Мониторинг состояния атмосферы

Московский Государственный  Вечерний Металлургический Институт 
 
 
 
 

Кафедра химии и  экологии 
 
 

Реферат по экологическому мониторингу на тему: «Мониторинг  состояния атмосферы» 
 
 
 
 
 
 
 

                       Группа: МЭ-02 

                                            Студент: Молчева Анастасия 

                                                Преподаватель: Морозова И.М. 
 
 
 
 
 

Москва, 2006г. 

Атмосфера - газовая  оболочка, окружающая небесное тело. Ее характеристики зависят от размера, массы, температуры, скорости вращения и химического состава данного  небесного тела, а также определяются историей его формирования начиная с момента зарождения. Атмосфера Земли образована смесью газов, называемой воздухом. Ее основные составляющие – азот и кислород в соотношении приблизительно 4:1.  

На человека оказывает  воздействие главным образом  состояние нижних 15–25 км атмосферы, поскольку именно в этом нижнем слое сосредоточена основная масса воздуха. Наука, изучающая атмосферу, называется метеорологией, хотя предметом этой науки являются также погода и  ее влияние на человека. Состояние  верхних слоев атмосферы, расположенных  на высотах от 60 до 300 и даже 1000 км от поверхности Земли, также изменяется. Здесь развиваются сильные ветры, штормы и проявляются такие удивительные электрические явления, как полярные сияния. Многие из перечисленных феноменов  связаны с потоками солнечной  радиации, космического излучения, а  также магнитным полем Земли. Высокие слои атмосферы – это  также и химическая лаборатория, поскольку там,0 в условиях, близких  к вакууму, некоторые атмосферные  газы под влиянием мощного потока солнечной энергии вступают в  химические реакции. Наука, изучающая  эти взаимосвязанные явления  и процессы, называется физикой высоких  слоев атмосферы.  

Состав.  

Нижние слои атмосферы  состоят из смеси газов (см. табл.). Кроме приведенных в таблице, в виде небольших примесей в воздухе присутствуют и другие газы: озон, метан, такие вещества, как оксид углерода (СО), оксиды азота и серы, аммиак.

СОСТАВ АТМОСФЕРЫ  

Газ  

Содержание в сухом  воздухе, % 

N2 

азот 

78,08 

O2 

кислород 

20,95 

Ar 

аргон 

0,93 

CO2 

углекислый газ 

0,03 

Ne 

неон 

0,0018 

He 

гелий 

0,0005 

Kr 

криптон 

0,0001 

H2 

водород 

0,00005 

X 

ксенон 

0,000009 
 

В высоких слоях  атмосферы состав воздуха меняется под воздействием жесткого излучения  Солнца, которое приводит к распаду  молекул кислорода на атомы. Атомарный  кислород является основным компонентом  высоких слоев атмосферы. Наконец, в наиболее удаленных от поверхности  Земли слоях атмосферы главными компонентами становятся самые легкие газы – водород и гелий. Поскольку  основная масса вещества сосредоточена  в нижних 30 км, то изменения состава  воздуха на высотах более 100 км не оказывают заметного влияния  на общий состав атмосферы.

Нормирование качества атмосферного воздуха 

Для количественной оценки содержания примеси в атмосфере  используется понятие концентрации — количества вещества, содержащегося  в единице объема воздуха, приведенного к нормальным условиям. 

Качество атмосферного воздуха — это совокупность его  свойств, определяющая степень воздействия  физических, химических и биологических  факторов на людей, растительный и животный мир, а также на материалы, конструкции  и окружающую среду в целом. Качество атмосферного воздуха может считаться  удовлетворительным, если содержание примесей в нем не превышает предельно  допустимых концентраций (ПДК). ПДК  — это максимально концентрация примеси в атмосфере, отнесенная к определенному времени осреднения, которая при периодическом воздействии  или на протяжении все жизни человека не оказывает на него и на окружающую среду в целом прямого или  косвенного воздействия, включая отдаленные последствия. Под прямым воздействием понимается нанесение организму  человека временного раздражающего  действия, вызывающего ощущение запаха, кашель, головную боль. При накоплении в организме вредных веществ  выше определенной доз могут возникать патологические изменения отдельных органов или организма в целом. Под косвенным воздействием понимаются такие изменения в окружающей среде, которые, не оказывая вредного влияния на живые организмы, ухудшают, обычные условия обитания: поражаются зеленые насаждения, увеличивают число туманных дней и т.д. 

Основным критерием  установления нормативов ПДК для  оценки качества атмосферного воздуха  является воздействие содержащихся в воздухе загрязняющих примесей на организм человека. 

Для оценки качества атмосферного воздуха установлены  две категории ПДК: максимально  разовая (ПДКмр) и среднесуточная (ПДКСС). 

ПДКМр — основная характеристика опасности вредного вещества. Установлена для предупреждения рефлекторных реакций у человека (ощущение запаха, световой чувствительности, биоэлектрической активности головного мозга) при кратковременном воздействии атмосферных примесей. По этому нормативу оцениваются вещества, обладающие запахом или воздействующие на другие органы чувств человека. 

ПДКСС — установлена для предупреждения общетоксического, канцерогенного, мутагенного и другого влияния вещества на организм человека. Вещества, оцениваемые по этому нормативу, обладают способностью временно или постоянно накапливаться в организме человека. 

К началу 1999 г. по нормативам ПДК оценивалось около 1000 веществ, которые могут попадать в атмосферный  воздух. ПДК наиболее распространенных загрязняющих веществ приведены в табл. 4.3. 

Таблица 1. ПДК наиболее распространенных веществ 
 

Наименование загрязняющего ввещества  

ПДК м р , мг/м3 

ПДК сс , мг/м3 

Азота диоксид  

0,085  

0,04  

Азота оксид  

0,4  

0,06  

Ангидрид серный  

0,5  

0,05  

Аммиак  

0,2  

0,04  

Бенз(а)пирен  

—  

0,1 мкг/100м3  

Взвешенные вещества  

0,5  

0,15  

Ртуть металлическая   

—  

0,0003  

Свинец и его  соединения  

—  

0,0003  

Углерода оксид   

5  

3  

Угольная зола ТЭС   

0,05  

0,02  

Формальдегид  

0,35  

0,003  

Хлор  

0,1  

0,03  
 

Перечень веществ, содержание которых в атмосферном  воздухе нормируется, постоянно  пополняется. Установлены временные  нормативы ПДК загрязняющих веществ  в воздухе для древесной растительности (ПДКЛ) 

Таблица 2. Нормативы  ПДК л, мг/м3 
 

Наименование примесей в атмосферном воздухе  

ПДКлмг 

ПДК л с.с. 

Азота оксид (в пересчете  на NO2)  

0,04 

0,02 

Аммиак  

0,1 

0,04 

Бензол  

0,1 

0,05 

Метанол  

0,2 

0,1 

Пары серной кислоты (H2S04)  

0,1 

0,03 

Сернистый ангидрид  

0,3 

0,02 

Сероводород  

0,008 

0,008 

Твердые частицы (пыль)  

0,2 

0,05 

Циклогексан  

0,2 

0,2 

Формальдегид  

0,2 

0,003 

Фтористые соединения (в пересчете на фтор)  

0,02 

0,005 
 

Если вещество оказывает  на окружающую природную среду вредное  воздействие в меньших концентрациях, чем на человека, то при нормировании ходят из порога действия этого вещества на окружающую природу. Воздействие  веществ, для которых не установлены  ПДК, оценивается по ориентировочному безопасному уровню воздействия  загрязняющего атмосферу вещества (ОБУВ). ОБУВ — временный гигиенический  норматив для загрязняющего атмосферу  вещества, устанавливаемый расчетным  методом для лей проектирования промышленных объектов. 

Нормативы ПДК для  атмосферного воздуха являются едиными  для всей территории Украины. Установленные в других странах ПДК могут отличаться  в большую или меньшую сторону. Например, в США установлена ПДК для SO2 — 0,75 мг/м3, а в Украине — 0,5 мг/м3. Для зон санитарной охраны, курортов, мест размещения крупных санаториев и домов отдыха, а также зон отдыха городов ПДК установлена на 20% меньше, чем для жилых районов. 

Некоторые вещества при одновременном присутствии  в атмосфере воздухе обладают однонаправленным действием, т.е. эффектом суммации этом случае при оценке качества атмосферного воздуха должно выполняться  следующее условие: 
 

(1) 
 
 
 
 

где  Ср С2, ..., Сп — концентрация каждого из веществ, обладающих эффектом суммации, мг/м3; 

ПДК,, ПДК,, ..., ПДК„ — предельно допустимые концентрации этих веществ Перечень веществ, обладающих эффектом суммации, постоянно дополняется и на сегодняшний день насчитывает 51 группу веществ однонаправленого действия. 

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: 
 
 

(2) 
 
 
 
 

где С — концентрация вещества в приземном слое от расчетного источника при сохранении норматива ПДВ, Сф - фоновая концентрация этого же вещества. 

Если на данном предприятии  или группе предприятий, расположенных  в одном районе, значения ПДВ по объективным причинам не могут быть немедленно достигнуты, устанавливают  временно согласованный выброс (ВСВ). Норматив ВСВ устанавливают на период разработки и реализации воздухо-охранных мероприятий, обеспечивающих достижение нормативов ПДВ. Срок действия норматива ПДВ, как правило, не превышает 5 лет. При появлении новых производств, реконструкции действующих, изменении технологического процесса или вида используемого сырья и в других аналогичных случаях нормативы ПДВ подлежат пересмотру. 

Для каждого города на основании нормативов ПДВ предприятий  и фонового состава атмосферного воздуха разрабатывают общегородские  нормативы ПДВ, в соответствии с  которыми индивидуальные ПДВ предприятий  могут быть пересмотрены в сторону  уменьшения. 

Уровень загрязнения  атмосферы остается высоким. В 74% городов  степень загрязнения воздуха  оценивается как очень высокая  и высокая и только в 16% городов - как низкая.  
 
 

Число городов (%), где ИЗА 14 (1), 7-13 (2), 5-6 (3), 5 (4)  

Если учитывать  численность населения, проживающего в городах с высоким и очень  высоким загрязнением воздуха, то ситуация оказывается еще более неблагополучной. Из 200 городов с населением 65,4 млн. жителей, где проводятся наблюдения и имелась возможность оценить  уровень загрязнения атмосферы  по показателю ИЗА, 94% населения (61,5 млн) живет в условиях высокого и очень высокого загрязнения атмосферы.  
 
 

Численность населения (%) в городах, где ИЗА 14, 7-13, 5-6, 5 по данным 200 городов с общей численностью населения 65,4 млн. человек.  

В целом по России 37% городского населения проживает  на территориях, где не проводятся наблюдения за загрязнением атмосферы, а 60% - в городах  с высоким и очень высоким  уровнем загрязнения атмосферы.  
 
 

Численность населения (%) в городах, где ИЗА 14 (1), 7-13 (2), 5-6 (3), 5 (4) , численность населения РФ в городах, где уровень загрязнения не оценивался из-за отсутствия наблюдений или их недостаточного количества (5) 
 

Мониторинг состава  атмосферы 
 
 

Мониторинг состава  атмосферы и прогнозирование  его изменений являются одним  из важнейших условий устойчивого  развития страны. Мониторинг дает необходимую  информацию как для решения фундаментальных  научных проблем, связанных с  изучением и прогнозированием глобальных изменений среды обитания человека и климата Земли, так и для  выработки эффективной экологической  политики, в частности, в области  принятия и исполнения Международных  соглашений: Монреальского и Киотского протоколов, Конвенций о трансграничном переносе  загрязнений, об устойчивых органических загрязнениях и целом ряде других. Учитывая, что природно-экологические условия России, их разнообразие являются важнейшим ресурсом в сфере регулирования глобального баланса парниковых газов и многих загрязняющих примесей, такая информация может стать основанием для получения страной компенсации за ущерб, наносимый поступающими на ее территорию загрязнениями. 

         Основная цель создаваемой Российской системы мониторинга состава атмосферы (РСМСА) заключается в проведении комплексных наблюдений содержания в атмосферном воздухе газовых и аэрозольных примесей, радиационных и термодинамических параметров для обнаружения изменений состояния атмосферы и прогнозирования возможных последствий. 

РСМСА дополнит систему  глобального мониторинга состава  атмосферы (GAW), действующую под эгидой ВМО и испытывающую крайнюю необходимость  в создании сети станций на севере Евразии. Структура РСМСА повторяет  в основном структуру GAW. На территории России создаются две обсерватории (глобальные станции) – на Северном Кавказе и в центре Сибири, и  около десятка региональных станций. Особенностью РСМСА является включение  в эту систему Передвижной  железнодорожной обсерватории, способной  вести измерения всех ключевых примесей и параметров на большей части территории России и в соседних странах.          

В состав сети входят две стационарных обсерватории, глобальные станции, одна передвижная обсерватория, 10-11 региональных станций и корреспондентские  станции (рис.1). В число последних  включаются все наблюдательные станции  или наблюдательные пункты, которые  ведут измерения в рамках международных, национальных, областных и отраслевых экологических программ хотя бы одного необходимого для контроля состава  атмосферы параметра. 

Такое относительно небольшое количество станций при  оптимальном их размещении способно давать необходимую информацию о  составе атмосферы над всей территорией  страны, антропогенных и природных  эмиссиях ключевых примесей, процессах  регионального и дальнего переноса загрязняющих веществ, включая перенос  через российскую границу, а также  давать независимую оценку состояния  глобальной атмосферы. 

  

Согласно рекомендациям  ВМО и предложениям многочисленных экспертных групп, одна из обсерваторий должна располагаться в центре Сибири в зоне бореальных лесов на значительном удалении от промышленных объектов. При  наличии высотной мачты (250-300 м) такая  обсерватория способна давать информацию, репрезентативную для значительной части всего Сибирского региона. 

  

Вторая обсерватория должна располагаться в высокогорной незагрязненной местности. Таким местом может быть Северный Кавказ. Ее отличительная  особенность –  

способность контролировать состав свободной атмосферы, вынос  загрязнений вверх за пределы  загрязненного пограничного слоя и  давать оценку изменениям состава глобальной атмосферы под воздействием человеческой деятельности. 

  

Сеть региональных станций должна охватывать все эколого-климатические  области России. В пределах каждой из этих областей воздушную среду  можно, в первом приближении, рассматривать  как единую фотохимическую систему. Т.е. достаточно иметь одну станцию  высокого уровня, ведущую комплексные  измерения, и несколько наблюдательных пунктов, чтобы, используя современные  численные модели атмосферы, следить  за состоянием воздушной среды в  масштабе региона и прогнозировать ее изменения. 

  

Передвижная обсерватория на базе двух специализированных железнодорожных  вагонов объединяет все станции  в единую сеть и сводит отдельные  фрагменты химического состояния  атмосферы в единую картину. Также  она обеспечивает калибровку сетевых  приборов, валидацию спутниковых данных и выполняет многие другие функции, в том числе обычной стационарной станции или обсерватории. В дополнение к перечисленным выше задачам мониторинга она может выявлять природные и техногенные экстремальные ситуации и прослеживать их развитие. Передвижная обсерватория действует на сети железных дорог России и стран СНГ. Предполагается, что обсерватория будет направляться и в другие страны, с целью уточнения источников примесей, фотохимических и динамических процессов, действующих на континенте. 

  

Другой составной  частью Российской системы мониторинга  состава атмосферы являются космические  средства наблюдений. Поскольку наиболее приоритетным направлением атмосферного мониторинга является контроль ее химического состава и возможных его изменений над территорией России, а не в глобальном масштабе, то в ближайшие годы работа космической системы должна проходить в основном в рамках двустороннего и многостороннего Международного сотрудничества в области космических исследований с активным использованием зарубежных спутников и систем наблюдения состава атмосферы. Благодаря разработанным в России методам и алгоритмам дистанционного зондирования, наличию уникальных технических разработок участие российских специалистов в уже действующих и планируемых международных космических проектах может быть полноценным и эффективным. Это позволяет в ближайшие годы сосредоточить огромные средства на развертывании наземной сети станций. 

Передвижная обсерватория мониторинга природной среды 

  

В 2003 году по техническому заданию разработанному Институтом физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН и ВНИИ железнодорожного транспорта МПС на Торжокском вагоностроительном заводе изготовлена передвижная обсерватория для наблюдения состава атмосферы и загрязнения природной среды.  

  

Состав из 2-ух специализированных вагонов: 

1 - вагон-лаборатория  для наблюдений состава атмосферы  в непрерывном режиме; 

2 - химическая лаборатория. 

  

Основные задачи:  

Обсерватория решает широкий круг научных задач, связанных  с изучением атмосферы, состояния  экосистем и климата Земли, и  дает необходимую информацию для  прогнозирования их изменений под  воздействием человеческой деятельности.

В рамках Киотского  протокола, Монреальского протокола и других международных соглашений ведет контроль исполнения принятых решений по ограничению выбросов в атмосферу парниковых, озоноразрушающих, токсичных и других веществ.

Ведет калибровку национальных сетей и космических средств  наблюдений атмосферы, связывая их в  единую систему климатического мониторинга  в Евразии.

Проводит оценку региональных и местных загрязнений  атмосферного воздуха и природной  среды в интересах отдельных  регионов, отраслей народного хозяйства  и промышленных предприятий.

Выполняет роль арбитра в экологических спорах, в том числе, международных.

Контролирует возникновение  и развитие экстремальных ситуаций природного и техногенного происхождения.

Служит научно-производственной базой для обучения студентов  российских и зарубежных учебных  заведений в области наук о  Земле и экологии. 

Области применения:  

Контроль исполнения Международных экологических соглашений (Киотский и Монреальский протоколы, конвенции о трансграничном переносе загрязнении, ограничении производства устойчивых органических соединений и др.);

Калибровка наземных наблюдательных сетей, валидация данных космического мониторинга природной среды;

Выявление и прослеживание  экстремальных ситуации и техногенных воздействии на окружающую среду;

Решение фундаментальных  научных проблем, связанных с  глобальными изменениями природной  среды и климата Земли;

Контроль загрязнения  полосы отвода железнодорожного транспорта;

Оценка влияния  работы железнодорожного транспорта на экологическое состояние окружающей территории. 
 

Передвижная обсерватория ТРОИКА состоит из двух специализированных железнодорожных вагонов: непосредственно  вагона-обсерватории и химической лаборатории.  

  

Вагон-обсерватория ведет все те измерения и отбор  проб , которые включены в систему GAW. В химической лаборатории проводится анализ проб воздуха и аэрозолей, а также воды, почвы и растений на химический, элементный и биологический состав. Обсерватория оборудована высокоточной навигационной системой GPS, автоматизированной системой сбора, обработки и передачи данных измерений, видео- и аудиоинформации через спутник. Кроме научного оборудования каждый из вагонов имеет два купе для операторов, кухню, душ, биотуалет, систему отопления и кондиционирования воздуха, комбинированную систему энергообеспечения с высокой полезной нагрузкой (20 кВт – в вагоне-обсерватории). 

            В состав химической лаборатории  входит автомобиль-лаборатория для  проведения специальных измерений  и отбора проб на местности.  Оба вагона могут работать  вместе или раздельно в зависимости  от научной программы. 

Измерительный комплекс:

1. Непрерывные измерения  концентраци и газов (O3, NO, NO2,СО, СO2, SO2, СН4, неметановые углеводороды) - газоанализаторы, газовые хромотографы.

2. Непрерывные измерения  концентрации и микрофизических  свойств аэрозолей

- счетчики, нефелометры,  аэтолометры.

3. Дистанционное  зондирование содержания О3, NO2, СО, СН4 и аэрозолей в атмосфере

-спектрофотометры, радиометр, поляризационный фотометр.

4. Отбор и анализ  воздуха и аэрозолей на элементный, химический и изотопный состав

- пробоотборники  разных типов, рентгеновский спектрометр,  газовые хромотографы.

5. Измерения солнечной  радиации, термодинамических и метеорологических  параметров

-измерители интегральной  и УФ радиации, измерители скоростей  фотодиссоциации О3 и NO2, измеритель профиля температуры в слое 0-1200 м, акустоанемометр, метеоприборы.

6. Регистрация данных  и их передача по телекоммуникационным  каналам

- GРS, телефон, сервер, персональные компьютеры.

7. Вспомогательное  оборудование. 

Характерные особенности  и достоинства:

1. Использование  сетевых приборов и международных  калибровочных средств. Соответственно, высокое качество данных и  привязка их к мировой сети  мониторинга атмосферы.

2.Широкий диапазон  измерений содержания примесей  от низких фоновых значений  до очень высоких концентраций  вблизи источников.

3.Автоматизация  измерений и передача основных  результатов в Центр данных (г. Москва) в реальном времени.

4.Оптимальный набор  измеряемых параметров позволяет  контролировать текущее фотохимическое  состояние атмосферы и прогнозировать  его изменения, что важно в  экстремальных экологических ситуациях. 

Оценка качеств  данных 

Принципиальное значение для правильной интерпретации данных измерений с подвижной платформы  имеет ответ на вопрос - насколько  сильно искажаются значения концентраций примесей в приземном воздухе  под влиянием движения поезда с вагоном-лабораторией и встречных поездов относительно их невозмущенного фонового? 

  

Влияние собственного поезда 
 

   При изменении  скорости движения и торможении  перед остановкой на показания  приборов могут действовать различные  факторы. Поэтому были проанализированы  данные наблюдений на участках  торможения перед остановкой, во  время стоянки и при последующем  разгоне.