Строение атмосферы и физические процессы в ней

Содержание 

1 Строение атмосферы и физические процессы в ней

2 Оценка загрязнения атмосферного воздуха и его влияние на человека. ПДК

3 Нормирование выбросов в атмосферу ПДВ

4 Основные загрязнители атмосферы

5 Принципы очистки пылегазовых выбросов (пылеулавители газо- и пароочистители) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Строение  атмосферы и физические процессы в ней

Атмосфера – наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит с космическим  пространством; через атмосферу  осуществляется обмен вещества и  энергии с космосом.

Современная земная атмосфера представляет собой  многокомпонентную воздушную оболочку Земли с массой менее 10-6 от массы  Земли.

Основной  группой компонентов атмосферы  является механическая смесь газов  в атомарном, молекулярном или кластерном состояниях. Атмосферные газы в условиях земной атмосферы находятся как  в нейтральном, так и в ионизированном состоянии. Современная атмосфера  является азотно-кислородной, так как  объемное содержание нейтральных молекул  азота N2 (78%) и кислорода О2 (21%) в  нижних слоях атмосферы является подавляющим. Тем не менее функциональная роль многих других атмосферных газов  остается столь большой, что их также  относят к числу основных газов. В это число входят водяной  пар, углекислый газ СО2, озон О3. Другие атмосферные газы естественного  и индустриального происхождения  принято называть малыми газовыми примесями.

Второй важной группой компонентов атмосферы  являются атмосферные аэрозоли –  взвешенные в воздухе частицы  твердого тела или капель жидкости природного и антропогенного происхождения. Аэрозоль с жидкими (туманы, облака) и твердыми частицами (пыль, дымы, смоги) постоянно присутствует в атмосфере, но варьирует в широких пределах по размерам (от кластеров до дождевых капель) и по концентрации. Эти вариации вызываются процессами аэрозолеобразования  и трансформации аэрозоля как  естественного, так и индустриального  происхождения.

Третью важную группу атмосферных компонентов  составляют физические поля, постоянно  присутствующие в атмосфере и  определяющие многие свойства и структуру  земной атмосферы. По заметному влиянию  на атмосферные процессы, а через  них или непосредственно на условия  жизни и хозяйственную деятельность человека на планете, можно выделить:

- электромагнитное  поле,

- гравитационное  поле,

- электростатическое  поле, магнитное поле Земли,

- космические  лучи как особый сверхкороткий  диапазон электромагнитных волн. 

Все компоненты земной атмосферы имеют неоднородное распределение вдоль земной поверхности  и по высоте. Более того, изменяются основные физические параметры этих компонентов, неоднородность которых  по высоте выражена более четко, чем  по горизонтали.

Вертикальная  протяженность атмосферы по некоторым  физическим компонентам доходит  до 60-70 тыс. км без четкой верхней  границы. Атмосфера постепенно переходит  в межпланетную среду, но ее определяющая масса сосредоточена в тонком слое, прилегающем к земной поверхности. Примерно 50 % всей массы атмосферы  содержится в слое до высоты 5 км, 75 % - до высоты 10, 90 % - до 16, 99% - до 30 км. Убывание массы атмосферы с ростом высоты близко к экспоненциальной зависимости. В сотни раз быстрее по вертикали, чем по горизонтали изменяются и  многие другие физические параметры. Поэтому  при рассмотрении вопросов о строении атмосферы на первое место выступает  неоднородность ее свойств по вертикали. Из многих признаков, на основе которых атмосферу делят на слои (сферы), наиболее употребительным является изменение температуры воздуха в зависимости от высоты.

Тропосфера  – нижний слой, примыкающий к  поверхности Земли (высота 9–17 км). В  нем сосредоточено около 80% газового состава атмосферы и весь водяной  пар. Характеризуется падением температуры  в среднем 6,5°С на 1 км при возможных  отклонениях до 3°С на 1 км в ту и  другую сторону. Именно в тропосфере образуются туманы и все наиболее важные виды облаков, формируются осадки, грозовая деятельность. В полярных и умеренных широтах высота тропосферы достигает 8-12 км, а в тропиках 16-18 км.

Стратосфера – следующий над тропосферой  слой атмосферы, в нижней части которого температура остается постоянной и  равной примерно минус 56°С (до высоты около 20 км), а затем увеличивается с  возрастающим (?2,8° С/км) градиентом до одинаковой и равной минус 2,5°  С для всех широт. Рост температуру  в верхних слоях стратосферы  обусловлен поглощением ультрафиолетового  излучения озоном.

Мезосфера – следующий над стратосферой слой атмосферы, в котором температура  понижается с градиентом около 3,5 °С/км и на высоте 80-95 км составляет в среднем 88 °С. В этом слое атмосферы, как и  в более низких, еще доминируют процессы турбулентного перемешивания  и за счет этого отсутствуют гравитационное разделение легких и тяжелых газов.

Термосфера  – слой атмосферы над мезосферой. Температура здесь растет за счет поглощения коротковолнового ультрафиолетового  солнечного излучения кислородом, который  при этом диссоциирует. Особую роль здесь начинает играть молекулярная диффузия газов в поле тяготения  и как результат – значительное изменение с ростом высоты соотношения легких и тяжелых газов. Заметное влияние на термосферу в высоких широтах оказывает и диссипация электромагнитной энергии, связанная со взаимодействием солнечного ветра (потоком плазмы от Солнца) и магнитного поля Земли.

Экзосфера – самый верхний и разряженный  слой атмосферы. Плотность газов  в этом слое столь мала, что становится возможным «убегание» из атмосферы  наиболее легких газов (водорода и гелия), отдельные молекулы которых имеют  для этого достаточные скорости в соответствии с распределением Максвелла. Часто с точки зрения особенностей газового состава экзосфера  рассматривается как верхняя  часть атмосферы. При таком подходе  нижняя часть атмосферы, в которой  происходит полное турбулентное перемешивание  азов и доля основных (О2 и N2) не меняется с ростом высоты, называется гомосферой. Средняя часть атмосферы, в которой  происходит диффузионное разделение газов  в поле тяготения и с увеличением  высоты начинают доминировать более  легкие газы (сначала атомарный кислород, затем гелий и водород), называется гетеросферой.

Еще одни важным признаком, по которому в атмосфере  выделяются слои, являются заряженные компоненты. Последние по разным причинам присутствуют на всех высотах, обуславливая электропроводимость атмосферы, грозовые и другие явления атмосферного электричества. Но в верхних слоях атмосферы  выделяются несколько слоев повышенной концентрации заряженных частиц (которые  принято называть ионосферой).   Главные атмосферные процессы, как  внутренние, так и по взаимодействию с внешними факторами, являются признаками, положенными в основу часто употребляемого в литературе деления атмосферы  по высоте на нижнюю (тропосферу и стратосферу), среднюю и верхнюю. Наконец, область околоземного пространства, которая под действием магнитного поля Земли обтекается солнечным ветром и имеет несферическую форму, часто рассматривается как продолжение атмосферы и называется магнитосферой Земли. 
 
 
 
 
 

Оценка  загрязнения атмосферного воздуха и его  влияние на человека. ПДК 

Вещества, находящиеся  в атмосферном воздухе, попадают в организм человека главным образом  через органы дыхания. Вдыхаемый  загрязненный воздух через трахею и  бронхи попадает в альвеолы легких, откуда примеси поступают в кровь  и лимфу. В нашей стране проводятся работы по гигиенической регламентации (нормированию) допустимого уровня содержания примесей в атмосферном воздухе. Обоснованию гигиенических нормативов предшествуют многоплановые комплексные исследования на лабораторных животных, а в случае оценки ольфакторных реакций организма на действия загрязняющих веществ и на добровольцах. При таких исследованиях используются самые современные методы, разработанные в биологии и медицине.

В настоящее  время определены предельно допустимые концентрации в атмосферном воздухе  более чем 500 веществ.

Предельно допустимая концентрация (ПДК) - это  максимальная концентрация примеси  в атмосферном воздухе, отнесенная к определенному времени осреднения, которая при периодическом воздействии  или на протяжении всей жизни человека не оказывает и не окажет на него вредного влияния (включая отдаленные последствия) и на окружающую среду  в целом.

Гигиенические нормативы должны обеспечивать физиологический  оптимум для жизни человека, и, в связи с этим, к качеству атмосферного воздуха у нас в стране предъявляются  высокие требования. В связи с  тем, что кратковременные воздействия  не обнаруживаемых по запаху вредных  веществ могут вызвать функциональные изменения в коре головного мозга  и в зрительном анализаторе, были введены значения максимальных разовых  предельно допустимых концентраций (ПДКмр.) С учетом вероятности длительного  воздействия вредных веществ  на организм человека были введены  значения среднесуточных предельно  допустимых концентраций (ПДКсс).

Таким образом, для каждого вещества установлено  два норматива: Максимально разовая  предельно допустимая концентрация (ПДКмр) (осредненная за 20-30 мин) с  целью предупреждения рефлекторных реакций у человека и среднесуточная предельно допустимая концентрация (ПДКсс) с целью предупреждения общетоксического, мутагенного, канцерогенного и другого  действия при неограниченно длительном дыхании. 

Значения  ПДКмр и ПДКсс для наиболее часто встречающихся в атмосферном  воздухе примесей приведены на рис. таблица 1. В правой крайней графе таблицы приведены классы опасности веществ: 1-чрезвычайноопасные, 2-высокоопасные, 3- умеренноопасные и 4 - малоопасные. Эти классы разработаны для условий непрерывного вдыхания веществ без изменения их концентрации во времени. В реальных условиях возможны значительные увеличения концентраций примесей, которые могут привести в короткий интервал времени к резкому ухудшению состояния человека.

Таблица 1

 

В местах, где  расположены курорты, на территориях  санаториев, домов отдыха и в зонах  отдыха городов с населением более 200 тыс. человек. концентрации примесей, загрязняющих атмосферный воздух, не должны превышать 0,8 ПДК.

К вредным  веществам, обладающим суммацией действия, относятся, как правило, близкие  по химическому строению и характеру  влияния на организм человека, например:

-диоксид серы и аэрозоль серной кислоты;

-диоксид серы и сероводород;

-диоксид серы и диоксид азота;

-диоксид серы и фенол;

-диоксид серы и фтористый водород;

-диоксид и триоксид серы, аммиак, оксиды азота;

-диоксид серы, оксид углерода, фенол и пыль конверторного производства. 

Вместе с  тем многие вещества при одновременном  присутствии в атмосферном воздухе  не обладают суммацией действия, т.е. предельно допустимые значения концентраций сохраняются для каждого вещества в отдельности, например:

-оксид углерода и диоксид серы;

-оксид углерода, диоксид азота и диоксид серы;

-сероводород и сероуглерод.

В том случае, когда отсутствуют значения ПДК, для оценки гигиенической опасности  вещества можно пользоваться показателем  ориентировочно- безопасного максимального  разового уровня загрязнения воздуха (ОБУВ).

Разработаны также значения предельно допустимых концентраций веществ в воздухе  рабочей зоны (ПДКрз).

Значение  ПДКрз должно быть таким, чтобы не вызывать у рабочих при ежедневном вдыхании в течение 8 часов заболеваний  или не приводить к ухудшению  состояния здоровья в отдаленные сроки. Рабочей зоной считается  пространство до 2 м высотой, где  размещается место постоянного  или временного пребывания работающих. Так ПДКрз диоксида серы составляет 10, диоксида азота - 5, а ртути - 0,01 мг/м3, что значительно выше, чем ПДКмр  и ПДКсс соответствующих веществ (см. табл. 1). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Нормирование  выбросов в атмосферу  ПДВ

Для каждого  проектируемого и действующего объекта, являющегося стационарным источником загрязнения воздушного бассейна, устанавливают  нормативы предельно допустимых выбросов (ПДВ) загрязняющих веществ  в атмосферный воздух. ПДВ устанавливают  из условия, что выбросы вредных  веществ от данного источника  в совокупности с другими источниками  не создают приземную концентрацию, превышающую ПДК за пределами  санитарно-защитной зоны: С+Сф(

ПДК, где

С – концентрация вещества в приземном слое от расчетного источника при сохранении нормативов ПДВ;

Сф –  фоновая концентрация этого же вещества.

Если на данном предприятии или группе предприятий, рассположенных в данном регионе, значение ПДВ по объективным причинам не могут  быть немедленно достигнуты, устанавливают  временно согласованный выброс (ВСВ). Норматив ВСВ устанавливают на период разработки и организации воздухо-охранных мероприятий, обеспечивающих достижение нормативов ПДВ . Срок действия ПДВ  устанавливается на 5 лет. При появлении  новых производств, реконструкции  действующих, изменении технологического процесса или вида используемого  сырья и других случаях, нормативы  ПДВ пересматриваются.