Атмосфера и климатические ресурсы

Вопросы:

1. Функции атмосферы в глобальной геосистеме.

2. Состав атмосферного воздуха и его техногенные трансформации.

3. Выбросы в атмосферу. Наиболее распространенные вещества, загрязняю­щие атмосферу.

4. Организация охраны атмосферного воздуха.

5. Основные направления снижения загрязненности атмосферы

1. Функции атмосферы в глобальной геосистеме.Как известно из геохимии, миграция газов является наиболее быстрой формой движе­ния вещества. Газовая среда, по сравнению со всеми другими формами нахождения вещества, наиболее благоприятна и для перемещений в пространстве, и для изменений физико-химической природы. Через ат­мосферу проходят солнечно-земные связи, взаимодействие с другими космическими объектами. Поэтому, хотя суммарная масса атмосферы Земли составляет менее 10~⁴% массы планеты (по разным оценкам, от 5,15 до 5,910¹⁵ т), ее роль в природных процессах несопоставима с мас­совой долей. Атмосфера защищает поверхность Земли от жестких космических излучений, определяет тепловой режим, выступает средой, в которой осуществляется тепло- и влагоперенос, формирующие кли­мат планеты. Состояние атмосферы (прозрачность, газовый состав) оп­ределяет глобальный климат и другие условия протекания природных химических и физических процессов. Изменения состава атмосферы, происходившие на протяжении геологической истории, приводили к смене геохимических обстановок и направленности развития географи­ческой оболочки.

Атмосфера — важнейшая жизнеобеспечивающая среда и необходи­мое условие существования преобладающей части форм жизни. Из ат­мосферы заимствуются газы, нужные растениям и животным, туда же поступают газообразные продукты жизнедеятельности и разложения органического вещества. Таким образом, обмен веществ между организ­мами и атмосферой образует существенную часть биологического кру­говорота.

2. Состав атмосферного воздуха.Воздух довольно однороден по со­ставу, практически отсутствует его дифференциация по природным зо­нам и секторам. Чистый и сухой воздух включает 78,08% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, 0,033% углекислого газа, 0,01% приходится на остальные компоненты: неон, гелий, криптон, ксенон, аммиак, водород, оксиды азота, метан, хлор и др. Содержание водяных паров изменяется от 0,01% до 4%, значительным колебаниям подвержено и содержание твердых частиц (аэрозолей).

Трансформации состава атмосферного воздуха,обусловленные загрязнением, происходят как вследствие естественных причин, так и под влиянием деятельности человека.

Выбросы в атмосферу подразделяются по следующим признакам:

· по условиям выброса — на организованные, т.е. через специаль­но предназначенные технические устройства: дымовые трубы, выхлопные трубы автомобилей, и неорганизованные: через вен­тиляционные фонари, окна, с пылящих поверхностей, что слож­нее поддается контролю и очистке;

■ по температуре вещества в выбросах — на холодные, с темпера­турой, существенно не отличающейся от температуры окружа­ющего атмосферного воздуха, вследствие чего не происходит их подъема, и горячие, для которых характерен вертикальный подъем и, вследствие этого, перенос на более значительные рас­стояния;

■ по составу — на твердые, жидкие и газообразные. Последние пре­обладают по объему и количеству веществ, достигающему мно­гих тысяч. При этом различают так называемые основные веще­ства-загрязнители, на которые приходится 85% всей массы за­грязнений: диоксид серы, диоксид азота, оксид углерода, пыль — и специфические вещества, среди которых наиболее распростра­нены летучие органические соединения, углеводороды, фенол, формальдегид, сероводород, сероуглерод и др. ;

■ по токсичности различают четыре класса опасности загрязняю­щих веществ: первый класс — чрезвычайно опасные (ПДКрз ниже 0,1 мг/м³), например бенз(а)пирен, свинец, ртуть, второй класс — высокоопасные(ПДКрз 0,1-1 мг/м³), например хлор, хлористый водород, сероводород, диоксид азота, третий класс — умеренно опасные (ПДКрз 1-10 мг/м³): диоксид серы, сажа, пыль, четвертый класс — малоопасные (ПДКрз выше 10 мг/м³), например оксид углерода, аммиак, бензин.

Особенности микроклимата и загрязнение воздуха в городах и промышленных зонах.Климат крупного города отличается от климата окрестностей более высокой температурой, более частыми ту­манами и осадками, наличием местных особенностей циркуляции, уменьшением ультрафиолетового излучения вследствие запыленности. Над крупными городами, особенно при безветрии и слабых ветрах, ви­сит облако пыли, газа, дыма высотой до 1-2 км, иногда оно хорошо вид­но невооруженным глазом. Состав этого облака зависит от состава про­мышленных выбросов и количества автомобилей. Превышение темпе­ратуры над окрестностями обычно достигает максимума в центре, где за счет более сильного прогрева зданий и строений, асфальта, утечек теп­лого воздуха из помещений, формируется «остров тепла». Мощность это­го «острова» по вертикали над крупнейшими городами достигает 100— 150 м, над менее крупными — десятков метров. В пределах «острова теп­ла» развиваются восходящие потоки, что обусловливает центростремительное движение воздуха со скоростью (при безветрии) до 2-3 м/с. Это создает концентрацию в центре загрязнений со всего города. Температурные контрасты между центром и окраиной умень­шаются с увеличением облачности и в нерабочие дни. Величина температурных контрастов в крупнейших городах достигает 5-7°.

Конфигурация «острова тепла» и связанных с ним особенностей местной циркуляции зависит от планировки города. При наличии в го­роде нескольких обособленных массивов застройки, в том числе про­мышленных зон с мощными источниками горячих выбросов, вместо одного «острова тепла» может сформироваться несколько частных. Над зелеными насаждениями и водоемами формируются нисходящие пото­ки, усложняющие структуру внутригородской циркуляции.

4.Организация охраны атмосферного воздухабазируется на сочета­нии административных и экономических методов управления. Для ста­ционарных источников загрязнения установлен разрешительный поря­док: выбросы допускаются на основании разрешений, выдаваемых упол­номоченными государственными природоохранными органами, формой разрешения является устанавливаемый для каждого конкретного источ­ника и предприятия предельно допустимый выброс (ПДВ), пересмат­риваемый один раз в пять лет, или (до его установления) временно со­гласованный выброс (ВСВ). ПДВ определяется расчетным путем, с ис­пользованием типовой методики ОНД-86 и реализующих ее стандартных (сертифицированных) программных средств. За ПДВ (по каждому веществу) принимается выброс, который с учетом мощности источника, климатических характеристик, фонового уровня загрязне­ния атмосферы не приведет к превышению ПДК в 95% случаев.

Предприятия, получившие разрешение на выброс, должны обеспе­чивать его соблюдение и своими силами организовывать контроль ис­точников загрязнения. Первичный контроль над источниками за­грязнения атмосферы включает инвентаризацию источников и опреде­ление состава и объемов выбросов из них в граммах в секунду и тоннах в год. Объемы выбросов определяют расчетным путем на основе отрас­левых нормативов, с учетом продолжительности работы единиц обору­дования и удельных выбросов от них и лабораторно-инструментальным путем, на основе отбора и анализа проб отходящих газов].Данные первичного контроля позволяют составлять годовые отчеты (формы 2-ТП воздух), а содержащиеся в них данные об объемах и со­ставе выбросов используются для определения размеров платы пред­приятия за загрязнение атмосферы (в однократном размере в пределах ПДВ и в пятикратном размере при его превышении или отсутствии). При аварийных выбросах, вызвавших экстремально высокое загрязне­ние воздуха, вследствие чего наносится ущерб здоровью населения, фло­ре, фауне, экономике, виновные выплачивают штрафы и компенсации за нанесенный ущерб в административном или судебном порядке.

Полнота и достоверность отчетов об объемах и составе выбросов за­висит от добросовестности и компетентности природоохранных служб предприятий. Контроль достоверности данных об объемах и составе выбросов возложен на государственные природоохранные органы. Сле­довательно, предприятия заинтересованы в снижении платы за загрязнение атмосферы, а государственные природоохранные органы — в пол­ноте ее поступления.

Внесение платы за загрязнение не освобождает природопользователей от штрафных санкций и возмещения вреда в случаях аварийного, экстремально высокого загрязнения, от необходимости выполнения природоохранных мероприятий. Возможность снижения платы в случае выполнения природоохранных мероприятий стимулирует пред­приятия к их реализации. Кроме того, по согласованию с природоох­ранными органами затраты на природоохранные мероприятия могут входить в платежи за загрязнение. Снижение платы в связи с уменьше­нием объемов выбросов должно достигаться на основе разработки и ре­ализации планов природоохранных мероприятий. Такие планы пред­ставляют собой составные части документации по ПДВ. Из планов при­родоохранных мероприятий предприятий, а также районных, городских, региональных и федеральных мероприятий, финансируемых за счет I соответствующих бюджетов и внебюджетных экологических фондов, складываются разделы целевых комплексных программ охраны окру­жающей среды, посвященные охране атмосферного воздуха.

За рубежом используются разные формы административного и эко­номического регулирования загрязнения атмосферы. Важным отличи­ем является содержащаяся в законодательстве стран — членов органи­зации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) возможность судебной защиты своих интересов группами населения (если они не удовлетворены деятельностью государственных природоохранных ор­ганов) и предприятиями, коммерческими объединениями (если те счи­тают, что требования государственных природоохранных органов вы­ходят за рамки национального законодательства). Такая система ставит все стороны в равное положение и способствует повышению от­ветственности государственных природоохранных органов.

5.Основные направления снижения загрязненности атмосферыоб­разуют три большие группы мероприятий:

1. Улучшение существующих и внедрение новых, безотходных и малоотходных технологий. Это включает множество конкретных ме­роприятий, направленных на предотвращение образования загрязняю­щих веществ заменой высокоотходных технологических процессов на менее отходные, улучшением качества топлива, отказом от использова­ния высокосернистых сортов угля и нефти и т.п. Пути снижения объе­мов выбросов от предприятий отдельных отраслей рассмотрены выше.

2. Использование газоочистительных и пылеулавливающих установок для очистки выбросов от веществ, образование которых не удалось предотвратить технологическими методами. Основные, наибо­лее распространенные типы пылегазоулавливающих установок — сухие, мокрые, электростатические, адсорберы и поглотители [2, 18].

Сухиепылеулавливающие установки включают:

■ тканевые и волокнистые фильтры, металлические камеры с под­вешенными внутри фильтровальными рукавами (полотнищами);

■ пылевые камеры — кирпичные или металлические сооружения, через которые пропускается запыленный газовый поток и где созда­ются условия для его замедления после прохождения узкой трубы;

■ циклоны. Их принцип действия основан на том, что в металли­ческом аппарате соответствующей конструкции газопылевому потоку придается вращательно-нисходящее движение и части­цы пыли приобретают инерцию. В нижней части (бункере) на­правление движения газа меняется на противоположное (вос­ходящее), а частицы пыли по инерции оседают. Нередко приме­няются целые батареи последовательно расположенных циклонов для более полной очистки.

Мокрыеустановки включают:

■ скрубберы (мокрые золоуловители), они представляют собой
цилиндры, в которых очищаемые газы орошают жидкостью че рез несколько рядов форсунок. К их преимуществам относится высокая эффективность пылеудаления, частичное удаление га­зов (главным образом, диоксида серы) за счет абсорбции жид­костью. Недостатки связаны с образованием высокоагрессивной кислотной пульпы, следствием чего является коррозия и слож­ности с обслуживанием;

■ аппараты Вентури, включающие трубу с узкой горловиной (тру­ба Вентури) и каплеуловитель. В трубе Веитури в горловине про­исходит дробление орошающей жидкости потоком газов. Ско­рость последних в горловине увеличивается до 50-120 м/сек. Затем газы поступают в каплеуловитель, представляющий со­бой циклон, где происходит разделение на очищенный газ и от­работанную жидкость. Эффективность пылеулавливания — до 98%, улавливаются и некоторые газы. Некоторые зарубежные конструкции скрубберов и аппарата Вентури для большей эф­фективности делают вращающимися, оборудуют замкнутым циклом оборота орошающей жидкости, со шламоотстойником;

■ струйные газопромыватели, по конструкции близкие к аппара­ту Вентури, но с добавлением орошения газов в каплеуловите-ле. Эффективность улавливания пыли — 94-98%.

Электростатические установки(электрофильтры). Очищаемый газ пропускается через коронирующие электроды, где пылевые частицы приобретают заряд, и осадительные электроды (решетки), к которым частицы «прилипают». Для более полной очистки фильтр представляет собой систему последовательно расположенных коронирующих и оса-дительных электродов. Для удаления осевших частиц осадительные электроды периодически отключают и встряхивают. Эффективность — до 96 %. Все эти конструкции улавливают только пыль.

Адсорберы и поглотителипредставляют собой цилиндры с помещен­ными внутри решетчатыми конусами, на каждый из которых насыпа­ются адсорбенты и реагенты. Для очистки выбросов от газообразных загрязнителей применяются химические и физико-химические методы: адсорбция, окисление, восстановление, в том числе каталитические пре­вращения. Очищаемые газы пропускаются через сухие и мокрые погло­тители: активированный уголь, силикогель, цеолиты. Постоянно растет количество специфических методов химической обработки примени­тельно к конкретным веществам (см. выше). Так, серосодержащие газы окисляют до серного ангидрида, который далее нейтрализуют основа­ниями, с получением сернокислых солей, либо при высокой концентра­ции перерабатывают в серную кислоту. При относительно низких кон­центрациях (до 0,1-0,15%) могут применяться адсорбенты (активиро­ванный уголь и др.). Для очистки выбросов от оксидов азота используют высокотемпературное окисление (сжигание) природным газом и низ­котемпературное восстановление аммиаком.

3. Минимизация последствий загрязнения атмосферы. Вещества, от которых не удалось избавиться путем совершенствования техноло­гий и/или очистки выбросов, следует по возможности направлять туда, где они принесут наименьший вред. Минимизация последствий атмо­сферного загрязнения достигается пространственным и временным пе­рераспределением выбросов, рациональным взаимным размещением объектов, являющихся их источниками и реципиентами. Пространствен­ное перераспределение выбросов происходит при помощи строитель­ства высоких дымовых труб, позволяющих рассеять выброс в возможно большем объеме воздуха и, таким образом, снизить концентрации; вре­менное перераспределение — при помощи регламентации работы агре­гатов, являющихся источниками загрязнения, с учетом метеорологиче­ских ситуаций, что должно предусматриваться планами мероприятий при НМУ. Например, котельные и ТЭЦ могут работать на газовом топ­ливе, когда ветер направлен в сторону жилых районов, и на мазуте или угле в иных ситуациях.

Ослабление последствий загрязнения атмосферы выбросами от ав­тотранспорта можно достичь путем рациональной организации транс­портных потоков. Для этого прокладываются объездные дороги, направ­ляющие транзитный транспорт в объезд населенных пунктов, создают­ся транспортные развязки и магистрали непрерывного движения, призванные свести к минимуму простои на холостом ходу перед свето­форами, и т.п. Для достижения этих же целей административным путем или взиманием платы ограничивается въезд транспорта в районы со сложными экологическими ситуациями и/или требующие особой ох­раны.

Изучите самостоятельно и законспектируйте по учебнику ответы на следующие вопросы (стр. 134-142):

Вопросы:

1. Принципы рационального использования природных ландшафтов

2. Рациональное использование природно-антропогенных ландшафтов

3. Системы природопользования и их классификация

4. Принципы рационализации систем природопользования

5. Пути рационализации систем природопользования

Материалы для подготовки:

Емельянов А.Г. "Основы природопользования": учебник для вузов. 4-е издание. - М.: Академия, 2008. - с. 134-142.