Экология энергетики

1.2. СОСТАВ И СТРУКТУРА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА. ВИДЫ ЕГО ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ

1.2.1. Атмосферный воздух

Атмосфера является смесью многих газов (основные из них – азот, кислород, аргон) и таких важных примесей, как водяной пар, углекислый газ и озон. Кроме того, в атмосферном воздухе во взвешенном состоянии находятся жидкие и твердые аэрозоли естественного и антропогенного происхождения.

Газовый состав земной атмосферы приведен в табл. 2.1.

Примерно 50 % массы атмосферы сосредоточено в нижних 5 км надземной поверхности, соответственно, 75 % в нижних 10 км, 90 % в ижних 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 0 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.

21

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 N2 и О2. Оставшийся 1 % приходится почти целиком на аргон – 0,94 %. Углекислый газ СО2 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 СО2: 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 связи с этим уменьшается, хотя и весьма незначительно, процентное содержание N2 и О2. 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 м3 чистого воздуха содержится от 100 до 300 млн. пылинок. Частицы атмосферного аэрозоля нередко служат центрами конденсации атмосферной влаги, что является причиной образования туманов, и влияют на другие физические процессы, происходящие в атмосфере (разряды молний, оптическая плотность и т. п.).

До высоты 200 км преобладающим газом атмосферы еще остается азот. Выше начинает преобладать кислород, причем в атомарном состоянии, так как под действием ультрафиолетовой радиации Солнца его двухатомные молекулы разлагаются на заряженные атомы. Выше 1000 км атмосфера состоит главным образом из гелия и водорода с преобладанием 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

22

(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 атмосферы тонкий слой – так называеый озоновый экран, схема которого приведена на рис. 2.1. В нем происходят фотохимические процессы образования озона, максимальное содержание которого (порядка 4 10-7 г/м3) приходится на уровень между 20 и 25 км с резким убыванием его вверх и вниз. Так как озон способен поглощать значительную часть ультрафиолетовой радиации Солнца, температура воздуха в слое, находящемся выше него, т. е. в верхней стратосфере, достигает даже положительных значений.

Атмосфера поглощает и рассеивает солнечную радиацию, сама излучает длинноволновую инфракрасную радиацию, поглощает инфракрасную радиацию земной поверхности и обменивается теплотой с земной поверхностью путем теплопроводности и фазовых переходов воды.

Вследствие неравномерного нагревания атмосферы в ней возникает общая циркуляция и ряд местных, локальных, циркуляций. Общая циркуляция атмосферы приводит к обмену воздуха между различными широтами и

23

областями Земли. Она осуществляется в форме циклонической деятельности, т. е. с помощью атмосферных возмущений – циклонов и антициклонов. Под влиянием радиационных условий и циклонической деятельности происходит расчленение тропосферы в горизонтальном направлении на отдельные воздушные массы с резко разграничивающими их переходными зонами – фронтами.

Для высот от 2000 до 80000 м над уровнем моря приняты следующие значения основных параметров стандартной атмосферы:

атмосферное давление Р = 760 мм рт. ст., 1013,25 гПа или 1013,25 мбар; температура воздуха Т = 288,15 К, 15,0 °С; относительная влажность воздуха φ = 0 %; плотность воздуха ρ = 1,225 кг/м3.

Атмосфера содержит различные загрязняющие вещества и примеси, 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 присутствуют 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: атмосферлное

24

25

Атмосферный воздух важнейший природный ресурс. Такие его составные части, как кислород, углекислый газ и азот участвуют во многих биологических циклах. Весь кислород атмосферы Земли проходит в кругообороте природных процессов через живое вещество биосферы примерно за 2000 лет. Круговорот кислорода в биосфере проиллюстрирован на рис. 2.2.

Кругооборот углерода, находящегося в атмосфере в виде СО2, 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 СО2 в атмосферу растет экспоненциально, увеличиваясь на 4-5 % в год. Рост концентраций углекислого газа может приводить к повышению температуры в нижнем слое атмосферы.

1.2.2. Классификация загрязняющих веществ (ГОСТ 17.2.1.01-76)

Нормативными документами (стандартами) установлена классификация выбросов загрязняющих веществ из источников загрязнения атмосферы по составу. Она не распространяется на выбросы, содержащие радиоактивные и

27

биологические вещества (радиоактивная пыль, сложные биологические комплексы, бактерии, микроорганизмы и т. п.).

Выбросы в зависимости от состава загрязняющих веществ классифицируются по следующим признакам:

агрегатному состоянию веществ в них; массовому выбросу (масса веществ, выбрасываемых в единицу време-ни).

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

I – газообразные и парообразные; II – жидкие;

III – твердые;

IV – смешанные.

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

28

1.2.3. Характеристика основных загрязняющих веществ

В составе выбросов от ТЭС и котельных в атмосферу загрязняющих веществ с продуктами сгорания топлив наибольшую опасность представляют: сернистый и серный ангидриды, оксиды азота (моно- и двуокись), оксид углерода и углекислый газ, твердые частицы (сажа, зола), углеводороды, в том числе бензпирен).

Сернистый газ (SO2) бесцветный газ, определяющий запах дымовых газов. При концентрации в воздухе 0,3 1,0 ррм ощущается на вкус, при более

30