2.9 Аэрозольное загрязнение атмосферы

Аэрозоли - это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Твердые компоненты аэрозолей в ряде случаев особенно опасны для организмов, а у людей вызывают специфические заболевания. В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или дымки. Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с водяным паром. Средний размер аэрозольных частиц составляет 11-51мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает около 11 куб.км. 0пылевидныхчастиц искусственного происхождения. Большое количество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельности людей.

Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще всего в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода, реже - оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест. Еще большее разнообразие свойственно органической пыли включающей алифатические и ароматические углеводороды, соли кислот. Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях.

Постоянными источниками аэрозольного загрязнения являются промышленные отвалы - искусственные насыпи из переотложенного материала, преимущественно вскрышных пород, образуемых при добыче полезных ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности, ТЭС.

Прозрачность атмосферы зависит главным образом от содержания в ней аэрозолей (пыль, дым, туман). Ухудшение прозрачности способствует созданию помех авиации, судоходству, нередко является причиной крупных транспортных аварий.

Пыль - один из наиболее распространенных загрязнителей атмосферы. Она оказывает вредное воздействие на живые организмы, растительный мир, ускоряет разрушение металлоконструкций, зданий, сооружений и имеет ряд других отрицательных последствий. Пыль включает в себя твердые аэрозоли, которые образуются в процессе выветривания земной породы, лесных пожаров, вулканических извержений, промышленных выбросов. Промышленная пыль - одна из основных составляющих. Ее содержание в воздухе определяется состоянием индустрии и транспорта. Уже сейчас во многих городах мира сложилась опасная ситуация, которая прямым образом воздействует на человека и его здоровье.

Взаимодействие аэрозолей с объектами техносферы. В зависимости от агрегатного состояния дисперсной фазы различают: туманы – аэрозоли с жидкой дисперсной фазой, дымы, пыли – аэрозоли с твердой дисперсной фазой; смоги – аэрозоли со смешанной дисперсной фазой.

Размеры частиц дисперсной фазы аэрозолей в соответствии с классификацией дисперсных систем колеблются в пределах от 10-7 до 10-9м. Но очень часто к аэрозолям относят и грубодисперсные системы с размерами частиц от 10-4 до 10-6 м.

Как и другие дисперсные системы, аэрозоли получают двумя методами: конденсационными и диспергационными. В конденсационном методе дисперсную фазу получают из парообразной путем физического процесса конденсации молекул до частиц коллоидного размера. Например, пар высокой концентрации охлаждается при разбавлении его холодным газом или при быстром расширении. Некоторые аэрозоли могут быть получены в результате химических реакций:

НСl (г) + NН3 (г) > NН4Сl (г) (40)

Н2О (г) + SО3 (г) > Н2SО4 (ж) (41)

Очень часто конденсационным методом получают аэрозоли в результате реакций горения (например, используемые в медицине «курительные сборы»).

Аэрозоли обладают способностью рассеивать свет. В них наблюдается конус Тиндаля. Из-за большей разницы в показателях преломления дисперсной фазы и дисперсионной среды интенсивность светорассеивания в аэрозолях больше, чем у лиозолей (лиозоль - дисперсная система, в которой твердые частицы с размером 10-5…10-7 см распределены в жидкой непрерывной среде). Этот факт используют для образования маскировочных дымовых завес.

Аэрозоли можно классифицировать по происхождению на две большие группы: естественные и антропогенные.

Аэрозоли естественного происхождения образуются в процессе вулканической деятельности, при сгорании метеоритов в верхних слоях атмосферы, в результате пылевых и песчаных бурь, лесных пожаров, разбрызгивания морской воды (морской аэрозоль), за счет жизнедеятельности растительного и животного мира.

Возникновение аэрозолей антропогенного происхождения обусловлено промышленной и хозяйственной деятельностью человека.

Аэрозольные частицы классифицируют также и по размеру частиц:

- частицы размером порядка 10-7 см называют частицами (или ядрами) Айткена. Такие частицы в значительной степени подвержены броуновскому движению. Частицы столь малых размеров очень быстро коагулируют с частицами больших размеров. Ядра Айткена формируют электрические поля в атмосфере;

- частицы размером порядка 10-6 см более стабильны, для них коагуляция при атмосферных условиях протекает достаточно медленно;

- частицы размером около 10-5 см называют «большими». На такие аэрозоли одинаково слабое воздействие оказывают как броуновское движение, так и гравитационное осаждение. Частицы таких размеров характеризуются наибольшим временем жизни в атмосфере;

- частицы размером около 10-4 см оседают под действием силы тяжести со средней скоростью 0,02 см/с, что составляет более 17 м в сутки. Скорость оседания частиц таких размеров возрастает пропорционально квадрату радиуса частицы;

- частицы размером порядка 10-3 см участвуют в образовании облаков; скорость оседания такой частицы при нормальных условиях составляет 2 см/с. Частицы таких размеров можно увидеть невооруженным глазом на контрастной поверхности;

- размер 10-2 см соответствует размеру капель измороси. Такие частицы оседают со скоростью 100 см/с. Частицы такого размера характерны также и для морских аэрозолей, но по причине высокой скорости оседания практически не наблюдаются далеко от источника образования. В хорошую погоду частицы таких размеров в атмосфере присутствуют крайне редко и в незначительных количествах;

- размер 10-1 см соответствует размеру дождевых капель. В атмосфере в год образуется приблизительно 4·1022 дождевых капель, что составляет 10 капель на 1 см2 поверхности Земли;

- жидких аэрозолей размером 1 см не наблюдается, поскольку крупные капли дождя из-за гидродинамических эффектов разбиваются до диаметра 0,5 см. Тем не менее, град и снежинки могут достигать таких размеров;

- 10 см - верхний предел размеров атмосферных частиц, хотя некоторые из них (например, частицы пепла при извержении вулканов) могут достигать и больших размеров.

Химический состав атмосферных аэрозолей достаточно разнообразен: они образуются органическими и неорганическими веществами, как гигроскопичными, так и нерастворимыми в воде. Большую часть аэрозольного вещества (70…80%) составляют нерастворимые в воде минеральные и органические соединения. Органические вещества в своем большинстве представляют собой продукты неполного сгорания углеводородного топлива. Их содержание оценивается в 20…25 мкг/м3, но существует и их естественный фон (3…6 мкг/м3) за счет веществ, выделяемых растениями. Некоторые химические элементы в атмосферных аэрозолях, такие как Si, Са, Аl, Fе, Мg могут иметь как естественное, так и антропогенное происхождение, в то время как РЬ, Мn, Zn и некоторые другие являются типичными продуктами производственной деятельности человека