоте. Атмосфера — это термодинамическая система, в которой вертикальное перемещение воздушных масс при определенных условиях может рассматриваться как адиабатический процесс. При этом каждая масса, поднимающаяся вверх, будет охлаждаться, а опускаясь, — нагреваться. Во время подъема массы воздуха атмосферное давление уменьшается, объем массы воздуха увеличивается, а температура снижается. Во время опускания массы воздуха ее объем уменьшается, а температура повышается.
Изменение температуры воздуха на каждые 100 м подъема, выраженной в градусах Цельсия, называется вертикальным температурным градиентом. Величина вертикального температурного градиента колеблется. В летний период она приближается к 1 °С, а в холодный — снижается до десятых долей и минусовых величин. Международная стандартная атмосфера определена на основании усредненных метеорологических данных. Усредненная температура в средних широтах уменьшается линейно на высоте до ~ 10,8 км. При этом средняя температура на высоте 10,8 км составляет 288 К. Стандартный, или нормальный, температурный градиент равен 0,66 °С/100 м.
Рис. 5. Безразличное состояние атмосферы
Рис. 6. Неустойчивое состояние атмосферы:
1 — сверхадиабатический градиент; 2 — сухоадиабатический градиент
Рис. 7. Устойчивое состояние атмосферы:
1 — ниже адиабатического градиента; 2 — сухоадиабатический градиент
Изменение температуры воздуха на 1 °С на каждые 100 м вертикального слоя воздуха соответствует сухоадиабатическому градиенту. Сухоадиабатический вертикальный температурный градиент (минусовый температурный градиент) является индикатором устойчивости атмосферы (способности атмосферы препятствовать вертикальным движениям и сдерживать турбулентность). Исходя из представления о сухоадиабатическом температурном градиенте и фактических изменениях температуры по вертикали, определяют три типичных состояния атмосферы: безразличное (рис. 5), неусточивое (рис. 6) и устойчивое (рис. 7).
При безразличном (нейтральном) состоянии атмосферы вертикальный температурный градиент примерно равен сухоадиабатическому вертикальному. И любой объем воздуха, перемещающийся вверх или вниз, будет иметь такие же свойства (плотность, температуру в °С), как и масса воздуха, его окружающая.
При неустойчивом состоянии атмосферы (конвективном, сверхадиабатическом) вертикальный температурный градиент больше сухоадиабатического. Это означает, что вертикальный температурный градиент более отрицательный, чем сухоадиабатический вертикальный температурный градиент. Такое состояние бывает в том случае, если поверхность почвы сильно нагрета солнцем. Нагретые конвективные потоки поднимаются на значительную высоту, а холодные плотные массы опускаются вниз. В этом случае каждый объем воздуха, который опускается, будет холоднее и тяжелее, чем окружающая его среда, и поэтому будет продолжаться его движение вниз. И, наоборот, поднимаясь, воздух становится теплее и легче окружающей его среды, и поэтому будет продолжаться его движение вверх.
При устойчивом состоянии атмосферы вертикальный градиент атмосферного воздуха меньше сухоадиабатического вертикального градиента. При этом объем воздуха, перемещающегося в вертикальном направлении, будет пытаться вернуться в начальное положение и наоборот. Когда с увеличением высоты температура повышается, градиент температуры отрицательный и атмосферные условия определяются как инверсия. Наличие инверсии уменьшает вертикальное перемешивание загрязнений, что приводит к увеличению их концентрации в приземном слое атмосферного воздуха.
На степень загрязнения атмосферного воздуха влияют облачность, туманы, радиационный режим и осадки. Так, облачность, особенно низкая, препятствует турбулентному обмену в атмосфере и способствует появлению продолжительной инверсии, при которой количество примесей в воздухе увеличивается от 10 до 60% . При поглощении примесей влагой могут образоваться более токсичные вещества. Например, происходит окисление серы диоксида до серной кислоты. При этом возрастает массовая концентрация примеси, так как вместо 1 г серы диоксида образуется 1,5 г серной кислоты. Во время тумана концентрация загрязнений увеличивается на 40—110% по сравнению с наблюдающейся до тумана. Под влиянием солнечной радиации происходят фотохимические реакции и образуются вторичные продукты загрязнения атмосферы, которые могут быть токсичнее веществ, поступающих из источников выброса.
Влияние неровностей местности на уровень приземной концентрации связано с изменением характера движения воздуха, что приводит к изменению поля концентраций. В низинах наблюдаются явления застоя воздуха, что повышает опасность накопления загрязнений. При высоте отметок 50—100 м с углом наклона 5—6° отличие максимальных концентраций может достигать 50% при относительно невысоких трубах. Влияние рельефа уменьшается с повышением высоты выброса. Большое значение имеет расположение источника на подветренном или наветренном склоне. Увеличение концентрации может наблюдаться и при расположении источника выброса на возвышенности, но вблизи подветренного склона, где снижаются, скорости ветра и возникают нисходящие течения.
Влияние неровностей местности на характер движения воздуха настолько сложно, что требует иногда моделирования условий с целью определения характера распространения промышленных выбросов. В настоящее время имеются предложения по введению коэффициентов, учитывающих влияние рельефа на рассеивание выбросов.
Падение концентраций атмосферных загрязнений происходит вследствие не только разбавления выброса воздухом, но и постепенного самоочищения атмосферы. В основе самоочищения лежат различные физические, физико-химические и химические процессы. Прежде всего необходимо указать на процессы седиментации. Выпадение взвешенных веществ из атмосферного воздуха— общеизвестный факт. Однако этот положительный с точки зрения чистоты атмосферы процесс причиняет большие неприятности населению, проживающему вблизи мест выброса, так как оседающая пыль сильно загрязняет здания, оконные стекла, домашнюю обстановку и т. п. Процесс седиментации быстро освобождает атмосферу только от грубых частиц. Дальнейшее самоочищение атмосферы за счет седиментации происходит крайне медленно. Следует учесть также, что для последних десятилетий характерны переход от слоевого сжигания топлива к пылеугольному и повышение в результате этого дисперсности уноса. Еще в большей степени сказанное относится к газообразным загрязнениям атмосферы. Процесс нейтрализации и связывания газов в открытой атмосфере имеет место, однако средний срок «жизни» в атмосфере газообразных соединений достаточно длителен, например для сернистого газа он составляет 1 сут.
Определенную роль в освобождении атмосферы от загрязнений играет зеленая растительность вследствие как механической сорбции на поверхности, так и химического связывания некоторых соединений. Процессы самоочищения атмосферы находятся в известной зависимости от количества и интенсивности атмосферных осадков. Освобождение атмосферного воздуха от загрязнений при выпадении осадков в зимнее время интенсивнее, чем в летнее.
Таким образом, процессы самоочищения атмосферы, несомненно, имеют место в естестеенных условиях играют определенную роль в освобождении ее от загрязнений. Однако" самоочищение идет крайне медленно. Если бы процессы самоочищения протекали быстро, то накопления больших количеств загрязнений в период антициклонов и температурной инверсии не происходило бы, не наблюдались бы переносы загрязнений на большие расстояния, а также случаи массовых отравлений населения. Поэтому в санитарной практике мы должны рассчитывать не на самоочищение атмосферы, а на активные меры ее защиты и прежде всего на снижение выбросов в атмосферу.