2390

теплотехники. Во многих случаях управление работой автомобильных двигателей или объектов промышленной теплотехники осуществляется таким образом, чтобы обеспечить требуемый компромисс между их энергетическими, экономическими и экологическими показателями. Во многих случаях достигаемый таким путем уровень экологических показателей превышает разрешенный современными нормами. Поэтому большое значение приобрела нейтрализация и очистка продуктов сгорания перед их выходом в атмосферу. С этой целью используются различные нейтрализаторы и фильтры. Одновременно улучшается состав углеводородных топлив (уменьшение содержания серы, свинца, ароматических углеводородов), расширяется использование газовых топлив. В перспективе применение в качестве топлива водорода полностью исключит содержание в продуктах сгорания СО, СН и других токсичных углеродсодержащих компонентов.

4.2. Воздействие токсичных выбросов на человека и окружающую среду

Для оценки воздействия выбросов принято сравнивать их фактические концентрации с предельно допустимыми (максимально разовыми, среднесуточными или среднегодовыми). Современные представления о допустимых уровнях загрязнения атмосферного воздуха, воды или ландшафта основаны на сведениях о негативном воздействии вредных веществ на здоровье людей и животных, на растительность и материальные ценности.

Токсичные компоненты вредных выбросов непосредственно воздействуют на население, животных, растительность, которые находятся в непосредственной близости от источника выбросов.

На основании многочисленных эпидемиологических и токсикологических исследований установлено, что воздействие каждого из вредных компонентов ведет к определенным негативным последствиям.

По характеру действия загрязняющих веществ на окружающую среду можно выделить хроническое неспецифическое (провоцирующее) влияние загрязнения, а также специфическое действие, когда загрязнитель играет роль этиологического фактора.

Это влияние определяется следующими симптомами и признаками. Оксид углерода СО (время жизни в атмосфере 2...42 мес.) воздействует на нервную систему, вызывает обмороки, так как вступает в реакцию с гемоглобином крови, замещая кислород. В зависимости от концентрации СО в воздухе и времени действия степень поражения организма может су-

щественно различаться.

229

Связанный гемоглобином СО постепенно выделяется в кровь, которая у здорового человека очищается от СО на 50 % каждые 3...4 ч.

Воздействие СО на центральную нервную систему проявляется в изменении цветовой и световой чувствительности глаз – возрастает вероятность аварий. Максимально-разовая ПДК этого вещества в населенных пунктах составляет 3 мг/м3, в США – 10 мг/м3 за 8 ч воздействия.

В атмосфере над автомагистралями и прилегающих территориях из оксидов азота встречаются в основном NO и NO2.

NO является неустойчивым компонентом, который в течение от 0,5…3 до 100 ч (зависит от концентрации в воздухе) окисляется до NO2. Токсичность NO2 в 7 раз выше токсичности NO.

На организм человека NO2 действует как острый раздражитель при концентрации 15 мг/м3 и может вызвать отек легких при концентрации 200...300 мг/м3. Реагируя с атмосферной влагой, оксиды азота образуют азотную кислоту, вызывающую коррозию металлов, уничтожение растительности и т.д.

Наибольшую опасность оксиды азота представляют как активный компонент при образовании фотохимического смога. Максимальноразовая концентрация оксидов азота в атмосфере населенных пунктов - 0,085 мг/м3.

Газообразные низкомолекулярные углеводороды оказывают нар-

котическое действие на организм человека, вызывая состояние эйфории, что увеличивает вероятность ДТП. Токсичность их возрастает при наличии в воздухе других загрязнений, которые в совокупности под действием солнечной радиации образуют фотохимические оксиданты смога. Максималь- но-разовая ПДК составляет 5 мг/мл.

Полициклические ароматические углеводороды, содержащиеся в вы-

бросах двигателей, являются канцерогенными, из которых наибольшей активностью обладает бензопирен С20Н12, содержащийся в отработанных газах дизелей. ПДК составляет 0,1 мкг/100 м3 воздуха.

Сажа, содержащаяся в отработанных газах, обладает большей токсичностью, чем обычная пыль. На поверхности частиц сажи адсорбируются канцерогенные вещества.

Размеры частиц составляют 0,19...0,54 мкм в диаметре и могут достигать альвеол легких или откладываться в носовых пазухах, трахеях или бронхах.

Оксиды серы при малых концентрациях (0,001 %) вызывают раздражение дыхательных путей, при концентрации 0,01 % происходит отравление людей за несколько минут. Наличие в атмосфере сернистых газов препятствует фотосинтезу растений, неблагоприятно воздействует на дыхательные пути человека. При концентрации SO2 в воздухе более 0,9 мг/м3

230

происходит изменение процессов фотосинтеза растений; через 5... 10 дней хвоя сосны, ели начинает рыжеть и преждевременно опадает. Установлено, что смесь SO2 и СО при длительном воздействии вызывает нарушение генетической функции организма. ПДК в рабочей зоне составляет 10 мг/м3.

Соединения свинца приводят к возникновению головной боли, утомлению, нарушению сна, ферментативной активности белков живых организмов. ПДК среднесуточная составляет 0,0003 мг/м3. Свинец накапливается в организме и может вызвать тяжелые расстройства нервной и кровеносной систем.

Действие некоторых токсичных веществ отработанных газов на человека приведено в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Содержание примесей в воздухе, мг/м3, и эффекты воздействия на человека

Если городские жители в течение длительного времени находятся вблизи источников выброса вредных веществ и подвергаются их воздействию, это может вызвать отмеченные выше негативные последствия.

Негативное воздействие вредных выбросов на человека проявляется и через питьевую воду, и продукты питания. Приводят к ухудшению здоровья шум и электромагнитные излучения.

Обобщая приведенные материалы, можно качественно установить вредное влияние вредных выбросов при загрязнении атмосферы на состояние здоровья населения (табл. 4.2).

Начиная с 2...4 ПДК в состоянии здоровья людей наблюдаются сдвиги, регистрируемые функциональными методами исследований, но рост заболеваемости населения, как правило, не наблюдается. При более 5 ПДК рост заболеваемости населения уже отражается в данных официальной статистики.

231

Таблица 4.2

Состояние здоровья населения в зависимости от загрязнения атмосферного воздуха

Аналогичные шкалы установлены для оценки заболеваемости от уровня загрязнения водоемов (табл. 4.3) почв (табл. 4.4), а также уровня шума (табл. 4.5).

Таблица 4.3

Оценочная шкала возможного влияния загрязнения вредных объектов на здоровье населения

При высокой степени загрязнения (индекс 2 табл. 4.3) заметно ухудшается здоровье населения, что предполагает запрет использования водоема для всех видов недопотребления.

Методы очистки сточных вод: механические, физико-химические, биологические.

Процент теоретического снижения уровня здоровья населения, обусловленный воздействием вредных веществ, может быть определен по формуле

где R – снижение значений показателей здоровья в долях от уровня порогового загрязнения; Ро, Р – соответственно теоретический и фактический (прогнозный) уровни загрязнения.

232

Таблица 4.4

Оценочная шкала влияния содержания химических веществ в почве на здоровье населения

Таблица 4.5

Показатель заболеваемости населения, % в зависимости от уровня транспортного шума

Наиболее информативными показателями здоровья населения в отношении влияния факторов окружающей среды являются: заболеваемость, физическое развитие (детей и подростков), функциональное состояние организма, которое характеризуется состоянием сердечно-сосудистой системы, зрительно-опорной реакции, функции внешнего дыхания.

На физическое развитие детей (рост, масса, окружность грудной клетки) не влияют атмосферные загрязнения. Аналогичные результаты дали исследования функционального состояния сердечно-сосудистой системы (частота пульса, величина артериального давления).

С ростом уровня загрязнения наблюдается некоторое увеличение зрительно-моторной реакции (отражает усиление тормозных процессов в коре больших полушарий), а также изменение функции внешнего дыхания (повышение частоты дыхания, изменение длительного и минутного объема в связи с наличием химических раздражителей во вдыхаемом воздухе).

Наибольшее влияние загрязнение оказывает на частоту обращения населения за медицинской помощью (табл. 4.6). Контингенты населения,

233

здоровье которых изучалось, подбирались с примерно одинаковыми биологическими и социальными признаками.

Таблица 4.6

Динамика заболеваемости населения (ед./1000 жителей) и концентрация в воздухе вредных выбросов по г. С.-Петербургу, мг/м3

Примечание. Числитель/знаменатель равно среднесуточные/максимально - разовые концентрации.

Обработка данных, приведенных в табл. 4.6, позволила установить зависимости уровня заболеваемости населения от концентраций вредных выбросов в атмосферном воздухе.

Для пыли:

Здесь 3 – уровень заболеваемости, ед./1000 жителей; Xм, Хср – соответственно максимальные разовые и среднесуточные концентрации, мг/м3.

Воздействие компонентов отработавших газов на растительность дано в табл. 4.7.

234

Таблица 4.7

Характер воздействия компонентов отработанных газов на растительность

4.3. Теплообмен в атмосфере и на поверхности Земли при солнечном излучении

Солнечное излучение представляет собой колоссальный источник энергии с плотностью порядка 7,4·1011 Вт/м2. Солнце можно представить в виде абсолютно черного круглого диска, излучающего при температуре ~ 6000К. Солнечное излучение распределяется примерно поровну на видимую часть спектра (λ = 0,4...0,8 мкм) и инфракрасную (λ = 0,4...3,0 мкм). Поэтому излучение Солнца называют коротковолновым. Количество солнечной энергии, падающей в единицу времени на единицу нормальной к лучам поверхности (находящейся за пределами атмосферы), называют солнечной постоянной Сs. Значение последней зависит от расстояния между Землей и Солнцем и составляет 1280...1386 (в среднем 1325) Вт/м2.

Количество поступающей радиации переменно и зависит от географической широты местности, времен года, состояния атмосферы, «закрытости» горизонта, особенностей рельефа и т.п. (табл. 4.8).

До поверхности Земли доходит значительно меньше энергии, так как часть ее поглощается атмосферой (главным образом озоном и водяными парами), часть не попадает на Землю вследствие преломления в воздухе и отражению от облаков.

235

В среднем из 100 % солнечного излучения поглощается поверхностью Земли ~ 43 %; отражается от поверхности или в атмосфере ~ 42 %; поглощается атмосферой ~ 15 %.

На характеристики прямого или отраженного солнечного излучения влияют находящиеся в атмосфере аэрозольные частицы: минеральная пыль, зола, сажевые частицы и капли серной кислоты и др.

Таблица 4.8

Радиационное облучение горизонтальной поверхности, % от максимального в зависимости от географической широты

Плотность теплового потока, Вт/м2, из атмосферы к поверхности Земли qsa может быть приближенно оценена по соотношению

где Со – коэффициент лучеиспускания абсолютно черного тела; Та – температура атмосферы, К; Рп – парциальное давление паров воды при относительной влажности воздуха φ=0,71, МПа.

Так, при температуре атмосферы Та=288 К, давление насыщенных паров воды Рs=0,001227 МПа, парциальное давление паров воды Рп при φ=0,71 Pп=8,71·10-4 МПа и плотность теплового потока из атмосферы к поверхности Земли равна

Поглощательная способность поверхности зависит от спектра падающего на нее излучения. Поэтому способность тел поглощать солнечное излучение может отличаться от поглощающей способности для инфракрасного теплового излучения (степени черноты поверхности). Например,

236

для полированной меди поглощающая способность солнечного излучения Аs=0,26, а для обычного излучения ∑=0,023. Белая краска имеет As=0,12…0,26, тогда как для длинноволнового инфракрасного излучения

∑ более 0,9.

Для защиты тела от солнечного излучения надо покрывать поверхность белым неметаллическим материалом с малыми значениями Аs (например, белой краской). Для максимального поглощения солнечного излучения поверхность должна иметь большое значение As, но степень черноты тела должна быть минимальной, чтобы уменьшить потери теплоты изза собственного излучения поверхности в длинноволновом (тепловом) диапазоне.

Плотность излучения поверхности Земли складывается из собственного излучения Земли (~8 %) и отраженного солнечного излучения поверхностью (~3 %) и облаками (~27 %).

Общее излучение Земли и атмосферы, отнесенное к единице поверхности Земли, ~209 Вт/м2.

Отражательная способность поверхности может меняться в широком диапазоне в зависимости от вида покрытия (табл. 4.9).

Если отражательная способность примыкающих к дороге участков больше, чем у дорожного покрытия, возникает горизонтальный поток теплоты и влаги (адвекация), направленный к этому покрытию. Так, травяная растительность, характерная для примыкающих к дороге участков, отражает на 20...30 % больше, чем обычные дорожные бетоны, а снежный по-

237

кров - на 60...80 % при свежевыпавшем снеге и на 40...50 % при средней его загрязненности. Адвекация будет охлаждать поверхность дорожного покрытия и дополнительно увлажнять воздух над ним, что ведет к созданию определенного микроклимата в зависимости от рельефа местности, наличия водоемов, отражательной способности различных участков поверхности и типа дорожных покрытий.

Наличие в городах асфальтированных территорий большой площади и загазованности городской атмосферы ведет к увеличению тепловых потоков у поверхности и образованию «островов тепла». В результате температура поверхностного слоя воздуха оказывается выше в городе, чем в сельской местности на величину Δtr, которую рекомендуют оценивать по приближенному соотношению (33):

где Nr – численность городского населения. Так, в городе с населением 10

млн чел. Δtr=2,25 °C.

Радиационный теплообмен Солнца с поверхностью и атмосферой Земли зависит в равной степени как от естественных (природных), так и от антропогенных (связанных с жизнедеятельностью человека) факторов. Так, к антропогенным факторам относится увеличение в атмосфере концентрации «парниковых газов» (углекислого газа CO2, метана CH4, закиси азота N2O, хлорофторсодержащих углеводородов и др.) и увеличение в тропосфере (нижних слоях атмосферы) концентрации сульфатного аэрозоля за счет выбросов серы. В первом случае тепловой поток у поверхности увеличивается, что способствует усилению «парникового эффекта»

где Сс, Соc – концентрация углерода в текущий период и период, принятый за начальный.

Так, по опубликованным данным, изменение концентрации CO2 в атмосфере с 1950 по 1990 гг. изменилось с 310 до 350 чнм. Тогда изменение теплового потока будет

ΔQCO2=6,3ln(350/310)=0,765 Вт/м2.

Во втором случае тепловой поток к поверхности уменьшается на величину Δqs, Вт/м2, за счет увеличения отражательной способности тропосферы

где Мs – выбросы серы, Мт/год.

Так, при выбросе серы Мs = 83 Мт/год (примерно соответствует уровню 1990 г.) Δqs = - 0,75 Вт/м2.

238