Національний Університет “Києво-Могилянська Академія”


Реферат
Загальна характеристика атмосферного пилу та аерозолю.
Основні фізичні механізми його формування




Виконав студент ФПрН3
Шестопал Руслан

Київ-1999

Пил та аерозолі
Говорячи про забруднення довкілля в першу чергу слід зупинитися на забрудненні атмосфери. До шкідливих викидів. Що забруднюють атмосферу, відносяться атмосферні пил, гази та випари, що безпосередньо або непрямим чином впливають на життя людини. Пил та аерозолі, що перебувають у повітрі, як правило не вступають до яких -небуть реакцій з утворенням сполук, що можуть зашкодити людині, але в поєднанні з іншими факторами можуть нести суттєву небезпеку.
Характеристика забруднень.
Під атмосферним пилом розуміють завислі в повітрі тверді частинки діаметром більше 1 мкм. Ці частинки складно класифікувати хімічно, так як вони можуть являти собою як частинки кварцу, так і органічні матеріали найрізноманітнішого походження, також квітковий пилок рослин. Говорячи про склад атмосферного пилу в глобальному масштабі, маємо зауважити, що вона в основному має мінеральне походження, але в окремих районах склад може змінюватися відповідно до джерел формування атмосферного пилу: тут можуть превалювати сполуки лужних і лужноземельних металів, тяжкі метали, вуглеводні та спори рослин.
Аерозолі являють собою колоїдні системи, дисперсійним середовищем в яких є, як правило повітря. Діаметр диспергованих частинок, відповідно до визначення колоїдної системи, знаходиться в межах 0,1-0,001мкм. На відміну від атмосферного пилу аерозолі вміщують на лише тверді, а й рідкі частинки, утворені при конденсації парів чи при взаємодії газів. Рідкі краплини можуть вміщувати і розчинені в них речовини. Звичайно до аерозолів відносять і краплини діаметром 0,1-1 мкм, тоді як тверді частинки того ж діаметру відносять до аерозолів рідше, часто характеризуючи їх як тонкий пил.
У фізіологічному плані особливу увагу слід приділяти частинкам розміром менш 5 мкм, тому як при зменшенні розміру їх поведінка стає все більш схожою з газоподібним станом, тобто вони на затримуються в легенях при диханні (не відфільтровуються від повітря), а також не вимиваються з повітря дощами. Це збільшує час їхнього перебування в атмосфері в порівнянні з більшими частинками – обставина, що грає особливо важливу роль при розподілі пилу та аерозолів в атмосфері.
Виникнення та час перебування в атмосфері.
Перед усім необхідно розглянути основні джерела формування атмосферного пилу та аерозолів.
Атмосферний пил та аерозолі можуть мати як природній так і антропогенне походження (промислові та побутові викиди). В результаті природних процесів частинки солей потрапляють в повітря з морської води, мінеральний пил – з сухого ґрунту, пил та зола – при вулканічній діяльності, тверді частинки диму – при лісових пожежах, і зрештою такі тверді продукти як нітрати та сульфати, що утворюються в результаті газових реакцій.
Атмосферний пил і дими антропогенного походження утворюються в результаті промислових викидів; зола і дим при згоранні палива в промислових, побутових та транспортних котельних установок, ряд хімічних продуктів – при взаємодії газів, серед яких визначну роль грають сульфати.
При утворенні частинок пилу з ґрунту не завжди зрозуміло, чи є землі результатом природних чи антропогенних процесів, тому потрібно з обережністю судити про реальне походження цього пилу і давати цим процесам кількісну оцінку. Але, не дивлячись на невизначеність при визначенні первинного джерела утворення пилу , можна вважати, що 1670 мегатон пилу та аерозолів, які щорічно надходять в атмосферу, більше половини припадає на долю природних процесів.
Час перебування, і відповідно, їх розповсюдження по земній поверхні залежить як від величини та густини , так і від швидкості розповсюдження вітрів, а також від того на яку висоту частинки було піднято спершу. Великі частинки звичайно осідають протягом декількох годин або діб, але й можуть переноситись на сотні кілометрів, якщо спочатку піднялися на достатню висоту. Так, наприклад, пил пустелі Сахара, можна помітити на півдні США, в центральній та Латинській Америці. Частинки цього пилу мали діаметр 12 мкм та більше, середня густина складала 2,5 г\см3. При цьому мова йде не про залишкові кількості: річна маса атмосферного пилу, що
виноситься з Сахари, за приблизними розрахунками складає від 100 до 400 Мт. При цьому пил частково залишається сухим, частково прибивається до землі дощами.
Ті частинки, що за своєю поведінкою подібні до частинок газів (діаметр 1 мкм і менше), в значно меншій мірі піддаються впливу атмосферних опадів, час їхнього перебування в верхніх шарах атмосфери складає 10 –20 діб. Цього часу буває достатньо для розповсюдження частинок по всій півкулі (хемісфері). Проте перехід з північної півкулі в південну протягом 20 діб не є можливим, тому що екваторіальна зона (Рис. 1)
низького тиску навколо Землі значно ускладнює обмін повітряним масами між двома півкулями. (Рис. 1)
Якщо пил і аерозолі досягають верхніх шарів тропосфери, то вони можуть потрапити і в стратосферу за допомогою горизонтальних повітряних потоків між тропосферою і стратосферою з вихорами на флангах. (Рис 2)
О3 мкг\м3
О3
При вулканічній діяльності частинки золи і пилу можуть підніматись на висоту до 20 км і навіть вище, як то спостерігалось на острові Кракатау в 1883 році та острові Святої Єлени в 1980 році. Тривалість існування пилу в стратосфері складає 1- 3 роки. Атмосферні пили та аерозолі, що накопичуються над містами та промисловими зонам мають лише регіональне значення. Вони утворюють накопичення над первинними джерелами, але при інтенсивному рухові повітряних мас ці забруднення можуть розноситись в підвітряну сторону.
В областях з помірним кліматом виділення пилу в атмосферу залежить від пори року; її утворення природними шляхами досягає максимуму в жаркі літні місяці, а виділення пилу антропогенного походження над містами і густонаселеними областями максимальне у опалювальний період. Головною причиною в останньому випадку є продукти, що утворюються під час роботи промислових та побутових котелень.
Область розповсюдження пилу і аерозолів, що утворюються в закритих приміщеннях, мають чітко обмежений місцевий характер. При відсутності вентиляційних та витяжних пристроїв концентрація забруднень може набувати характеру, що становитиме загрозу для людського організму. Це особливо характерно для забруднень, що викликають алергію.
Вплив забруднень на тепловий режим атмосфери.
Атмосферний пил та аерозолі ослаблюють сонячне випромінювання в результаті розсіювання, відбивання і поглинання променів. Ці процеси, пов’язані з дією діоксиду вуглецю та інших газів, що поглинають ультрафіолетове випромінювання, помітно впливають на клімат. У частинок з діаметром більше 1 мкм поглинання інфрачервоного проміння значно зростає, в результаті чого, повітряні шари, що містять такі частинки, нагріваються, а нижні шари відповідно залишаються холодними. Частинки меншого розміру сприяють розсіюванню світла, але при діаметрі менше 0,4 мкм (тобто менше, ніж довжина хвилі видимого світла) вони не виявляють помітного впливу на розсіювання світла, хоч відповідно до своєї хімічної будови можуть поглинати ультрафіолетове проміння.
Частинки темного кольору, наприклад частинки сажу, відповідно, найкраще поглинають видиме світло і інфрачервоне випромінювання, що призводить до самого інтенсивного охолодження земної поверхні.
Основна частина тропосферних та стратосферних аерозолів складається з частинок діаметром близько 1 мкм і менше. Ці частинки в першу чергу призводять до розсіювання в видимій області спектру, інфрачервоне випромінювання вони поглинають незначною мірою. На даний час в атмосфері густина аерозолів така, що вона призводить до зниження температури земної поверхні приблизно на 1,5 ?С. в якості порівняння можна зазначити, що хмари та водні пари в атмосфері знижують температуру земної поверхні приблизно на 15 ?С. якщо вміст аерозолів в тропосфері збільшується вдвічі, то це викликає зниження температури земної поверхні більш ніж на 1,5 ?С, але не в два рази. Вважається, що коротко часові зміни вмісту аерозолів в атмосфері можуть призвести до кліматичних змін. Але ці припущення не є коректними, тому що вплив забруднення атмосфери аерозолями слід розглядати в сукупності з іншими факторами: відбивальною здатністю земної поверхні, вмістом газів в тропосфері, що поглинають тепло, а також за наявності в стратосфері газів, що руйнують озон.
На даний час відсутні данні при вплив аерозолів в стратосфері при висоті близько 20 км на температуру в тропосфері і кліматичні зміни. Навіть потужні вулканічні виверження не виявляють помітного впливу на клімат, хоча при цьому температура в стратосфері підіймається на декілька градусів. Так, наприклад, при виверженні вулкана Агунг на о. Балі в 1963 році протягом трьох років існував стратосферний шар із частинок пилу та аерозолів, що викликав підвищення температури в забрудненій нижній частині стратосфери на 6-7 ?С в порівнянні з первинним значенням до виверження. При цьому температура нижчих шарів повітря, близьких до поверхні землі, знизилась лиш на декілька десятих градуса, що не викликало помітних кліматичних змін.
Проведені в США дослідження показали, що за минулі 20 років вміст сірчанокислих аерозолів в стратосфері щорічно збільшується приблизно на 9%. Цей приріст призводить до постійної присутності в атмосфері сірковмісних сполук антропогенного походження. Кожні 7,5 років густина сіркокислих аерозолів в стратосфері подвоюється. При такій швидкості приросту сіркокислих аерозолів за 25 років їх густина підвищиться десятикратно. Відбуватиметься такий же вплив як і при виверженні вулкану Агунг. Якщо прослідують нові потужні вулканічні виверження або в стратосфері з'являться які-небуть гази, що поглинають тепло, то можлива помітна зміна клімату, але на охолодження повітряних мас, близьких до земної поверхні, більше впливають теплопоглинаючі гази в тропосфері. Отож потрібно уважно стежити за накопиченням в стратосфері пилу та аерозолів і за змінами в їх поведінці.
Хімічні реакції в тропосфері і стратосфері за участю аерозолів.
До цього часу систематично проводились спостереження за змінами вмісту сполук сірки в стратосфері, процеси їх утворення до цього часу ще не з'ясовані. Найбільш достовірною являється реакція між діоксидом сірки SO2 з радикалом OH?. При цьому радикали OH? утворюються по ланцюговим реакціям, що супроводжують фотоліз озону. Вміст озону в тропосфері складає 10 -100 млрд -1. Під впливом світла озон зазнає перетворень, утворюючи або атомарний кисень в лужному стані О(3Р), або збуджений кисень в синглетному стані О(3D):
O3 ???310nm ?O2+O(3P)
O3 ???310nm??O2+O(1D)
Збуджений кисень з парами води може утворювати радикали OH?:
O(1D)+ H2O?? OH?+ OH?
Виключно реакційноспроможні радикали OH? утворюють з SO2 сірчану кислоту:
SO2 + 2OH? ?H2SO4
В цю реакцію вступає не тільки SO2 антропогенного походження, але й діоксид сірки, утворений з відновлювальних форм природних сполук сірки, що, можливо, окислюються за допомогою радикалів OH? в SO2.
Тропосферні аерозолі сірчаної кислоти, на відміну від стратосферних аерозолів , можуть зберігатись в атмосфері тільки декілька діб- вони або випадають разом з дощами, або ж відкладаються у твердому вигляді. В тропосфері нейтралізація кислотних забруднень здійснюється пиловими частками лужного та земельнолужного характеру. На даний час ці процеси не отримали якісної оцінки. Швидше за все вони грають велику роль в промислових районах та великих містах, чим в сільській місцевості. В ФРГ за останні 30 років викиди пилу скоротилися в 10 разів, хоча кислі забруднення скоротилися значно менше ,- очевидно ефект нейтралізації проявляється слабше, чим в 50-ті роки ХХ- століття.
В вихлопних газах автомашин, двигуни яких працюють на паливі з антидетонаційними добавками на основі тетраетил свинцю, можна помітити незгорівший тетраетил свинець (ТЕС). Викиди останього особливо великі при старті холодного мотору, при цьому концентрація ТЕС в вихлопних газах може складати 5 мг\м3 . в міському повітрі йде розбавлення до концентрації 0,1-1 мкг\м3 . надзвичайно летючий, хоча і киплячий при температурі 200?С, ТЕС розповсюджується в повітрі і може досягати місцевостей з незабрудненим повітрям. При цьому переносі ультрафіолетові промені з довжиною хвилі 250 нм перетворюють ТЕС в радикал, який в присутності ще невідомого акцептора електронів (Х) утворює іон тетраетил свинцю:
EMBED ChemDraw.Document.5.0
??=250nm??Pb(C6H5)3? +C2H5? ?+x Pb(C6H5)3+ +x-
ця реакція проходить, очевидно, на відомій відстані від Землі, де ультрафіолетове випромінювання вже не дуже ослаблене пилом і аерозолями, що знаходяться близько до поверхні. Особливою рисою Pb(C6H5)3+ є та, що завдяки її іонному характеру проявляються її гідрофільні властивості, а наявність групи C2H5? надає ліпофільний характер. Завдяки таким властивостям іон тетраетил свинцю може проходити між клітинні мембрани і відкладатися в організмі на сірковмісних молекулах білків. Поки що немає прямих вказівок про небезпечність іонів ТЕС для живих організмів. Вважається , що іон тетраетил свинцю може мати токсичні властивості через токсичність самого ТЕС.
Література:
Г.Феленберг - Загрязнение пиродной среды\\Москва «Мир»1997
И.А.Терновский – Допустимые выброси вредных химических веществ в приземистый слой атмосфери \\1985