Экологические аспекты энергетики атмосферный воздух

Примерно 50% массы атмосферы сосредоточено в нижних 5 км надземной поверхности, соответственно 75% — в нижних 10 км, 90% — в нижних 20 км, 99,5% — в приземной 80-километровой зоне.

Атмосферный воздух у земной поверхности, как правило, влажный, поскольку в его состав вместе с другими газами входит водяной пар — вода в газообразном состоянии. Содержание водяного пара в воздухе меняется в значительных пределах в отличие от других его составных частей: у земной поверхности оно составляет в среднем от 0,2% в полярных широтах до 2,6% у экватора, а в отдельных случаях колеблется от О до 4%. Это объясняется тем, что при существующих в атмосфере условиях водяной пар может переходить в жидкое и твердое состояние и, наоборот, может поступать в атмосферу заново вследствие испарения с земной поверхности.

Сухой чистый атмосферный воздух у земной поверхности на уровне моря состоит из азота (78,084% по объему и 75,5% по массе) и кислорода (20,146% по объему и 23,14% по массе). Оба эти газа входят в состав воздуха в виде двухатомных молекул N^ и О^. Оставшийся 1% приходится почти целиком на аргон — 0,94%. Углекислый газ СО^ составляет 0,034%. Другие газы (криптон, ксенон, неон, гелий, водород, озон, йод, радон, метан, аммиак, закись азота и др.) входят в состав воздуха в тысячных, миллионных и еще меньших долях процента.

Перечисленные газы при наблюдающихся в атмосфере температурах и давлении всегда сохраняют газообразное состояние не только у приземной поверхности, но и в верхних слоях.

Состав сухого воздуха у земной поверхности практически постоянен и одинаков повсюду. Существенно может меняться только содержание СО^: в результате процессов дыхания и горения в воздухе закрытых помещений, а также промышленных центров его объемное содержание может возрастать в несколько раз — до 0,1-0,2%. В связй с этим уменьшается, хотя и весьма незначительно, процентное содержание Nj и О^. Оно может меняться также в связи с местными и временными изменениями содержания в воздухе аммиака, йода, радона и других газов, попадающих в атмосферу с поверхности почвы или воды.

В воздухе находятся также взвешенные твердые частицы земного и космического происхождения — атмосферный аэрозоль. Даже в 1 м' чистого воздуха содержится от 100 до 300 млн пылинок. Части-

атмосферного аэрозоля нередко служат центрами конденсации ат- '^^'^ферной влаги, что является причиной образования туманов, и влиjoT на другие физические процессы, происходящие в атмосфере (раз-

J молний, оптическая плотность и т п.).

До высоты 200 км преобладающим газом атмосферы еще остается а з о т Выше начинает преобладать кислород, причем в атомарном с о с т о я н и и , так как под действием ультрафиолетовой радиации Солнца его двухатомные молекулы разлагаются на заряженные атомы. Выше 1 ООО км атмосфера состоит главным образом из гелия и водорода (с п р е о б л а д а н и е м атомарного водорода).

Содержание водяного пара в воздухе меняется с высотой, причем более значительно, чем состав сухого воздуха. Плотность водяного пара в среднем снижается в 2 раза в свободной атмосфере уже на высоте 1,5 км, а в горах — на высоте 2 км. На высоте 5 км содержание водяного пара в воздухе в 10 раз меньше, чем у земной поверхности, на высоте 8 км — в 100 раз меньше, а на высоте 10—15 км оно ничтожно мало.

По вертикальному распределению температуры в атмосфере выделяются следующие основные слои: тропосфера (от 8 до 18 км), стратосфера (от 45 до 55 км), мезосфера (от 80 до 90 км), термосфера (от 500 до 800 км), экзосфера (выше 800 км) и переходные слои между ними: тропопауза, стратопауза, мезопауза, термопауза.

По физико-химическим процессам в атмосфере выделяют следующие основные слои: озоносфера (слой атмосферы между 10 и 50 км), нейтросфера (от земли до 70-90 км), ионосфера (от 50-80 км до 400 км), хемосфера (от стратосферы до нижней части термосферы). Особым слоем является озоносфера. Озон образует в высших слоях атмосфера тонкий слой — так называеый озоновый экран, схема которого приведена на рис. 2.1. В нем происходят фотохимические процессы образования озона, максимальное содержание которого (порядка 410"^ г/м^) приходится на уровень между 20 и 25 км с резким убыванием его вверх ^бниз. Так как озон способен поглощать значительную часть ультра-

^олетовой радиации Солнца, температура воздуха в слое, находящемBbiuie него, т. е. в верхней стратосфере, достигает даже положи-

®«ьных значений.

Атмосфера поглощает и рассеивает солнечную радиацию, сама издлинноволновую инфракрасную радиацию, поглощает инфра-

Ультрафиолет у15ивавт живое

красную радиацию земной поверхности и обменивается теплотой с зеМ' ной поверхностью путем теплопроводности и фазовых переходов воды Вследствие неравномерного нагревания атмосферы в ней вознИ' каст общая циркуляция и ряд местных, локальных, циркуляций. Об: щая циркуляция атмосферы приводит к обмену воздуха между раЗ' личными широтами и областями Земли. Она осуществляется в форм* циклонической деятельности, т. е. с помощью атмосферных возмуще ний — циклонов и антициклонов. Под влиянием радиационных уело ВИЙ и циклонической деятельности происходит расчленение тропо

I в горизонтальном направлении на отдельные воздушные масрезко разграничивающими их переходными зонами — фронтами. Для высот от 2000 до 80000 м над уровнем моря приняты еледуюзначения основных параметров стандартной атмосферы:

атмосферное давление р = 760 мм рт. ст., 1013,25 ГПа, или 1013,25 Мбар;

_ температура воздуха Г - 288,15 К, 15,0° С; относительная влажность воздуха ф = 0%;

_ плотность воздуха р = 1,225 кг/м\ А т м о с ф е р а содержит различные -загрязняющие вещества и при-

меси, вносимые в нее в результате природных процессов и человеческой деятельности (табл. 2.2). Загрязнение воздуха имеет место в тех случаях, когда загрязняющее вещество или несколько веществ при- сутствуют в атмосфере в таком количестве и в течение такого времени, что они причиняют вред или могут способствовать причинению вреда людям, животным, растениям и имуществу, или могут нанести не поддающийся учету ущерб здоровью и имуществу человека.

В природе происходят различные процессы и существуют источники поступления в воздушную среду газов, паров и твердых частиц: атмосферное электричество, химические и фотосинтетические процессы, дыхание живых организмов, вулканическая деятельность, общая циркуляция атмосферы и наличие мощных локальных воздушных течений и ветров. В результате природных процессов в атмосферный воздух поступают: углекислый газ, озон, соединения азота и серы, взвешенные вещества. Свинец, имеющийся в составе земной коры, попадает в воздушный бассейн в результате естественных процессов с летучими веществами, морской солью, при лесных пожарах, вулканических извержениях, песчаных бурях (важный источник свинца в виде силикатного соединения). Подобное происхождение имеют и другие твердые примеси в атмосфере. Большая часть взве- '^енных частиц, поступающих в естественных условиях в атмосфеРУ' образуется при взаимодействии газообразных компонентов. По

^^еских извержений.

кроме того, ежегодно с поверхности Мирового океана в атмосфеиспаряется слой воды в 1250 мм, с суши — в 410 мм, что составляет

З^ЮОО км^ Однако, несмотря на высокий уровень естественных, природных

атмосферных загрязнений, они становятся опасными только в особых с л у ч а я х , например при извержениях вулканов, лесных пожарах и других стихийных бедствиях. Это связано с тем, что происходящий ее ге- с т в е н н ы м путем процесс изменения состава атмосферы является составным элементом природной среды, в которой эволюционно развились средства и способы предотвращения неблагоприятных последствий для экосистемы и борьбы с ними.

Основные причины и источники антропогенных атмосферных загрязнений воздуха:

-развитие промышленности;

-рост энергопотребления и производства электроэнергии;

-развитие всех видов транспорта;

-урбанизация и рост численности населения городов;

-химизация и интенсификация сельского хозяйства.

По современным оценкам, от 5 до 45% всех частиц и примесей в атмосфере являются продуктом деятельности человека. К тому же антропогенные загрязнения воздушного бассейна имеют более обширный видовой состав, включающий компоненты, чрезвычайно опасные по действию на природную среду и организм человека.

Из всего многообразия загрязняющих веществ, поступающих в атмосферу в результате хозяйственной деятельности человека, наиболее распространены оксид углерода СО (ежегодное поступление 2,010« т), двуокись серы SO^ (7,3-10''т/год), оксиды азота N0^ ^,5-10' т/год), взвешенные вещества (9,6...26)-10'"т), углеводороды

углекислый газ СО^ (1,5-10'" т/год, в том числе в результате '^®игания ископаемого топлива 5-10'' т/год).

Атмосферный воздух — важнейший природный ресурс. Такие его ^оставцые части, как кислород, углекислый газ и азот участвуют во огих биологических циклах. Весь кислород атмосферы Земли про-

^® кругообороте природных процессов через живое вещество

^осферы примерно за 2000 лет Круговорот кислорода в биосфере Р^чллюстрирован на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Круговорот кис.породи в биосфере

Кругооборот углерода, находящегося в атмосфере в виде СО,, начинается с поглощения его растениями при фотосинтезе. Биологический кругооборот углекислого газа происходит интенсивнее, чем кислорода. Скорость оборота через живое вещество биосферы составляет около 300 лет.

Общее поступление СО^ в атмосферу растет экспоненциально, увеличиваясь на 4-5% в год. Рост концентраций углекислого газа может приводить к повышению температуры в нижнем слое атмосферы.

2 2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ (ГОСТ 17.2.1.01-76)

Нормативными документами (стандартами) установлена классифи- к а ц и я выбросов загрязняющих веществ из источников загрязнения атмосферы по составу. Она не распространяется на выбросы, содержащие радиоактивные и биологические вещества (радиоактивная пыль, с л о ж н ы е биологические комплексы, бактерии, микроорганизмы и т. п.).

Выбросы в зависимости от загрязняющих веществ клас-

си ф и ц и р у ю т с я по следующим признакам:

-агрегатному состоянию веществ в них;

-массовому выбросу (масса веществ, выбрасываемых в единицу времени).

Взависимости от агрегатного состояния загрязняющих веществ выбросы подразделяют на классы (табл. 2.3):

I — газообразные и парообразные; II — жидкие;

Ш — твердые;

IV — смешанные.

Выбросы по химическому составу делятся на группы, а в зависимости от размера частиц — на подгруппы.

2.3.ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ

Всоставе выбросов от ТЭС и котельных в атмосферу загрязняющих веществ с продуктами сгорания топлив наибольшую опасность представляют: сернистый и серный ангидриды, оксиды азота (моно- и •Ч^Уокись), оксид углерода и углекислый газ, твердые частицы (сажа, зола), углеводороды, в том числе бенз(а)пирсн).

Сернистый газ (SO,) — бесцветный газ, определяющий запах ды- •^овых газов. При концентрации в воздухе 0,3-1,0 ррм ощущается па При более высоких концентрациях имеет резкий запах. Кругово-

серы в биосфере приведен на рис. 2.3.