Загрязнение воздуха

Опубликовано: 26 мая 2010 года

Обновлено:14 августа 2012 года

Авторы: Slanina S., Hogan C.M.

Соавтор: Beychok M.

Темы: химия экологии, мониторинг окружающей среды, токсикология, загрязнение воздуха, качество воздуха

Источник: http://www.eoearth.org/view/article/149931/

Перевела: Стецюк С.В.

Загрязнение воздуха – это попадание химических веществ, твердых частиц или микроскопических организмов в атмосферу, в частности, когда концентрации этих веществ вызывают отрицательные изменения метаболизма человека или других живых существ. В число наиболее распространенных загрязнителей воздуха входят угарный газ, диоксид серы, оксиды азота и твердые частицы.

В настоящее время наиболее загрязнен воздух в Китае, Индии, Индонезии, Южной Африке, Бразилии, Мексике и Аргентине [1]. Каждый год загрязнение воздуха является причиной миллионов человеческих смертей, связанных с болезнями органов дыхания и кровообращения. Кроме того, загрязнение воздуха внутри помещений, из-за, табакокурения, радона и множества химических веществ, обнаруженных в красках, расходных материалах и чистящих средствах, является источником заболеваний и высокой смертности.

Увеличение природных фоновых концентраций до концентраций нескольких микрограммов на кубический метр таких распространенных загрязнителей, как двуокись серы, оксидов азота и аммиака может привести, например, к повышению роста лесов, однако, более высокие уровни этих химических веществ производят такие неблагоприятные последствия на леса как сокращение роста, большую восприимчивость к болезням и вредителям, и в конечном счете к лесному отмирание.

Целью исследования является разработка методики для идентификации источников загрязнения по результатам замеров воздуха, полученных на территории г. Вольногорск (Украина).

Раньше загрязнителями воздуха были диоксид серы, оксида углерода и твердые частицы и осуществлялось в виде извержений вулканов, лесных пожаров и пыльных бурь. Явление загрязнения воздуха в связи с увеличением выбросов резко ускорилось с момента промышленной революции.

В современной истории, первое признание, что загрязнение воздуха является более локальной проблемой, возникло со спора между государствами Теннесси (США) и Грузии в 1907 году. Возник правовой спор, что подготовило почву для ряда других подобных межгосударственных конфликтов, однако они не были решены в полном объеме до федерального законодательства 1955 «Законом о чистом воздухе» и внесении изменений 1970 года [2].

Загрязнители воздуха распространяются в атмосфере через конвективное и турбулентного движение. Кроме того, некоторые загрязняющие вещества подвергаются химической реакции с другими, в частности, в присутствии солнечного света, где фотохимические окислители образуют комбинации определенных молекул углеводородов с окислами азота.

Перенос загрязняющих веществ в воздухе изучается с помощью математических моделей, которые в целом можно сгруппировать следующим образом:

1. модели точечных источников, используемые в основном для промышленности;
2. модели линейных источников, применяемые в основном для проезжей части, источников железнодорожного и воздушного транспорта;
3. модели площадных источников, используемые для таких крупных, двумерных источников, как перенос ветром пыли или лесные пожары;
4. фотохимические модели, вызываемые для изучения сочетания транспортных и химических реакций, которые производят фотохимические окислители.

Самая ранняя модель точечного источника возникла в начале ХХ века. Она известна как Гауссова дисперсионная модель для плавучих шлейфов загрязнения и предсказания движения загрязняющих веществ, с учетом заданной скорости ветра, высоты трубы источника, интенсивности выбросов и атмосферной турбулентности [3-4]. Эта модель была эталонной с экспериментальными данными для различных атмосферных условиях.

Дисперсии модель линейных источников разрабатывалась с конца 1950-х до начала 1960-х в ответ на требования Закона о национальной экологической политики и Министерства транспорта США, чтобы понять последствия предлагаемых новых дорог на качество воздуха, особенно в городских районах. Несколько исследовательских групп принимали активное участие в разработке этой модели, среди которых были: группа экологических исследований и технологий в штате Массачусетс, группами ESL Inc и California Air Resources Board в Калифорнии. ESL группа получила контракт от Агентства по охране окружающей среды США для проверки модели линейных истояников с использованием гексафторида серы в качестве индикаторного газа. Одними из самых первых видов использований модели были судебные дела, связанных с загрязнением воздуха на шоссе на участке Арлингтон, Вирджиния Межгосударственная часть 66 и расширение проекта Нью-Джерси через East Brunswick, Нью-Джерси. Модель площадных источников была разработаны в 1971 – 1974 годах той же группой новаторов исходной модели. Аналогично фотохимические модели были разработаны в 1960-х — 1970-х годах, но их назначение было более специализированным и предназначалось для таких региональных потребностей как понимание формирования смога в Ливерморе и Лос-Анджелесе.

Рисунок 1 — Выбросы загрязняющих веществ из промышленного комплекса

Техногенные источники выбросов разделены на несколько основных категорий:

1. Транспортные источники, которые включают автотранспорт, самолеты, поезда и корабли, большинство из которых сжигают ископаемое топливо и загрязняют атмосферу;
2. Сельскохозяйственные источники, которые производят метановые газы (от скотоводства и от выращивания риса) и твердые частицы от земледелия;
3. Промышленные источники, которые создают различные химические отработанные газы (например, углеводороды, оксиды серы, тяжелые металлы) как побочные продукты в производственном процессе;
4. Строительная деятельность, которая производит твердые частицы и продукты сгорания топлива, а также отходящие газы разнообразных красок и растворителей;
5. Свалки, на которых в следствия разложения органических веществ образуется метан.

Загрязнение воздуха приводит к гибели миллионы людей в год по всему миру. Главными причинами смертности являются заболевания дыхания и кровообращения, в том числе в значительной мере это заболевания раком легких. Трудно определить степень значение курения и пассивного курения на качество окружающего воздуха, так как все эти воздействия накапливаются за время жизни. Болезни сердца особенно сильно коррелируют с курением табака. К респираторные заболевания, вызванным низким качеством атмосферного воздуха, относят рак легких, эмфизема и другие заболевания легких.

До сих пор не известны пути заболевания для различных канцерогенных загрязнителей воздуха из-за огромного количества в воздухе пестицидов и других сложных органических химических соединений, которые могут приводить к мутагенным, а также канцерогенным эффектам. В настоящее время до конца не известно насколько длительное воздействие разнообразных тяжелых металлов, присутствующих в загрязненном воздухе, способствует прогрессированию многих болезней. Кроме того, воздействие загрязняющих веществ тяжелых металлов являются комплексными, так как многие из районов наиболее острых воздействий имеют двойные пути воздействия на организм человека: через воду и через воздух.

В интерьере зданий могут быть сосредоточены загрязнители воздуха, особенно в случаях с недостаточной вентиляцией. Наиболее распространенными загрязнителями в интерьерах зданий являются: окись углерода, радон, летучие органические соединения, асбест волокна, твердые частицы и такие биологические агенты как аллергены, бактерии, пресс-формы с целым рядом возбудителей [5].

Загрязнения воздуха в крытых помещениях является причиной миллионов смертей в год, в основном за счет респираторных заболеваний из-за пагубного влияния курения и сжигания древесины. Кроме того, воздействие радона в западных странах является одним из самых опасных элементов, при этом его опасность повышается в хорошо изолированных домах, где встречается подповерхностный радий или где радон оказывается во внутреннем интерьере из исходного материала (например, некоторые граниты). В большинстве западных стран, есть нормативные стандарты для многих из часто встречающихся загрязнителей воздуха внутри помещений; однако общая массив химических веществ, используемых в красках, растворителях и бытовых чистящих средствах достаточно велика, поэтому все химические вещества не регулируются.

Хотя Англия ввела запрет на сжигание угля в Лондоне еще в 13 веке, трагедия связанная с загрязнением воздуха возникла в этом же городе в 1852 году, когда в течении одного сезона погибло более 8000 человек, однако значительной регулятивной реакции не произошло до середины 1900-х годов в США и Великобритания. Первое комплексное законодательство было введено в США в виде Закона о чистом воздухе 1963 года, а в 1972 году были внесены изменения. В законе изложены конкретные стандарты окружающего воздуха для всех основных атмосферных загрязнителей (окиси углерода, диоксида серы, оксидов азота, большинства углеводородов и твердых частиц). Кроме того были установлены мандаты национального мониторинга в рамках исполнительного производства. Реализация этих стандартов не только обнародована для текущих выбросов, но и была интегрирована в планировании новых проектов, путем связывания их с Законом о национальной экологической политики.

Китай установил начальные рамки для стандартов качества воздуха в 1982 году и сделал их более существенными в течение последующих десяти лет. У страны было трудное время внедрения стандартов воздуха из-за менее единообразного исполнения, а также борьбы с экономическими приоритетами по сравнению с экологическими приоритетами. Как следствие, более 40 процентов городов Китая не отвечают национальным стандартам 2005 года [6].

В 1985 году Венская конвенция учредила международную основу для контроля фторуглеродов и других загрязняющих веществ, которые могут повредить озоновый слой. В начале 1990-х годов Европейский союз приступил к созданию стандартов качества воздуха, но их подход в значительной мере опирается на нормы выбросов транспортных средств, и обеспечивает существенную широту для промышленных источников выбросов, на основе региональных экономических условий работы [7]. К 1994 Австралия осуществила Качественную нормативно-правовую базу по образцу моделей для США и Великобритании, в том числе положения о всероссийском мониторинге атмосферного воздуха. [8]

Диоксид серы и твердые частицы производятся вулканами. Оксиды азота образуются молнией и некоторыми почвенными микроорганизмами.

1. The World Bank. 2005. Air Pollution Emissions. Data statistics report 3.13

2. Shepard Krech, John Robert McNeill and Carolyn Merchant. 2004. Encyclopedia of world environmental history. vol. 3. 1429 page

3. D.Bruce Turner. 1994. Workbook of atmospheric dispersion estimates: an introduction to dispersion modeling, CRC Press ISBN 1-56670-023-X

4. Milton Beychok. 2005. Fundamentals of Stack Gas Dispersion, 4th Edition, Self-published ISBN 0-9644588-0-2

5. U.S. Environmental Protection Agency. 2009. Introduction to Indoor Air Quality. U.S. EPA, Government Printing Office, Washington DC

6. Zhongguo Gong Cheng Yuan and Zhongguo Ke Xue Yean. 2008. Energy futures and urban air pollution: challenges for China and the United States. U.S.National Academy of Engineering

7. Owen Harrop. 2002. Air quality assessment and management: a practical guide. 384 pages. Taylor and Francis Publishers

8. Australia National Government. 2001. Australia, state of the environment: atmosphere. Csiro Publishing. 152 pages