4. Атмосфера

Автоматические газоанализаторы (АГ) - приборы для непосредственного определения и регистрации концентрации отдельных примесей, содержащихся в атмосферном воздухе. Их используют при контроле загрязнения атмосферы наряду с периодическим отбором проб воздуха и последующим анализом их в химических лабораториях. Газоанализаторы позволяют получать непрерывные по времени характеристики загрязнения воздуха и выявить максимальные концентрации примеси, которые могут быть не зафиксированы при периодическом отборе проб воздуха по нескольку раз в сутки.

Газоанализаторы отличаются по определяемым ингредиентам, принципам действия, диапазону измеряемых концентраций и т. п. В приборах, работающих на физико-химических принципах, воздух направляется таким образом, что содержащиеся в нем газы взаимодействуют со специальными реагентами. По характеру или показателям интенсивности реакции определяют концентрации газов. Таковы, например, колориметрические газоанализаторы, в которых использован принцип образования окрашенных продуктов реакции и по степени окраски раствора или ленты, через которые пропускается воздух, устанавливают величину концентрации примеси в нем. Работающие на таком принципе газоанализаторы для определения сернистого газа, окислов азота, озона, хлора и др. достаточно просты и надежны в работе, но чувствительность и точность измерения их сравнительно малы. Большей чувствительностью обладают приборы на кондуктометрическом принципе. Газы в них пропускаются через раствор, который изменяет при этом свою электропроводность. Однако и они, как и колориметрические газоанализаторы, не обладают достаточными метрологическими качествами.

Наиболее приемлемы для практического использования газоанализаторы, работающие на кулонометрической основе. В них измеряется ток электродной реакции окисления или восстановления определяемого вещества или продуктов его реакции. Они обеспечивают высокую точность измерения, просты по конструкции, обладают сравнительно малым весом и габаритом. На этом принципе создан первый в СССР автоматический газоанализатор для определения сернистого газа (SО₂) ГКП-1. В нем анализируемый воздух прокачивается через ячейку с раствором йода в разбавленной серной кислоте. Возникающий в ячейке ток, пропорциональный концентрации SO₂, фиксируется на бумажной ленте. Прибор имеет четыре диапазона измерения в общих пределах от 0 до 10 мг/м³. Он предназначен в основном для стационарного использования с перезарядкой 1 раз в 2 недели. В Советском Союзе выпускается также переносный кулонометрический газоанализатор "Атмосфера" на четыре ингредиента - сернистый газ, сероводород, хлор и озон. К лучшим зарубежным приборам кулонометрического типа относится газоанализатор для определения SО₂ фирмы "Филипс" (Голландия), переносный прибор "Пикос" для определения сероводорода, хлора и окислов азота и некоторые другие.

При разработке газоанализаторов следующего поколения определенными преимуществами пользуются приборы на хемилюминесцентном принципе, позволяющем повысить чувствительность и специфичность (исключение влияния мешающих газов) при определении наиболее распространенных атмосферных примесей. Особенно перспективно их применение для измерения концентрации озона (по интенсивности свечения озона при взаимодействии с этиленом), а также окислов азота и серусодержащих соединений.

Для определения суммарного содержания углеводородов в воздухе наиболее эффективны газоанализаторы на пламенно-ионизационном принципе, изготавливаемые фирмами "Мелой" и "Бендиск" в США и рядом европейских фирм.

Большое внимание при совершенствовании газоанализаторов уделяют изысканию возможностей использования чисто физических принципов их действия, не требующих расхода реактивов. Таковы, например, устройства, основанные на избирательном свойстве поглощения радиации различными веществами. К ним относятся, в частности, оптико-акустические газоанализаторы, используемые главным образом для определения количества окиси углерода (SO). В СССР серийно изготавливают действующий на принципе поглощения инфракрасной радиации один из первых отечественных газоанализаторов для определения CO - ГМК-3. Этот прибор имеет три шкалы измерения 0 ... 40, 0 ... 80 и 0 ... 400 мг/м³, обладает небольшой инерционностью, но чувствительность его мала, поэтому начинали изготовлять газоанализаторы для более точных измерений малых концентраций CO. Использование, например, гетеродинного метода позволяет создать оптико-акустические приборы с чувствительностью на несколько порядков выше, чем у действующих газоанализаторов, для определения CO, SO₂ и ряда других газов (окислов азота, сероводорода и др.).

Большое значение придается также созданию приборов, которыми измеряется интенсивность люминесцентного излучения молекул определенных газов, возбуждаемых лучистой энергией. Они позволяют определить SО₂ до сотых долей, a NО₂ до тысячных долей мг/м³.

В СССР осуществляется широкая программа разработки новых газоанализаторов. Используют наиболее эффективные принципы, что позволяет создавать не только надежные приборы, но и упростить их эксплуатацию и ремонт, подготовку технического персонала. Большое значение приобретают международные сравнения приборов. Такие сравнения, имеющиеся в социалистических странах, а также советско-американские сравнения показали, что используемые в СССР газоанализаторы ГКП-1 и ГМК-3 обладают хорошими метрологическими качествами и по показаниям сопоставимы с лучшими зарубежными приборами.

Газоанализаторы используют и для определения концентрации токсичных веществ непосредственно во вредных выбросах в атмосферу промышленными и транспортными объектами.

Значительное развитие получает также разработка приборов для дистанционного анализа загрязнения атмосферы с применением лазерных и спектроскопических методов.

Автоматизированная система контроля загрязнения воздуха (АСКЗВ) - система, позволяющая получать по каналам связи (большей частью по телефонным линиям) непрерывную информацию о концентрации примесей, поступающую от автоматических газоанализаторов, устанавливаемых в различных районах города или вокруг крупных промышленных объектов [2]. Такие системы получили развитие в США, Японии, Голландии, ФРГ, Чехословакии и других странах. В Голландии, например, автоматически контролируют содержание сернистого газа более чем в 250 пунктах, расположенных в разных частях страны. Полученные результаты передают на центральный пульт для предупреждения о резких увеличениях загрязнения воздуха.

Первые типы АСКЗВ разрабатывают в СССР. Одну из них в опытном порядке эксплуатируют в Ленинграде. Она включает регистрацию концентрации наиболее распространенных примесей и необходимых метеорологических элементов одновременно на ряде пунктов города. На этих пунктах в стандартных павильонах устанавливают контрольно-измерительные станции, датчиками которых являются автоматические газоанализаторы на сернистый газ и окись углерода, анеморумбометр, термограф и др. Информация, полученная по каналам автоматической телефонной сети в центр сбора, выводится на электрическую пишущую машинку ("Консул") и индикационное табло. Обработка ее выполняется специально приданной электронно-вычислительной машиной - процессором.

Если в отдельных пунктах отмечается повышение концентрации примесей, по данным о метеорологических параметрах (в частности о силе ветра) можно судить, чем вызвано данное повышение, от какого источника поступают примеси, а затем передать указания о необходимости сокращения выбросов от данного источника.

Аналогичные системы создают в Москве и некоторых других городах СССР. Наряду с этим разрабатывают типовую систему, для различных городов страны.

Эффективны подобные системы и для контроля загрязнения воздуха в районе отдельных промышленных или энергетических объектов, являющихся мощными источниками выброса вредных веществ в атмосферу. При нарушении режима выбросов или при неблагоприятных метеорологических условиях, когда в приземном слое могут создаваться высокие концентрации примесей, информация АСКЗВ позволяет своевременно принять необходимые меры.

Атмосфера (воздушный бассейн) - газообразная оболочка Земли, воздушный бассейн - часть атмосферы над определенным участком Земли [29, 40]. О воздушном бассейне городов или промышленных районов говорят в связи с его загрязнением.

Атмосфера состоит на 78,09% из азота и на 20,95% из кислорода, а также из водяного пара, инертных и ряда других газов общим объемом около 1%. Этот процентный состав практически не изменяется до высоты в несколько десятков километров. Другие газы и аэрозоли рассматривают как атмосферные примеси или как вещества, загрязняющие атмосферу.

Атмосфера делится на три основные части: нижнюю - тропосферу, среднюю - стратосферу и верхнюю - ионосферу. Тропосфера характеризуется снижением температуры по высоте с градиентом на 6°/км (в отдельных слоях температура может повышаться с увеличением высоты; такое распределение ее называется инверсией температуры). Высота тропосферы изменяется от 7 ... 10 км над полярными до 16 ... 18 км над экваториальными зонами. В тропосфере вследствие уменьшения плотности воздуха с увеличением высоты сосредоточено примерно 80% массы воздуха, а также основное количество атмосферных примесей. Она содержит практически весь водяной пар. При конденсации пара образуются облака различных форм, а непосредственно у земли - туманы. Выделяют облачность нижнюю (до высоты 1 ... 2 км), среднюю (на высоте 2 ... 4 км) и верхнюю (6 ... 10 км).

Стратосфера распространяется до высоты 60 км; температура в ней примерно постоянна по вертикали. На высоте 20 ... 30 км отмечаются слои с повышенной концентрацией озона (озонный слой), а иногда и аэрозолей.

Ионосфера подразделяется на мезосферу и термосферу, имеет вертикальную протяженность в сотни километров; воздух в ней находится в ионизированном состоянии.

Для атмосферы свойственно турбулентное состояние. Диффузия примесей, обмен теплом, количеством движения, влагой, обусловленные турбулентностью, значительно интенсивнее, чем обусловленные молекулярными процессами. В связи с этим рассеивание примесей в атмосфере определяется как турбулентная диффузия. Интенсивность турбулентности характеризуется коэффициентом обмена, который зависит от скорости ветра и распределения температуры воздуха по высоте.

В тропосфере выделяют пограничный слой высотой до 1 ... 2 км, где существенны влияние подстилающей поверхности и суточные колебания метеорологических факторов. О расположенном над ним слое воздухе говорят, как о "свободной атмосфере". Скорость ветра вблизи подстилающей поверхности возрастает от нуля до величины характерной для свободной атмосферы. Эта величина определяется горизонтальным градиентом давления. Распределение температуры воздуха у земли часто характеризуется вертикальным градиентом.

Слой воздуха высотой 50 ... 100 м, а иногда и выше, над земной поверхностью называют приземным: в нем наиболее резко изменяются метеорологические факторы. Для этого слоя характерны примерно постоянные по высоте значения потоков воздуха, количества тепла.

При характеристике устойчивости атмосферы, непосредственно связанной с распределением температуры по высоте, выделяют условие безразличного (или равновесного) распределения температуры, когда вертикальный поток тепла равен нулю, а температура с увеличением высоты практически не изменяется. В приземном слое она отмечается всегда, когда температура мало изменяется по высоте, в частности при изотермии. Большие перепады температуры относят к неустойчивому состоянию; в таких случаях распределение температуры способствует развитию случайных потоков. Инверсионное распределение температуры определяется как устойчивое состояние. При инверсии температур возмущения в потоке воздуха гасятся и интенсивность турбулентности значительно ослабляется.

Для определения изменений скорости ветра, температуры воздуха и коэффициента обмена используют уравнения движения и тепла, баланса энергии турбулентности и др. В приземном слое коэффициент обмена возрастает примерно пропорционально высоте, а скорость ветра и температуры - логарифму высоты. Выше, в пограничном слое, коэффициент обмена в среднем принимает постоянное значение, ветер меняет направление с увеличением высоты, распределение скорости несколько отличается от логарифмического распределения.

На характеристики турбулентности и устойчивости пограничного слоя атмосферы значительное влияние оказывают суточные и годовые колебания потоков солнечной радиации и определяемого ею радиационного баланса подстилающей поверхности. Наиболее четко выражены они в малооблачную погоду. В течение суток температура воздуха достигает максимума днем после полудня, минимума перед восходом Солнца. В дневное время она обычно понижается по высоте, а ночью, в приземном слое, а иногда и выше, повышается. Коэффициент обмена соответственно достигает максимума днем и минимума ночью. При облачности эти колебания сглаживаются, причем в тем большей степени, чем больше облаков и чем ниже они расположены. Неустойчивая стратификация и усиление турбулентности преобладают в теплое время года. Указанные закономерности изменения метеорологических элементов могут существенно нарушаться при адвекции (горизонтальном переносе) тепла, влаги и т. п.

Над морями и океанами суточные колебания температуры воздуха невелики, поскольку в течение суток очень мало изменяется температура водной поверхности. Вертикальные градиенты здесь также малы, и стратификация воздуха в течение всех суток близка к равновесной. Исключение составляют зоны теплых или холодных морских течений, где может быть значительный перепад между температурой воздуха и температурой поверхности воды. Для морских побережий или берегов крупных водохранилищ характерна бризовая циркуляция, когда днем поверхность почвы нагрета больше, чем поверхность воды, а ночью наоборот.

В условиях сложного рельефа днем сильнее нагреваются пониженные, вогнутые формы рельефа (котловины, долины и др.). На возвышенностях скорость ветра больше, чем на ровном месте, в пониженных формах меньше.

Несколько отличается метеорологический режим при антропогенном воздействии на атмосферу, а именно: при загрязнении воздушного бассейна в городе. Тогда говорят о собственном климате города.

Антропогенные воздействия на атмосферу - изменения состава и свойств атмосферы, обусловленное деятельностью человека [2, 7, 32]. Одним из наиболее характерных видов такого воздействия - загрязнение атмосферы вредными выбросами промышленных, энергетических и транспортных источников. Загрязнение воздуха может оказать влияние на метеорологические процессы и климат. Такие изменения на достаточно большой площади требуют большого расхода энергии, часто намного превосходящие те, которыми располагает человек. Тем не менее масштабы и интенсивность загрязнения воздуха некоторыми примесями быстро увеличивается, возникает опасность непреднамеренных воздействий их на атмосферу. Например, увеличение содержания углекислого газа в атмосфере в результате увеличения количества сжигаемого топлива может вызвать некоторое глобальное повышение температуры атмосферы. Это должно сказаться и на изменении режима ветров, осадков и других метеорологических процессов.

Полагают, что определенное влияние на климат оказывает увеличение количества аэрозолей в атмосфере в результате снижения солнечной радиации. Запыленность воздуха увеличивается не только из-за прямых выбросов пыли индустриальными источниками, но и из-за образования вторичных аэрозолей вследствие превращения газовых выбросов, значительного поступления пыли в результате распашки почв, опустынивания земель под влиянием деятельности человека. С развитием индустриализации быстро возрастает выделение в атмосферу тепловой энергии. Наиболее сильно загрязнение воздуха и выделения тепла влияют на метеорологический режим и климат городов. К наиболее крупным источникам таких выбросов относятся тепловые электростанции. При конденсации выбрасываемой ими влаги образуются искусственные облака и туманы, которые могут вызывать нежелательные последствия. Так, на Аляске и в других полярных областях выделение водяного пара при сжигании топлива на электростанциях часто приводит к появлению в холодное время года ледяных туманов, затрудняющих работы близлежащих аэропортов. Конденсация большого количества влаги приводит к гололеду и обледенению проводов, снижению видимости и уменьшению продолжительности солнечного сияния.

Аэрозоли - твердые или жидкие частицы в атмосфере или другой газовой среде, обладающие малыми скоростями осаждения [2, 24, 39, 43]. Они различаются по размеру, составу и другим характеристикам, определяющим их физические и химические свойства, а также степень взаимодействия с окружающей средой. Для аэрозолей в атмосфере характерен широкий спектр размеров - от тысячных долей микрона до сотен микрон.

В атмосферу аэрозоли попадают в большом количестве как от естественных источников, так и в результате антропогенного воздействия. Соединения ряда газов, в том числе сернистого ангидрида и окислов азота, с кислородом, водяным паром и др. под влиянием реакций образуют вещества, которые переходят в твердое и жидкое состояния, поэтому аэрозоли разделяют на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом их превращений. К главным источникам первичных аэрозолей природного происхождения относят вынос морских солей, выветривание почвы, лесные пожары и извержение вулканов, а антропогенного - выбросы промышленных предприятий, продукты сжигания топлива и т. п. Вторичные аэрозоли - это нитриты, сульфаты, образующиеся из окислов азота, сернистого газа, сероводорода, гидрокарбонаты и аммонийные соли. Мощность этих источников аэрозолей трудно поддается определению. Так, ежегодный выброс в атмосферу морских солей, по одним данным, составляет 1,5 млрд. т, по другим - 700 млн. т. Вынос почвенной пыли от 7 до 700 млн. т в год. Образование аэрозолей в результате лесных пожаров определяется от 35 до 360 млн. т в год, а по некоторым данным, даже в 3 млрд. т в год. В сумме от всех источников ежегодно образуется в среднем 2,3 млрд. т атмосферных аэрозолей с возможной погрешностью ±1,4 млрд. т. Из них общее количество аэрозолей антропогенного происхождения изменяется от 5 до 50% и в среднем составляет примерно 15%. При этом в выбросах от индустриальных источников наибольшее их количество (50%) дают сульфаты. Сопоставление количества первичных и вторичных аэрозолей показывает, что они сравнимы между собой. Запыленность воздуха можно рассматривать и как результат превращения газовых примесей и как итоговый показатель загрязнения атмосферы. Количество пыли, образующейся вследствие превращения газов антропогенного происхождения, в несколько раз превышает прямой выброс ее в результате человеческой деятельности. Прямое поступление аэрозолей естественного происхождения в атмосферу больше, чем вследствие образования газов.

Мелкодисперсные аэрозоли (размером до 20 мкм) удаляются из атмосферы главным образом в результате вымывания их осадками (до 80% общего глобального количества) и непосредственного осаждения на землю (примерно до 20%). Соотношение между "сухим" и "влажным" осаждениями существенно изменяется в зависимости от физико-географических условий местности.

Содержание аэрозолей в воздухе характеризуется весовой или частичной (численной) концентрациями, количеством выпадения их на единицу площади. Для измерения концентрации используют различные воздухозаборники с пылеулавливающими фильтрами, а также имфакторы, позволяющие определять размеры частиц. Применяют, кроме того, различные приборы, действующие на оптическом и электрическом принципах, использующие свойства аэрозолей ослаблять свет, заряды на частицах и т. п. Количество выпадающей пыли определяют с помощью планшетов с липким или другими покрытиями и сборных сосудов.

Систематические наблюдения за концентрацией пыли в приземном слое ведут на специальных пунктах в городах. За содержанием аэрозолей по вертикали большей частью наблюдают в исследовательских целях. Наблюдения за выпадением пыли вне городов на территории СССР показало, что в северных областях оно составляет около 200 т/км² в год и увеличивается в южном направлении; в пустынях и полупустынных областях Средней Азии оно достигает 600 ... 800 т/км² в год.

Неорганическая составляющая пыли составляет от 30 до 80%. Поскольку органические вещества содержатся в верхних слоях почвы, по соотношению органических и неорганических составляющих в выпадениях пыли можно судить о выветривании почвы и ее происхождении. Анализ выпадения пыли показывает, что она содержит самые различные ингредиенты не только в промышленных районах, но и вдали от них. Наряду с органическими и минеральными веществами в пыли обнаруживают многие металлы (микроэлементы), в том числе кадмий, свинец, железо и др.

Распределение аэрозолей в атмосфере неоднородно. Отличают распределение их в районах источников и некоторое фоновое содержание вне этих районов. Вертикальное распределение их зависит от дисперсности, от которой существенно зависит и время жизни аэрозолей в атмосфере, т. е. продолжительность нахождения их в воздухе до выпадения на землю. Более крупные частицы сосредоточиваются в слое воздуха до 1 км, время жизни их здесь более 2 ... 3 суток. Выше, в тропосфере, содержатся мелкие частицы со временем жизни 5 ... 30 суток; фоновые концентрации их быстро уменьшаются с увеличением высоты. Однако в стратосфере на высоте 20 ... 30 км иногда обнаруживаются вторичные максимумы концентрации аэрозолей, которые объясняются тем, что аэрозоли образуются здесь под влиянием фотохимических реакций.

В областях с большой запыленностью воздуха важно учитывать характеристики аэрозолей на открытом воздухе, а также и агрессивные свойства ряда аэрозолей. Так, вынос морских солей усиливает коррозию металлов на побережье. Данные о уменьшении концентрации морских аэрозолей используют, в частности, для определения расстояния, на которые целесообразно строить линии электропередач. Агрессивными свойствами обладают и некоторые почвенные аэрозоли. В пыли солончаковых почв Средней Азии содержится значительное количество сульфатов, способствующих ускорению коррозии металлов. Оценка ареала влияния таких почв, вертикального и горизонтального распределения пыли в приземном слое над ними также должна приниматься во внимание при проектировании линий связи и различных сооружений.

Географическое распределение запыленности атмосферы изучают косвенными методами на основании анализа данных актинометрических наблюдений и определения коэффициентов прозрачности, мутности и т. п.

Рассеивание аэрозолей от их источников в зависимости от метеорологических условий может быть рассчитано так же, как и рассеивание газовых примесей, по формулам, устанавливаемым в результате решения уравнения турбулентной диффузии. Различие между распространением пыли и газов определяется в основном скоростью осаждения аэрозолей. Крупные частицы аэрозолей рассматривают как тяжелую примесь. Зависимость наземной концентрации от одиночного источника типа дымовой трубы на близких и далеких расстояниях носит противоположный характер. На малых расстояниях с увеличением скорости осаждения (укрупнении частиц) концентрация увеличивается, на больших - уменьшается. На больших расстояниях концентрация от низких источников меньше, чем от высоких при одних и тех же условиях, что вызывается выпадением примеси. Выбросы пыли, в том числе золы, от промышленных предприятий практически всегда полидисперсные. Их характеристика после пылеулавливания зависит от степени очистки и ряда других факторов. Обычно пылеуловители, работающие на инерционном принципе, лучше улавливают тяжелые частицы, вследствие чего с возрастанием удельного веса пыли уменьшается максимальный размер частиц, значительно изменяющий ее спектр. При степени очистки больше 90% масса частиц со скоростью осаждения до 5 см/с составляет 40 ... 50% общей массы, со скоростью осаждения 5 ... 25 см/с - около 30 ... 40% и с большой скоростью (обычно не превышающей 50 см/с) - примерно 20%. Из расчетов следует, что полидисперсность приводит к разнесению максимумов наземной концентрации от отдельных фракций по направлению ветра и поэтому способствует уменьшению суммарной концентрации пыли от высотных источников.

Бездымная загрузка доменных печей - осуществление на современных металлургических заводах ряда мероприятий по сокращению вредных выбросов в атмосферу и их утилизации [42]. К этим мероприятиям, в частности, относится переход от существовавших ранее при домнах рудных дворов, являющихся значительным источником загрязнения воздуха, к механизированной разгрузке и транспортировке сыпучих материалов в закрытых разгрузочных узлах, галереях, закрытых складах. Это, а также применение очистных устройств, позволяет снизить выбросы пыли на 80%.

Безотходная технология - совокупность технологических средств, направленных на рациональное использование природных ресурсов и исключение вредного воздействия на окружающую среду [11]. Безотходная технология включает в себя комплекс мероприятий, относящийся не только к данному производству, но и ко многим предприятиям различных отраслей промышленности. Такими мероприятиями предусматриваются минимальные потери при производстве сырья, топлива и энергии, а также максимальная эффективность и экономичность их применения, повторное использование отходов в данном или другом техническом процессе или безвредный возврат их в окружающую среду. Внедрение безотходной технологии связано с проблемами экономики и защиты окружающей среды. Она может оказаться экономически невыгодной для одного производства или одной отрасли промышленности, но по совокупности результатов ее использование должно привести к значительным положительным эффектам.

Создание безотходной и малоотходной технологии во многих случаях связано с разработкой принципиально новых средств производства, коренной перестройкой традиционной технологии и т. п. Актуальность их обусловлена огромными потерями ценных материалов, которые содержатся в выбросах в атмосферу, и загрязнением окружающей среды. В производстве цветных металлов, например, используют в среднем около 1 % руды (в ряде случаев менее десятых долей процента), остальное идет в отходы.

К основным направлениям в развитии безотходной и малоотходной технологии относятся утилизация выбросов, комплексное использование сырья и материалов, создание производства с замкнутым циклом, без сброса сточных вод и выбросов в атмосферу особо вредных веществ. Осуществление их потребует длительного времени, но уже сейчас есть немало примеров их реализации в отдельных отраслях промышленности. Так, производство алюминия осуществляется путем электролиза расплава креолита и окиси алюминия в открытых установках. При этом происходят значительные выбросы используемых в производстве токсических соединений фтора, потери которого составляют от 12 до 25 кг на 1 т алюминия. Для сокращения этих выбросов создают регенерационные отделения, которые позволяют возвратить до 8 кг фтора на 1 т алюминия, сократить потребление свежего креолита. Твердые отходы фтористых солей можно использовать для изготовления строительного гипса и цемента. Коренная перестройка технологии производства алюминия позволяет почти полностью избежать отходов фтора.

В черной металлургии бездымная загрузка печей, повышение скорости коксования, сухое тушение кокса и т. д. позволяют значительно сократить вредные выбросы при коксовании угля. В современном сернокислотном производстве в результате поглощения или промывки сернистого ангидрида из остаточных газов сокращаются вредные выбросы в атмосферу до сотых долей процента от общего количества получаемой кислоты. Практически без отходов можно производить ряд удобрений, в частности можно эффективно улавливать фториды кремния при изготовлении фосфорных удобрений и использовать их в производстве стекла и алюминия. Применение на тепловых электростанциях двух-ступенчатого сжигания топлива, рециркуляция дымовых газов в зону горения, сжигание топлива с малым избытком воздуха позволяют уменьшить токсические выбросы окислов азота в 2 ... 3 раза.

Ряд методов и принципов безотходной технологии реализуется сейчас в атомной промышленности. Разработки ведут, чтобы добиться удаления токсических добавок из топлива для карбюраторных двигателей. Производство высокооктанового бензина, содержащего большой процент ароматических компонентов и изопарафинов, позволяет отказаться от свинцовых добавок, широко используемых в антидетонационных целях. Это должно уменьшить токсичность выхлопных газов автомашин и сократить потери свинца, которые в целом по автопарку всего мира превышают 300 тыс. т в год, а в США составляют 15% общего производства свинца.

Выхлопные газы автомобилей - вредные выбросы от автотранспорта. Оценивают их по количеству и качеству сжигаемого топлива, типу и режиму работы двигателей [2, 9, 15]. Для измерения концентрации окиси углерода и некоторых других примесей в выхлопных газах применяют специальные газоанализаторы. Выделяют два основных типа автомобильных двигателей: карбюраторные, работающие на легких топливах, главным образом на бензине, и дизельные, работающие на тяжелом моторном топливе.

Основные ингредиенты выхлопных газов - окись углерода (CO), окислы азота (NO), углеводороды, альдегиды, свинец и ряд других примесей, в том числе канцерогенных. Для карбюраторных и дизельных двигателей автомобилей западноевропейского производства характерно содержание примерно 9% CO₂ и соответственно 0,06 и 0,04% окислов азота, 0,05 и 0,02% углеводородов, 4,0 и 0,1% CO.

Выбросы при малых скоростях движения автомобилей и торможении в 3 ... 5 раз больше, чем при больших скоростях. В связи с этим загрязнение воздуха в городах существенно зависит от ширины улиц, числа перекрестков, наличия подземных переходов и т. д. В несколько раз возрастают выбросы и при неисправности двигателей, в связи с чем большое значение приобретает контроль за состоянием двигателей при выходе автомобилей из автопарка и на линиях движения и мероприятия, направленные на обеспечение чистоты при градостроительстве.

Поскольку в среднем на 1 кг горючего расходуется около 15 кг воздуха, по данным об объеме воздуха и процентном содержании в выхлопных газах отдельных ингредиентов вычисляют количество выбросов в атмосферу. Установлены допустимые нормы и стандарты на содержание вредных веществ в выхлопных газах, проводится периодический контроль за их выполнением. Иногда нормируют допустимые выбросы на 1 км пройденного пути. Так, по стандартам США на 1974 г. при движении в городе от одного автомобиля допускаются выбросы окиси углерода 47 г/км, углеводородов 4,5 г/км, окислов азота 3,5 г/км.

Выхлопные газы под влиянием солнечной радиации в результате фотохимических реакций могут превращаться в ряд очень токсических веществ, оказывающих вредное влияние на людей, растительность и т. п. Выбросы автотранспорта - основная причина образования в ряде городов фотохимических смогов.

Вредные выбросы в атмосферу - основные источники загрязнения атмосферы [2, 33]. Они характеризуются рядом параметров, которые включают количество вещества, поступающего в единицу времени, объем и температуру дымовых газов. Определение этих параметров называется инвентаризацией выбросов.

Для определения количества выбрасываемых в атмосферу веществ применяют различные способы. В зависимости от количества сжигаемого топлива, его сернистости и зольности определяют количество образующегося сернистого газа и золы. При полном сгорании топлива аналогично рассчитывают количество выбросов углекислого газа по количеству содержащегося в топливе углерода. Обычно известно содержание вредных веществ в используемом сырье, определяемое на основе их удельного баланса, технологических процессов и характера источников. Для различных отраслей промышленности на основе измерений балансовых расчетов и имеющегося опыта статистически устанавливают средние величины удельных выбросов вредных веществ на единицу продукции. Например, в США при производстве кокса на 1 т угля выделяется примерно по 0,3 кг пыли и окиси углерода (CO), 0,75 кг сернистого ангидрида (SO₂), по 0,03 кг углеводородов и аммиака. В СССР при выплавке 1 млн. т стали в год выделяется в среднем за сутки пыли примерно 25 т, SO₂ - 65, CO - 320 т.

Для непосредственного измерения количества выбросов используют различные способы. В проведении таких измерений состоит одна из главных задач контроля за выбросами токсичных веществ действующими предприятиями. При этом проверяют выполнение условий, предусмотренных при проектировании данного объекта, временно согласованных и предельно допустимых выбросов, измеряют концентрации примеси С_т на выходе из источника, их скорость уноса w₀ и температуру. По размерам сечения выходного отверстия и w₀ находят объем уходящих газов V. Количество выбрасываемой примеси M = C_тV. Если Ст измеряли до газоочистки, КПД которой η, то М = С_т (1 - η).

Газоочистка - улавливание вредных веществ, содержащихся в выбросах в атмосферу [15, 27, 35, 38]. Выделяют промышленную очистку газа для утилизации выбросов, включая возврат в производство продукта, отделенного от газа или превращенного в безвредное состояние, а также санитарную очистку газа от остаточного содержания в нем вредных ингредиентов, что обеспечивает соблюдение предельно допустимых выбросов.

Выбросы очищают на специальных устройствах и сооружениях различных типов и конструкций в зависимости от характера производств, состава газов, требуемой степени очистки и т. п. Для очистки выбросов от пыли или золы применяют пыле- и золоуловители.

Многие из устройств, предназначенные для очистки выбросов от токсических газов, основаны на абсорбционном или адсорбционном принципе. В первом случае газы поглощаются жидкостью, большей частью водой, или соответствующими растворами в промывных башнях или камерах. Для этого используют и некоторые пылеуловители, действующие по принципу мокрой очистки. В частности, применяют скрубберы, где вода, распыляясь на мелкие капли и осаждаясь, поглощает газы. Адсорбционные методы состоят в использовании активизированного угля, селикогена и других фильтров с пористой структурой, позволяющих селективно улавливать газы и удерживать их на своей поверхности. Эффективность подобных адсорбентов иногда повышается в результате пропитывания их некоторыми реактивами. Степень очистки этими методами достигает 98%; при загрязнении адсорбента она снижается до 90%.

Для очистки газов от горючих примесей их дожигают. Известны также способы металлической очистки выбросов, основанные на принципах, указанных выше, но с использованием катализаторов химических реакций, способных повысить эффективность улавливания газа.

Единицы измерениия загрязнения атмосферы - единицы концентрации примесей, содержащихся в воздухе [2, 3, 17, 46]. Большей частью определяют весовую концентрацию (мг/м³), причем при низких уровнях загрязнения атмосферы также в микрограммах на кубический метр (1 мкг/м³ = 10^-3 мг/м³), при очень низких уровнях - в нанограммах на кубический метр (1 нг/м³ = 10^-6 мг/м³). Содержание атмосферной пыли и аэрозолей определяют, кроме того, по их выпадению на подстилающую поверхность и измеряют в единицах массы на единицу площади, например в граммах на квадратный метр, килограммах на гектар или граммах на квадратный километр (г/м², кг/га или г/км²). Используют также численные концентрации частиц в атмосфере, определяемые как число частиц в единице объема. Размеры частиц большей частью измеряют в микронах (мкм). Содержание газовых примесей иногда характеризуется отношением их объема к объему воздуха; оно обычно выражается в частях на миллион (чнм), а для более низких уровней содержание их в атмосфере - в частях на 100 миллионов или на миллиард.

Загрязнение атмосферы - изменение состава атмосферы в результате содержания в ней примесей. Под загрязнением атмосферы понимают также раздел науки с ее метеорологическими, гигиеническими, техническими, экономическими и другими аспектами. Проблема защиты воздушного бассейна от загрязнения приобрела большое социальное и государственное значение.

Выделяют загрязнение воздуха антропогенное, обусловленное выбросами отходов от различных отраслей хозяйственной деятельности человека, и вызванное естественными процессами. К основным, наиболее распространенным примесям относится совокупность твердых частиц (пыль или аэрозоли), сернистый газ, окись углерода и окислы азота. По своей массе они составляют основную часть вредных выбросов в атмосферу. Преобладающее содержание сернистого газа (SO₂) и окислов азота (NO) в атмосфере имеет антропогенное происхождение. Главные источники SO₂ - сжигание твердого и жидкого топлива, содержащего в своем составе серу, а NО_х - сжигание топлива при высоких температурах в транспортных двигателях, на тепловых электростанциях и некоторых промышленных объектах (характерно, что азот и кислород, из которых практически полностью состоит воздух, при обычных температурах тропосферы не вступают в реакцию между собой). Природные источники пыли и окиси углерода (CO) значительно больше антропогенных, однако в промышленных районах и они существенно слабее последних. Распространены также такие атмосферные примеси, как углеводороды, сероводород, сероуглерод, фенол, свинец, фториды и др. В воздушный бассейн выбрасывают и тысячи других веществ, многообразие которых особенно характерно для отходов химической промышленности. Это специфические примеси, наблюдаемые в том или ином месте в зависимости от расположенных в нем источников. Примеси в атмосфере в результате фотохимических, каталитических и других реакций подвержены превращениям из одних веществ в другие. Они также постепенно удаляются из атмосферы в результате ее самоочищения. Время "жизни" для одних из распространенных примесей определяется часами, для других - годами.

Атмосферные примеси подчиняются движению воздуха. Их распространение обусловлено закономерностями турбулентной диффузии. Изменения их содержания в пространстве неравномерны и зависят от распределения источников загрязнения, метеорологических и топографических факторов. Наибольшие концентрации примесей отмечаются в городах и промышленных районах, где сосредоточены основные источники загрязнения. Концентрации в городах на 2 ... 3 порядка и больше, чем вдали от производственных и населенных мест.

Загрязнение воздуха оказывает вредное влияние на живые организмы, растительность, различные материалы, сооружения и наносит значительный экономический ущерб. К основным критериям качества воздуха относятся предельно допустимые концентрации для населенных мест (ПДК), называемые в отдельных странах стандартами качества воздуха.

Для оздоровления воздушного бассейна требуется объективная информация о его чистоте. Для этого создают разветвленную сеть пунктов, на которых регулярно измеряют концентрацию примесей. Необходим учет источников и количества выбрасываемых ими примесей - инвентаризация выбросов. В СССР создана государственная служба контроля за загрязнением атмосферы. С ростом промышленных выбросов значительно расширяются зоны распространения примесей. В результате отмечаются некоторые эффекты глобального увеличения фонового загрязнения атмосферы. Для наблюдения за ним по программе ряда международных организаций создают сеть региональных и глобальных станций - глобальную систему мониторинга.

Постоянно увеличивающийся объем материалов наблюдений потребовал разработки способов массового обобщения и использования современных статистических методов их анализа с помощью ЭВМ, применения теории турбулентной диффузии примесей для моделирования и расчета загрязнения атмосферы. Исследования позволили определить особенности распространения вредных веществ в городах, выявить закономерности суточного и годового режимов загрязнения воздуха, влияние метеорологических условий и рельефа местности. Исследования показывают, что значительный рост выбросов в атмосферу, их локализация вблизи источников привели к тому, что содержание вредных примесей во многих городах мира превышает ПДК в 5 ... 10 раз. В Лондоне, Чикаго, Йокогаме, Монреале, Будапеште, Брюсселе и других городах средние годовые концентрации SO₂ достигли 0,4 мг/м³, а максимально разовые - нескольких миллиграммов на кубический метр. Среднегодовые концентрации СО за отдельные годы в Нью-Йорке, Лос-Анджелесе, Токио, Осаке, Париже, Мадриде, Сиднее, Софии, Флоренции составляли 10 мг/м³, а максимально разовые - 100 ... 200 мг/м³. Характерные значения концентрации SO₂ и СО для глобального фона вдали от промышленных районов находятся соответственно в пределах (0,5 ... 1,0)10^-2 мг/м³ и (1 ... 10)10^-3 мг/м³. Согласно данным за 1975 г., по 247 районам США отмечено превышение стандарта на содержание SO₂ в 101 районе, на пыль - в 190 и на СО - в 30 ... 50. В Японии зафиксировано превышение стандартов на содержание SO₂ в 32 из 177 исследованных городов и на пыль - в 89 из 100. В Чикаго и Бостоне максимальные концентрации SO₂ достигли 6 ... 10 мг/м³, а среднегодовые превышали 0,2 мг/м³. В Мюнхене вблизи автомагистралей среднегодовые концентрации NO₂ превышали 0,8 мг/м³. Вблизи автомагистралей были отмечены и большие концентрации свинца, содержащегося в выхлопах автомобилей. Из канцерогенных веществ в воздухе многих городов обнаружен 3,4-бензопирен. Его максимальные концентрации в Париже достигли 0,07, в Гамбурге - 0,04 мг/м³, а некоторых городах Англии 0,03 мг/м³.

Характерная особенность загрязнения воздуха ряда крупных городов и промышленных районов - смог.

В городе, где сосредоточено большое число промышленных объектов, происходит наложение их выбросов. Использование самолетов и вертолетов позволило установить, что примеси в основном сосредоточиваются в слое воздуха толщиной 1 ... 2 км, в небольших городах - несколько сот метров. В дневное время среди городской застройки на уровне 10-12-го этажа зданий концентрации некоторых примесей, в частности СО, вблизи автомагистралей почти такие же, как и на высоте 1 ... 5м. Загрязненный воздух проникает и в жилые помещения. Внутри отдельных зданий концентрации SO₂ составляют 10 ... 20%, а летом достигают 40 ... 50% концентрации в атмосфере. При закрытых окнах и дверях в помещениях обнаруживается примерно до ¹/₃ наружной пыли.

Городской воздух значительно загрязняется в областях с неблагоприятными условиями погоды. Метеорологические факторы влияют также на суточную и годовую приземную концентрацию примеси. При этом по-разному проявляется влияние высоты и типа источника. Так, несмотря на то, что значительная часть золы и сернистого газа попадает в атмосферу вследствие сжигания топлива, расход которого зимой гораздо больше, чем летом, во многих городах наибольшие концентрации этих примесей (главным образом от высоких источников) наблюдаются в теплое время года при интенсивной турбулентности. Соответственно и концентрация их днем больше, чем ночью. В суточных колебаниях концентрации СО при низких источниках его отмечается два типа. Один из них (максимум) днем обусловлен значительным усилением интенсивности движения автомашин. Другой - со сравнительно малыми концентрациями в течение дня и малой амплитудой колебаний, когда накладываются взаимно компенсирующие эффекты изменения количества машин на улицах и метеорологического режима.

Для сокращения вредных выбросов осуществляют различные мероприятия, в том числе совершенствование технологии производственных процессов, разработку малоотходной и безотходной тенхологии, совершенствование способов газоочистки и пыле- и золоуловителей, герметизацию оборудования, являющегося источником вредных веществ, улучшение способов сжигания топлива, замену твердого и жидкого топлива природным газом, создание новых типов транспортных двигателей и др. Практически не удастся полностью избежать проникновения вредных примесей в атмосферу, но можно уменьшить выбросы их и ослабить воздействие на окружающую среду до допустимого уровня. Важную роль в этом играет учет закономерностей рассеивания примесей в атмосфере, позволяющий установить связь между выбросами и создаваемым ими полем концентрации примеси в зависимости от метеорологических условий.

На основе турбулентной диффузии примесей в атмосфере, расчета и моделирования загрязнения воздуха разработаны методы нормирования и установления допустимых выбросов - ПДВ. В СССР утвержден Государственный стандарт правил установления ПДВ для вредных веществ промышленными предприятиями и создана система контроля за источниками выброса и соблюдением ПДВ. Госстроем СССР утверждены указания для расчета рассеивания вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий. Они позволяют уже на стадии проектирования предусмотреть мероприятия, обеспечивающие достаточную чистоту воздуха в промышленных районах, и определить наиболее выгодную совокупность необходимых для этого мер, включая нормирование выбросов, требуемую степень очистки, установление числа труб, их высоты и пр. Они создают основы для рационального решения обеспечения чистоты атмосферы при градостроительстве, включая планировку и застройку населенных пунктов, создание санитарно-защитных зон. В проектных работах обычно достаточно учесть часто наблюдаемые неблагоприятные условия погоды, а при эксплуатации предприятий в периоды наиболее опасной метеорологической обстановки - кратковременно снижать выбросы. Для этого разрабатывают методы краткосрочного прогноза загрязнения воздуха и регулирования выбросов. Разрабатывают также способы научно-технического прогноза загрязнения атмосферы на длительные сроки для планирования мероприятий, направленных на оздоровление воздушного бассейна.

Работа по обеспечению чистоты атмосферы в ряде государств дает положительный результат. Из анализа тенденции загрязнения воздуха за ряд последних лет в СССР видно, что, несмотря на интенсивный характер развития промышленности и энергетики, в большинстве городов не отмечается роста загрязнения воздуха. Это можно, в частности, связать с результатом широкого внедрения методов расчета рассеивания примесей, ибо при строительстве и реконструкции предприятий соблюдаются гигиенические нормы качества воздуха. Сказывается и совершенствование пыле- и газоочистки, а также технологических процессов, направленных на сокращение вредных выбросов. В результате уменьшилась запыленность воздуха в крупных городах, а также содержание SО₂ и NО₂ в отдельных центрах черной металлургии (например, в Запорожье на 50%, в Челябинске на 80%). Уменьшилась концентрация SО₂ в городах с населением более 1 млн. чел., в том числе в Москве и Ленинграде. Однако в ряде городов со сложившимся производством еще сохраняется тенденция нарастания концентрации некоторых примесей.

Эффективно применяют меры для борьбы с загрязнением городов в Йокогаме, Лондоне, Париже, Дюссельдорфе и др, где ликвидируют значительную часть мелких источников отопления, используют более качественное топливо. Однако во многих городах мира загрязнение воздуха продолжает нарастать. Особенно заметно увеличение выбросов окиси углерода, окислов азота и других вредных примесей от автомашин, растет повторяемость смогов и число городов, в которых они наблюдались.

Отмечается загрязнение атмосферы и далеко за пределами городов и промышленных районов. Так, в процессе переноса на дальние расстояния образующиеся при сжигании топлива на тепловых электростанциях огромные массы сернистых соединений выпадают на почву и в водоемы и приводят к их окислению на больших площадях. В Скандинавии отмечено окисление почвы и воды в результате дальних переносов сульфидов из индустриальных областей Западной Европы. Создана Европейская служба наблюдения и контроля за дальними переносами примесей на сотни и тысячи километров. Необходимо комплексное изучение взаимосвязи загрязнения атмосферы с загрязнением почвы, воды и других компонентов биосферы и окружающей среды, исследование проникновения примесей из одной среды в другую, их баланса и оценки суммарного действия.

Каталитическая очистка выбросов в атмосферу - один из видов газоочистки [10, 15, 27]. Она состоит в использовании катализаторов для повышения эффективности улавливания вредных веществ. Катализаторы выбирают в зависимости от конкретных характеристик выбросов и условий очистки.

Каталитические способы очистки дымовых газов от сернистого ангидрида (SО₂) состоят в применении катализаторов для окисления его до SО₃ и последующего преобразования в серную кислоту (H₂SО₄). К ним относится пиролюзитовый способ, в котором роль катализатора исполняет пиролюзит, озонометаллический, радикально-металлический и др. Эффективность одной из установок в США для каталитического окисления SО₂ в SO₃ из дымовых газов, образующихся при горении угля и предварительно обеспыленных с помощью электрофильтров, составляла 90%. Успешно было использовано каталитическое окисление для обработки остаточных газов при производстве серы, для очистки вентиляционных газов от сероводорода и др. Применяют также способы каталитического дожигания продуктов горения топлива и других горючих примесей в дымовых газах. Катализаторы, в качестве которых используют металлы, позволяют обеспечить экзотермическое окисление органических соединений при температурах ниже температуры самовоспламенения.

Климат города - метеорологический режим в условиях города, отличающийся от метеорологического режима (климата) окружающей местности [2, 4, 44]. Уже много лет тому назад отмечено, что в городе несколько теплее, влажность воздуха меньше, а ветер слабее, чем в его окрестности. Установлены и другие особенности городского климата. Они обусловлены загрязнением атмосферы, вызывающим изменения радиационного режима, твердым покрытием значительной части поверхности земли, изменяющим режим испарения ж теплообмен с почвой, застройкой города, оказывающей воздействия на воздушные течения, турбулентное перемешивание, изменения отражательной способности подстилающей поверхности и др. Велико в городе прямое выделение тепла в результате хозяйственной деятельности. В ряде наиболее крупных городов оно сравнимо с притоком тепла за счет солнечной энергии.

Несмотря на значительную роль указанных факторов, изменение метеорологического режима в городе относительно невелико. Это связано с тем, что площадь города по сравнению с территорией окружающей местности мала и перенос (адвекция) воздушных масс с окрестностей значительно снижает эффекты воздействия городских факторов, причем в тем большей степени, чем больше скорость ветра. Тем не менее с развитием городов учет их микроклимата приобретает все большее значение.

Для изучения микроклимата города создается специальная сеть внутригородских пунктов наблюдения. Например, в Москве и 50-километровой зоне Подмосковья есть более 50 метеорологических станций и постов. Во многих городах СССР на пунктах наблюдений за загрязнением воздуха ведут измерения метеорологических элементов. О климате некоторых городов Европы можно судить по данным наблюдений в них на протяжении почти 150 лет.

Установлено, что атмосферные примеси в городах снижают прямую солнечную радиацию на 10 ... 20%, а зимой еще больше, уменьшают дальность видимости иногда на 50% и больше. Одна из наиболее характерных особенностей климата города, состоящая в том, что на территории города температура часто выше, чем в окрестности,- это "острова тепла". В среднем за год разность температур между ними составляет примерно 1 °С, а для ночного времени - около 2 °С. Наибольшие значения она принимает в ночное время при ясной погоде и слабых ветрах, достигая в отдельных случаях 8 ...10 °С и более. Эта разность зависит от сезона года, условий погоды, размеров города и т. п. С "островами тепла" связывают некоторые изменения в ветровом режиме города, которые при слабом ветре могут вызывать конвективные движения воздуха и местную циркуляцию, а вследствие этого и перенос атмосферных примесей от их источников на окраинах к центру города.

Изменяется в городе также вертикальное распределение температуры воздуха и скорости ветра. В ночное время приземные инверсии температуры слабее чем в пригородах, а иногда совсем исчезают, и в слое застройки образуются приподнятые инверсии. В этом слое уменьшается и скорость ветра; над ним она может усиливаться.

Сложная взаимосвязь существует между загрязнением воздуха и туманами в городах. По некоторым данным, повторяемость туманов в городе на 10 ... 20% выше, чем в его окрестности, что объясняется большим числом гигроскопических частиц в городском воздухе. Вместе с тем установлено, что в ряде крупных городов, таких, как Москва, Ленинград, София, за последние десятилетия повторяемость туманов резко сократилась. Одна из причин этого - снижение запыленности воздуха в результате централизации котельных и широкого использования для отопления природного газа, другая - связь с "островами тепла", препятствующими возникновению тумана.

Обилием гигроскопических частиц и усилением неустойчивости нижнего слоя воздуха в городе объясняется и некоторое увеличение сна 10 ... 15%) осадков. В США был проведен специальный эксперимент: в течение нескольких лет наблюдали за метеорологическим режимом на площади 4000 км² в районе г. Сент-Луис. Установлено, что в летнее время на подветренной стороне города количество облаков увеличилось на 10%, а осадков - до 30%. Отмечено также значительное увеличение числа гроз, случаев с градом (почти в 2 раза). Однако роль города в этом явлении пока не выяснена.

Климат (его изменения) - характерная для данной местности многолетняя совокупность условий погоды [8, 28, 31, 32]. Основные климатообразующие факторы - солнечная радиация, циркуляция атмосферы и подстилающая поверхность. Существуют различные классификации климата, согласно которым определяют главные климатические области Земного шара. По одной из них, основанной на учете режима температуры и осадков, выделяют климат постоянного мороза, тундры, умеренно холодные с сухой зимой и равномерным увлажнением, умеренно теплые с сухой зимой, с сухим летом, с равномерным увлажнением, а также климат степей, пустынь, саванны, тропических лесов. Иногда выделяют климат по отдельным географическим зонам - экваториальный, тропический, субтропический, полярный и др. Различают климат континентального и морского типов.

Различные климатические характеристики устанавливают в зависимости от целей их использования. В настоящее время их учитывают при изучении условий загрязнения атмосферы. Для этого вводят комплекс характеристик климата, обусловливающих распространение атмосферных примесей в данной местности. Часто его характеризуют как потенциал загрязнения.

Климатические данные о температуре и влажности воздуха, скорости ветра, осадках, солнечной радиации и др. определяют путем статистической обработки многолетнего материала метеорологических наблюдений. Их систематизируют в климатических справочниках, атласах климатических карт. Определение и изучение их относится к одному из разделов метеорологической науки - климатологии.

Средние многолетние характеристики климата мало изменяются и зависят от периода осреднения. Это одно из основных свойств климата, и его широко используют. Вместе с тем существенно, что средние многолетние характеристики не являются постоянными, наблюдаются изменения или колебания климата. О них можно судить не только по результатам метеорологических измерений, но и по различным косвенным показателям, позволяющим составить представление о климате в далеком прошлом. Так, для общей оценки устойчивости климата на протяжении существования жизни на земле используют тот факт, что биологические процессы активно протекают в основном в ограниченном интервале температур (от 0 до 50 °С). Из него делают вывод, что в течение трех миллиардов лет климат относительно мало меняется. Согласно палеогеографическим сведениям наибольшие изменения климата, сопровождавшиеся значительным похолоданием и оледенением на большой территории северного полушария, были в конце третичного периода и в четвертичном периоде. Характерная особенность температурного режима последнего столетия - заметное потепление воздуха в глобальном масштабе. Осредненная температура воздуха у земли в северном полушарии в целом со второй половины XIX столетия по 1940 г. при колебаниях в отдельные годы постепенно повысилась на 0,6 °С. С 1940 г. до 1970 г. отмечено похолодание примерно 0,3 °С.

Изменение климата в основном связывали с действием естественных факторов. Только локальные эффекты, такие, как климат города, определяли как результат влияния хозяйственной деятельности человека. Сейчас внимание исследователей привлечено к оценке антропогенных воздействий на глобальный климат. Основное значение придается последствиям загрязнения атмосферы, связанного прежде всего с увеличением содержания углекислого газа (СО₂) и аэрозолей. Для исследований этих факторов организованы наблюдения за фоновым загрязнением атмосферы. Получило развитие также численное моделирование климата. В силу свойств "парникового эффекта" при ожидаемых темпах увеличения содержания СО₂ в атмосфере к началу следующего столетия температура тропосферы может повыситься в среднем на 0,5 °С, а стратосферы на 1 °С.

С увеличением содержания аэрозолей в атмосфере уменьшается приток солнечной радиации к Земле, что может привести к снижению температуры воздуха. Этим, в частности, объясняется похолодание, отмеченное после 1940 г. Однако количественные эффекты влияния аэрозолей недостаточно выяснены, так как при общем ослаблении радиации в запыленном воздухе рассеивание и поглощение ее оказывают различное влияние на температуру атмосферы.

Изменение термического режима вследствие загрязнения воздуха может усиливаться за счет обратных связей с отдельными атмосферными процессами. Например, если при увеличении содержания аэрозолей в атмосфере понизится температура воздуха, то увеличится площадь арктических льдов. Это в свою очередь приведет к возрастанию альбедо подстилающей поверхности и уменьшению поглощения радиации. Следовательно, температура атмосферы должна еще больше понизиться, что приведет к дальнейшему расширению площади арктических льдов. Нагрев в результате увеличения в атмосфере содержания СО₂ приведет, наоборот, к смещению границы льдов в более высокие широты и последующему нагреванию воздуха и т. д. Кроме того, при нагреве атмосферы увеличится и содержание водяного пара, что вследствие "парникового эффекта" также должно способствовать дальнейшему повышению температуры воздуха.

При оценках антропогенного воздействия на климат нужно учитывать и всевозрастающее увеличение выработки энергии. В настоящее время количество ее по сравнению с количеством энергии, получаемой от Солнца, составляет доли процента и оказывает влияние главным образом на климат городов, но при сохранении существующих темпов роста энергии в следующем столетии эти энергии могут стать сопоставимыми.

Конвективные потоки в атмосфере - упорядоченный перенос воздуха на общем фоне турбулентных движений [29]. Возникают такие потоки вследствие перегрева или неравномерного нагрева поверхности Земли. В развитии местных метеорологических процессов, в распространении атмосферных примесей от их источников существенную роль играют локальные конвективные потоки. Конвекция над термически однородной подстилающей поверхностью отмечается обычно в теплое полугодие при малооблачной погоде и значительных сверхдиабатических градиентах температуры пограничного слоя атмосферы. К конвективным течениям относят также горно-долинные ветры и бризовую циркуляцию. При Достаточной большой интенсивности "острова тепла", характерного для климата города, и слабом ветре может возникать местная циркуляция, способствующая переносу атмосферных примесей от их источников на окраине города к его центру.

Космические наблюдения за атмосферой - наблюдения со спутников при помощи оптической аппаратуры и визуально космонавтами [13, 14]. Результатом анализа снимков, получаемых со спутников, является определение вида и распределения облачности. По ним устанавливают характер атмосферных процессов, выясняют расположение барических систем, циклонов и антициклонов, фронтальных зон, мест их зарождения и т. д. Особенно существенно это для океанов и участков Земного шара, где редка сеть метеорологических наблюдений. По перемещениям облачности можно изучать движение воздушных масс, определять скорость ветра. Со спутников также можно определять температуру воздуха и некоторые другие метеорологические характеристики. Таким образом, создается основа для существенного совершенствования методов прогноза погоды.

Большое значение имеет спутниковая информация для изучения загрязнения атмосферы. Она позволяет выявить распространение атмосферных примесей на больших расстояниях, что трудно или неосуществимо с помощью наземной аппаратуры. Эти работы сейчас находятся только в начальной стадии развития, но уже получены важные результаты. Визуальные наблюдения космонавтов, а также космические снимки отчетливо выявляют задымленные зоны над рядом крупных городов, очертания факелов от труб тепловых электростанций и мощных предприятий. Например, на фотографии, полученной в июне 1975 г. с орбитальной станции "Салют-4", установлено, что протяженность дымового факела от ГРЭС в Павлодарской области составляла 30 ... 50 км. По материалам четырех американских спутников исследовали распространение дыма от предприятий Лос-Анджелеса под влиянием бризовой циркуляции и перемещения его через горы.

Важное значение имеет выбор спектрального интервала для фотографирования зон загрязнения воздуха. Данными наблюдений за дымами в районе оз. Онтарио установлено, что наиболее информативен интервал 0,6 ... 0,7 мкм. Оказалось, что в инфракрасном интервале 10,5 ... 12 мкм дымовые факелы неразличимы, а облачность отчетливо фиксируется как в этом, так и телевизионном спектре (0,5 ... 0,7 мкм). Таким образом, можно отличать на снимках дымовые облака от естественных.

Космические фотографии позволяют определять и некоторые последствия загрязнения воздуха: площади загрязненного снега, зоны поражения растительности и т. п. Такие площади снега обнаруживались вокруг Ленинграда до расстояния в несколько десятков километров, при этом проявлялось влияние господствующего направления ветра. Из космоса отчетливо фиксируется загрязненная нефтяными пленками поверхность моря, выявляются зоны распространения пыли и дымов от мощных природных источников - лесных пожаров, пыльных бурь, вулканов. Например, в период засухи 1972 г. на снимках Восточной Европы обнаружены дымовые облака от лесных пожаров протяженностью от 75 до 400 км при ширине 10 ... 20 км, а также обширные облака дыма от горения торфяных болот. Над Сибирью в тот же год по фотографиям с американских спутников выделено 15 очагов пожара, а на более крупномасштабных снимках со спутника "Метеор-12" - 40 очагов с длиной факелов от 15 до 300 км. 13 августа 1973 г. с помощью спутника "Метеор-13" обнаружены пожары в Калифорнии.

Неоднократно со спутников фиксировалось распространение пыли с Сахары и других пустынных областей, особенно в период пыльных бурь. По снимку с метеорологического спутника ЭССА-5 в июле 1967 г. установлено, что облако пыли перемещалось с северо-западного побережья Африки до восточных берегов Южной Америки. Снимки позволяют исследовать также структуру пыльных бурь. Например, по фотографии пыльной бури на территории бывш. Месопотамии выделено четыре отдельных струи шириной 20 ... 25 км и протяженностью 400 ... 500 км.

Со спутников был заснят ряд вулканических извержений, в том числе на Гавайских островах (1969 г.), вблизи Исландии (1970 г.), Ключевской сопки на Камчатке (1974 г.) и др. На снимках со спутника "Метеор" было установлено, что дымовое облако от вулкана вблизи Исландии сначала распространялось в восточном направлении на расстояние 6 ... 7 км, затем повернуло на юго-восток и расширилось до 11 км. Такие снимки позволяют также судить об изменениях ветра и турбулентных характеристиках атмосферы.

Установка на спутниках лазерной и другой спектральной аппаратуры для дистанционного зондирования атмосферы дает возможность выявить не только границы загрязненных зон, но и состав атмосферных примесей, их концентрацию.

Микроэлементы (металлы) в атмосфере - это содержащийся в атмосферных аэрозолях ряд тяжелых металлов, в том числе свинец (Pb), кадмий (Cd), ртуть (Hg), железо (Fe), цинк (Zn), ванадий (V), алюминий (Al), никель (Ni), медь (Cu) и др. [2, 16]. Их концентрации в воздухе значительно меньше (всегда на несколько порядков), чем концентрации других примесей. Происхождение их имеет антропогенный характер. В малом количестве они входят в состав земной коры и морской воды. В результате ветровой эрозии, извержения вулканов, разбрызгивания воды с поверхности моря, проникновения космической пыли они попадают в атмосферу. С развитием индустриализации увеличивается количество выбросов тяжелых металлов в воздух.

Разработка высокоточных методов (эмиссионного спектрального, атомно-абсорбционного и др.) позволила определить содержание микроэлементов в пробах атмосферной пыли, ее выпадений на землю с атмосферными осадками не только в городах, но и далеко за их пределами. Наблюдения показали, что распределение микроэлементов по Земному шару неравномерно, их концентрация зависит от расположения основных источников выброса, метеорологических и топографических условий. Наименьшая концентрация их отмечается в полярных областях. Над океанами она меньше, чем на континентах, в северном полушарии выше, чем в южном.

Особое внимание привлекают исследования таких токсических металлов, как Pb, Hg, Cd и др. антропогенные выбросы которых быстро увеличиваются. Свинец, используемый в качестве антидетонационной добавки к бензину, почти полностью поступает в атмосферу с выхлопными газами автомашин. В результате, суммарные выбросы Pb от мирового парка автомобилей составляют 300 тыс. т в год. По измерениям в непосредственной близости от автотрассы в штате Мичиган (США), содержание Pb в аэрозолях достигало 23%, тогда как на удалении в несколько сот метров от нее - только 1 ... 2%. В некоторых крупных городах США концентрация Pb примерно в 10 раз больше, чем в пригородах. Увеличение содержания Pb в воздухе непосредственно связано с увеличением расхода бензина. Так, по данным 35 измерительных станций в различных городах США концентрация Pb изменилась от 1 до 3 мкг/м³ при увеличении ежегодного расхода бензина с 3 до 10 млрд. л. По наблюдениям в 10 городах Польши, получены наибольшие концентрации Pb (1 мкг/м³) в районе г. Катовице, где сосредоточено большое число заводов. К серьезным последствиям загрязнения воздуха относится увеличение содержания Pb в крови населения ряда городов. Концентрация Pb значительно повысилась и далеко за пределами городов. Отмечено 10-кратное увеличение содержания Pb при сравнении проб гренландского льда, относящихся к середине прошлого века и к шестидесятым годам нашего столетия.

В районах с более развитой промышленностью обнаружена и существенно более высокая, чем вдали от них, концентрация Са. Велико суммарное количество ртути, содержащейся в выбросах продуктов сгорания различного топлива. Концентрация Hg в Калифорнии вне окрестности источников ее достигали 0,05 мкг/м³. По данным измерений, в ряде городов СССР она составляла 0,001 мкг/м³ (при ПДК, равной 0,3 мкг/м³). Опасность выбросов ртути, если даже концентрация ее невелика, состоит в том, что она может постепенно накапливаться, особенно при переходе из воздуха в воду или другие части окружающей среды.

В крупных промышленных центрах наблюдается относительно большая концентрация ряда других микроэлементов. Так, в Чикаго отмечались максимальные концентрации Fe - 14, А1 - 3,2, Zn - 1,8 мкг/м³; в Глазго Fe - 7, Zn - 3,6; в Осаке Al - 6,2, в Париже Fe - 3,5 мкг/м³, тогда как в сельской местности США она составляла 0,025. Согласно анализу пыли, выпавшей за 1972-1977 гг. на морском побережье Бельгии, поступление тяжелых металлов значительно больше при ветре с континента, чем при ветре с моря. Отношение максимума к минимуму концентраций для отдельных металлов изменялось здесь от 4 до 30. Выпадение микроэлементов с аэрозолями и осадками на землю и их освоение сельскохозяйственными растениями изучаются агрохимиками.

Градостроительные мероприятия по обеспечению чистоты атмосферы - рациональное планирование застройки и реконструкции населенных пунктов [2]. Основной принцип такого планирования и его осуществления - установление предельно допустимых выбросов для всех источников загрязнения воздуха. Важную роль здесь играет проведение градостроительных мероприятий, связанных с размещением источников примесей и жилых массивов, с учетом топографии местности, розы ветров и других климатических условий, создание в случае необходимости санитарно-защитных зон и т. п.

К эффективным средствам оздоровления воздушного бассейна относится вынос производств с наиболее вредными выбросами за пределы городов, ликвидация мелких котельных, создание централизованных котельных с высокими трубами, широкое использование газового, малосернистого и малозольного топлива. В этом отношении большие работы проведены в Москве, Ленинграде и ряде других крупных городов СССР. Очень эффективной оказалась централизация и газификация котельных. Только в Ленинграде с 1971 по 1975 г. закрыты сотни мелких котельных, вынесено более 30 предприятий за пределы города. Приобрел известность опыт Лондона, где после одного из наиболее интенсивных смогов в 1956 г. был принят специальный закон, по которому ликвидировано значительное число мелких источников бытового отопления и улучшено качество топлива.

Одним из основных источников загрязнения воздуха в городах становятся выхлопные газы автомобилей. Оздоровлению атмосферы способствует сооружение метрополитена, более широкое использование общественного, в первую очередь электрического, транспорта. Поскольку выбросы автомобилей значительно увеличиваются при малых скоростях движения и торможении, загрязнение воздуха в городах существенно зависит от планировки и ширины улиц. В данной связи эффективно создание объездных дорог (особенно для грузового транспорта), улиц-дублеров для основных транспортных магистралей города, сооружение подземных переходов. Существенное значение имеет и рациональное регулирование транспортных потоков, введение системы "зеленой волны" и др. В Токио, например, где интенсивность движения автотранспорта очень велика и нередко вызывает фотохимические смоги, на некоторых перекрестках улиц установлены показатели загрязнения воздуха; при высокой концентрации примеси перераспределяют транспортные потоки.

Значительные возможности для рационального планирования градостроительных мероприятий связаны с использованием численного моделирования атмосферной диффузии, а также с моделированием в аэродинамических трубах загрязнения воздуха и воздушных течений в городе. Они могут позволить установить оптимальное размещение источников загрязнения и жилых домов, требуемую ширину улиц, высоту зданий и т. д.

Озонный слой в атмосфере - концентрация озона в верхних слоях атмосферы [1, 2, 20, 40]. Озон, содержащийся в атмосфере, Имеет главным образом естественное происхождение. Наибольшие концентрации сосредоточены в стратосфере на высоте 20 ... 30 км. Его нередко называют озонным слоем. Этот слой задерживает значительную часть ультрафиолетовой радиации Солнца и тем самым играет заметную роль в тепловом режиме атмосферы, отчасти предохраняет людей от прямых ожогов кожи и т. п. В связи с этим его иногда называют и озонным экраном или щитом. В последнее время внимание к нему привлечено в связи с антропогенным воздействием, вызывающим опасность его разрушения, а следовательно с изменением интенсивности солнечной радиации, созданием благоприятных условий для фотохимических реакций. В такие реакции с участием озона могут вступать, в частности, окислы азота, образующиеся вследствие высоких температур сгорания горючего в двигателях самолетов. Окислы азота составляют почти 4% веса сжигаемого топлива. Естественно возникает вопрос, не могут ли их выбросы реактивной высотной авиацией окислов азота приводить к уменьшению озона и постепенному разрушению озонного слоя. Возникает вопрос и о влиянии фреонов, которые широко используют в агрономии и бытовой химии (в аэрозольных баллончиках, холодильниках и т. п.) и 95% продукции которых выбрасывается в атмосферу. Мировая продукция наиболее распространенных из них фреона-11 (CFCl₃) и фреона-12 (CF₂Cl₂) возрастала ежегодно с 1960 по 1972 г. в среднем более чем на 20% и составила к 1972 г. 500 тыс. т. Только в США в 1974 г. их выбросы составили 400 тыс. т. Общая мировая продукция от начала их производства до 1976 г. составляет более 8,5 млн. т.

Измерения концентраций фреонов в атмосфере в период 1970-1975 гг. показали, что они увеличиваются пропорционально увеличению их выбросов. Очень устойчивые к каким-либо изменениям у Земли (время жизни их около 10 лет), они могут подниматься в стратосферу и активно вступать в фотохимические реакции с участием озона, также способствуя его уменьшению. По одной из оценок к концу XX столетия уменьшение содержания озона в стратосфере составит 5 ... 10%, по другой 20 ... 30% Такое уменьшение его не может вызвать значительных изменений температуры воздуха у земной поверхности, однако может нарушиться циркуляция воздушных масс в стратосфере. Не исключены также и нежелательные воздействия на биосферу. Вследствие увеличения ультрафиолетовой радиации у Земли не исключено возрастание заболеваемости людей раком кожи и др.

Из данных наблюдений еще нельзя выявить антропогенное влияние на озонный слой, поскольку до настоящего времени оно находится в пределах естественных колебаний. Большие количества окислов азота, сравнимые с ожидаемыми от выбросов реактивной авиации в ближайшем будущем, уже попадали в стратосферу при испытаниях ядерного оружия, но заметных изменений в слое озона не было обнаружено. В последнее время установлено, кроме того, что в результате биохимических процессов в атмосфере может выделяться большое количество окислов азота и перенос их в стратосферу может превысить ожидаемые выбросы от сверхзвуковых самолетов. В целом вопрос о воздействии на озонный слой еще не выяснен и требует дальнейшего исследования. Существует ряд научных программ для экспериментального и теоретического изучения указанных процессов, ведут наблюдения за глобальным распределением озона на сети станций, расположенных в разных частях Земного шара.

"Парниковый эффект" атмосферы - явление подобное тому, которое наблюдается в парниках для выращивания растений [2, 4, 8]. Оно состоит в том, что подобно стеклу в парниках безоблачная атмосфера сравнительно мало задерживает солнечную радиацию и в значительной степени поглощает длинноволновое излучение Земли, способствуя тем самым сохранению тепла в атмосфере. В действительности в парниках большую роль играет их изоляция от окружающего воздуха. Тепловой эффект их, например, сохраняется при замене стекла на полиэтилен, который поглощает коротковолновую и длинноволновую радиацию примерно одинаково. Тем не менее название "парниковый эффект" для атмосферы довольно часто употребляется.

Основной фактор парникового эффекта в атмосфере - водяной пар. В значительной степени он зависит от углекислого газа (СO₂) и отчасти от других примесей, с увеличением содержания которых может повыситься и температура воздуха. Внимание к данному вопросу усилилось в связи с быстрым ростом количества сжигаемого топлива и пропорциональным ему увеличением концентрации СO₂. Углекислый газ поступает в атмосферу и в результате естественных процессов, причем в количествах гораздо больших, чем от антропогенных источников. В общей сумме в атмосферу ежегодно выделяется 140 млрд. т СO₂, из них вследствие сжигания топлива и других видов хозяйственной деятельности примерно 15 млрд. т. Однако только за 15 лет после 1958 г. антропогенные выбросы СO₂ увеличились больше чем на 7,5 млрд. т, тогда как за 100 лет до 1958 г. они составляли около 9 млрд. т. В связи с этим в последние 20 лет были организованы фоновые наблюдения за содержанием СO₂ в атмосфере и отмечено систематическое увеличение его. Так, по данным наблюдений 1958 г., на фоновой станции Моуна Лоа, расположенной на Гавайских островах, установлено, что в среднем возрастание концентрации СO₂ за год составляет 0,65 части на миллион (чнм). Это, естественно, приписывается антропогенным факторам. Однако, если учесть количество ежегодно сжигаемого топлива, то нарастание концентрации СO₂ должно составить 1,2 чнм в год. Следовательно, только половина образующегося СO₂ сохраняется в атмосфере. Такое соотношение непостоянно, в отдельные годы наблюдалось возрастание СO₂ до 1 чнм в год. Тем не менее полагают, что в атмосфере остается только от 35 до 45% СO₂, образующегося при сжигании топлива. Это объясняется отчасти усиленным поглощением СO₂ океаном, главным образом его холодными участками, отчасти возрастанием поглощения его растительностью, так как с увеличением концентрации его в атмосфере более активно происходит фотосинтез.

По прогнозным оценкам ожидается, что ежегодный рост мирового потребления топлива до конца настоящего столетия в среднем составит 3,5%. На этом основании считают, что содержание СO₂ в атмосфере увеличится с 1970 по 2000 г. на 20% и достигнет 380 чнм. Вследствие "парникового эффекта", свойственного СО₂, это может вызвать существенное антропогенное воздействие на тепловой режим атмосферы, а вместе с тем и на климат планеты в целом. Отмечают также возможность небольшого усиления "парникового эффекта" и из-за увеличения в атмосфере содержания фреонов и других примесей.

Последствия загрязнения атмосферы - результат вредного воздействия загрязняющих атмосферу веществ на здоровье людей и на окружающую среду в целом [2, 22, 41, 50]. В городах и промышленных районах загрязнение атмосферы вызывает различные заболевания, которые наиболее четко выявляются у детей, поскольку удается исключить влияние профессиональных болезней и курения на людей старшего возраста. В отдельных случаях оно приводит к смертельным исходам.

Установлена связь между загрязнением воздуха и числом заболеваний хроническими бронхитами, эмфиземой легких, астмой и др. Установлено, что за последние 50 лет в среднем в 10 раз возросло число заболеваний раком легких во многих странах, а в Англии - в 40 раз. В городах число заболеваний раком среди некурящих в 10 раз больше, чем в сельской местности. Приобрело известность изречение: "Дым - это рак". По некоторым оценкам, те, кто дышит воздухом Нью-Йорка, подвержены заболеванию раком легких почти в такой же степени, что и люди, выкуривающие 2 пачки сигарет в день. Концентрация свинца в крови городских жителей отдельных районов США на 30 ... 40% больше, чем у сельских, а у лиц, обслуживающих автомашины, оно еще на 50% больше. Согласно выборочному обследованию группы населения, проведенному в промышленных районах ФРГ, в большинстве случаев содержание свинца в организме оказалось выше допустимого. Согласно обследованию промышленных районов г. Острава (ЧССР), число заболеваний глаз конъюнктивитом в 5 ... 20 раз, а продолжительность этого заболевания в 2 раза больше, чем в других районах, где менее загрязнен воздушный бассейн. Значительный ущерб здоровью людей, нередко сопровождающийся жертвами, наносит всевозрастающее число смогов в городах.

В результате загрязнения воздуха повреждаются лесные массивы, парки и сельскохозяйственные культуры вблизи городов и крупных промышленных объектов. Наряду с гибелью растений от длительного воздействия атмосферных примесей, нередки случаи уничтожения больших площадей с растениями в результате отдельных кратковременных, но больших по объему выбросов токсических веществ. Во многих городах практически исчезли сосновые и ряд других чувствительных к токсичным веществам пород деревьев. Загрязнение воздуха оказывает вредное воздействие не только на живую природу. Оно значительно усиливает коррозию металлов. В районах размещения химических комбинатов скорость коррозии железа и алюминиевых сплавов во много раз больше, чем в сельской местности. В Бомбее коррозия металлов происходит в 3 ... 6 раз быстрее, чем в других прибрежных районах Индии.

Большой ущерб наносит загрязнение воздуха и памятникам культуры, жилым и производственным помещениям, различным материалам. Оно может вызвать непреднамеренные антропогенные воздействия на атмосферу.

Предельно допустимые концентрации примесей в атмосфере (ПДК) - максимальная концентрация примеси в атмосфере, отнесенная к определенному периоду осреднения и при периодическом воздействии или на протяжении всей жизни человека, не оказывающая на него и на окружающую среду в целом вредного действия [2, 6, 12, 34]. Комитетом всемирной организации здравоохранения в 1964 г. установлены четыре уровня загрязнения воздуха - отсутствие влияния, раздражение, хронические заболевания и острые заболевания. К первому из них относятся случаи, когда еще не обнаруживается никакого прямого или косвенного воздействия на человека. В СССР при установлении ПДК принимают этот самый низкий уровень. Для его определения используют высокочувствительные тесты, такие, как изменения световой чувствительности глаза, биопотенциалов головного мозга и др., позволяющие обнаруживать минимальные воздействия токсических веществ на организм человека при кратковременном их вдыхании. Кроме того, для определения резорбтивного (длительного) воздействия токсических веществ проводят эксперименты на животных в специальных затравочных камерах с применением физиологических, биохимических, иммунобиологических и других тестов, а также используют материалы эпидемиологических исследований. К полученным лабораторным данным о пороге воздействия в ряде случаев вводят дополнительно коэффициенты запаса, снижающие эти пороги в несколько раз (иногда в 100 раз). В качестве основного показателя опасности загрязнения воздуха принимается весовая концентрация примесей. Министерство здравоохранения СССР периодически утверждает предельно допустимые нормы вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест, в которых выделяются два типа ПДК - максимально разовые (ПДК_раз) и среднесуточные (ПДК_сут). Первая из них относится в основном к 20-30-минутному интервалу времени и определяет степень кратковременного воздействия примеси на организм человека, вторая - допустимую степень загрязнения воздуха в течение длительного периода без строгого фиксирования его продолжительности.

В Советском Союзе установлены ПДК для 200 вредных ингредиентов. В таблице приведены значения для некоторых из наиболее распространенных примесей. В зависимости от токсичности выделяют также четыре класса опасности примеси.

Для некоторых примесей учитывают суммацию их вредного воздействия. При наличии таких ингредиентов соответственно с концентрациями с₁, с₂, ... с_n и предельно допустимыми концентрациями ПДК₁, ПДК₂, ... ПДК_n условие суммации определяют требованием, чтобы выполнялось соотношение

В частности, должно суммироваться действие сернистого газа и одного из таких газов, как двуокись азота, фенол, фтористый водород или аэрозоль серной кислоты, а также ряда других примесей.

Значения ПДК, устанавливаемые в ряде зарубежных стран, определяются как национальные стандарты качества воздуха и утверждаются соответствующими правительственными органами. Они относятся к разным интервалам времени 0,5; 1; 8; 24 ч в год. В США для CO принимается 40 мг/м³ за 1 ч и 10 мг/м³ за 8 ч; для SO₂ и пыли, соответственно, 0,36 и 0,26 мг/м³ за 24 ч и 0,08 и 0,075 мг/м³ за год; для NO₂ - 0,1 мг/м³ за 1 ч, O₃ - 0,16 мг/м³ за 1 ч, В Японии часовые и суточные значения ПДК равны соответственно для СО - 2,5 и 12 мг/м³; для SO₂ 0,3 и 0,12 мг/м³, для пыли 0,2 и 0,1 мг/м³. В Швеции для SO₂ 30-минутная и суточная ПДК составляет соответственно 0,75 и 0,3 мг/м³. За рубежом большей частью значения ПДК выше, чем в СССР.

Предельно допустимые выбросы в атмосферу (ПДВ) - количество вредных веществ, выбрасываемых в единицу времени, которое в сумме с выбросами от совокупности источников города или другого населенного пункта (с учетом перспективы развития промышленных предприятий и рассеивания вредных веществ в атмосфере) не создает приземной концентрации примеси, превышающей ее ПДК для населения, растительного и животного мира [2, 5, 33].

Сущность введения ПДВ состоит в нормировании выбросов и обусловлена тем, что при существующих методах сокращения отходов производства практически невозможно полностью избежать проникновения вредных веществ в атмосферу. Вместе с тем можно уменьшить их выбросы до установленного предела и ослабить их воздействие до допустимых уровней, определяемых предельно допустимыми концентрациями (ПДК). Для выявления связи между ПДВ и ПДК, относящимся к различным точкам пространства, исследуют закономерности распространения примесей от их источников до зоны воздействия, обусловленные турбулентной диффузией в атмосфере.

В СССР введен Государственный стандарт (ГОСТ), по которому устанавливают ПДВ для вредных веществ промышленными предприятиями. Если в воздухе городов или других населенных пунктов, где предприятия расположены, концентрации вредных веществ превышают ПДК, а значения ПДВ по объективным причинам не могут быть достигнуты, вводится поэтапное снижение выброса вредных веществ до значений, обеспечивающих ПДК. На каждом этапе до обеспечения ПДВ устанавливают временно согласованные выбросы (ВСВ) на уровне выбросов предприятий с наилучшей технологией производства или на уровне предприятий аналогичных по мощности и технологическим процессам. Предполагают, что рассеивание вредных выбросов в атмосфере при увеличении высоты их выбросов достигается только после применения всех имеющихся современных технических средств для сокращения вредных выбросов. В соответствии с ГОСТом на ПДВ должны быть разработаны комплексные планы оздоровления атмосферы городов и промышленных районов с учетом выбросов от всех источников. На предприятиях создают системы контроля за источниками выброса и соблюдением ПДВ. В этом одно из достоинств введения системы ПДВ.

Устанавливают ПДВ на основании расчета рассеивания примесей в атмосфере. Согласно указаниям, утвержденным Госстроем СССР, в случае нагретых выбросов из N близко расположенных между собой труб ПДВ рассчитывают по формуле

где С_ф - фоновая концентрация в данном городе или населенном пункте; Н - высота труб; V - объем дымовых газов, выбрасываемых в единицу времени; T - перегрев газов относительно окружающего воздуха; А и r - коэффициенты, характеризующие соответственно неблагоприятные климатические условия и влияние рельефа (для ровной местности r = 1); F - коэффициент, определяющий влияние осаждения примеси (для газов F = 1); m и n - вспомогательные параметры.

При выбросе продуктов сгорания топлива предельно допустимое количество сжигаемого топлива ПДТ рассчитывают по формуле

где М_т и V_т - соответственно выброс примесей (г/кг) и объем газов (м³/кг), выделяющихся из 1 кг топлива; при этом ПДТ дается в тоннах в час (т/ч).

В ряде зарубежных стран, а иногда и в СССР на основании балансовых оценок или имеющегося опыта вводят стандарты удельных выбросов вредных веществ на единицу продукции. Например, в США при производстве кокса на 1 т угля допускается выделение примерно по 0,3 кг пыли и окиси углерода, 0,75 кг сернистого газа, по 0,03 кг углеводородов и аммиака, в Швеции при производстве серной кислоты 5 ... 25 кг/т сернистого газа, при производстве алюминия - 2 кг фторидов на 1 т алюминия. Такие стандарты не учитывают многообразия факторов, влияние которых отражено в приведенных формулах, в том числе высоту и характеристику источника, метеорологические и топографические условия, фоновую концентрацию примеси. Подобные стандарты могут быть использованы только некоторыми типами предприятий, размещенными примерно в одинаковых условиях.

Пыле- и золоуловители - установки для очистки вредных выбросов в атмосферу от пыли (золы) [15, 27, 35]. Они делятся на несколько основных типов по принципу действия. Применяют их в зависимости от дисперсности и состава пыли, требуемой степени очистки, объема очищаемых газов, характера производства.

Для грубой пылеочистки большей частью используют установки, где пыль удаляется под влиянием силы тяжести, инерционных или центробежных сил. В них задерживаются в основном крупные фракции пыли. Простейшие устройства такого типа - пылеосадительные камеры. Иногда их используют только для первичной очистки газов. Широкое распространение получили циклоны. В них очищаемым газам придается вращательно-поступательное движение. Под влиянием центробежной силы частицы пыли попадают на стенки циклона, а затем по ним осаждаются в бункера, иногда имеющие конусообразную форму. Для очистки больших объемов газа и повышения ее эффективности создают батареи циклонов, или батарейные циклоны. Степень очистки в таких устройствах составляет от 50 до 90% при размере частиц 10 ... 20 мкм, но может достигать 98% при размере частиц 30 ... 40 мкм, 80% при 10 мкм и не более 60% при 5 мкм.

Другой распространенный тип пылеуловителей построен на принципе мокрой очистки. Есть много их разновидностей. Одна из них - скрубберы, в которых дымовые газы пропускаются через ряд сечений оросительной системы. В результате увлажнения частицы пыли, содержащейся в дымовых газах, могут укрупняться, эффективность их осаждения повышается. Увлажнение газов может одновременно вести и к их охлаждению, что также нередко способствует улучшению условий очистки. Такие устройства можно использовать и для газоочистки, когда необходимо удалить не только аэрозоли, но и вредные газы, содержащиеся в выбросах в атмосферу. Они способны очищать газы от очень мелких частиц пыли (вплоть до десятых долей микрона) К их недостаткам относят загрязнение используемой воды, необходимость повышения требований к коррозионной защите и др. Существенное снижение в ряде случаев температуры выбросов ведет к уменьшению эффективной высоты их подъема и увеличению в связи с этим максимальных концентраций в приземном слое воздуха.

Широко распространены и пылеуловители, в которых дымовые газы пропускают через различные пористые фильтры из натуральных или искусственных тканей и волокон или минеральных веществ. Тканевым фильтрам часто придают форму рукавов или мешков, через которые пропускают газы, поэтому говорят о рукавных фильтрах. Им свойственна высокая степень очистки, достигающая 99%. Они имеют ряд достоинств, связанных со стабильностью работы и др. Неудобства работы с ними обусловлены существенной зависимостью от температуры и влажности, громоздкостью очистных устройств и др.

Одним из наиболее совершенных видов пыле- и золоуловителей являются электрофильтры.

Радиоактивность атмосферы - содержание в атмосфере радиоактивных примесей природного и искусственного происхождения [17, 18, 21, 43]. Естественный источник ее - сосредоточенные в земной коре радиоактивные нуклиды урана, тория и актиния, выделяющиеся в процессе распада в атмосферу изотопы родона и тория. К естественным источникам относятся также космические лучи, которые в результате ядерных реакций с азотом и кислородом приводят к появлению радиоактивных изотопов ряда легких элементов - бериллия-7, углерода-14, трития (водорода-3) и др., а с аргономсилицием-32, серы-35 и др. Антропогенные источники большого ряда различных долго- и кратковременных изотопов - ядерные взрывы, атомная энергетика и промышленность. Значительная часть радиоактивных веществ, образующихся при ядерных взрывах, проникает сначала в стратосферу, а затем с воздушными течениями распространяется на большие расстояния. Основные продукты деления при ядерных взрывах, встречающиеся в выпадениях по всему Земному шару,- стронций-90 и 89, цезий-137 и 144, цирконий-98, углерод-14 и др. Из них особую опасность в биологическом отношении представляет долгоживущий стронций-90, обладающий из-за своего сходства с кальцием практически неограниченной возможностью отлагаться в костях человека, и цезий-137. Из отходов атомной энергетики наиболее распространены в атмосфере Земного шара криптон-85 (К85) и тритий. При работе с отходами атомной промышленности нельзя допускать утечки радиоактивных веществ в атмосферу во избежание вредного воздействия их на людей; на энергетических установках необходимо сооружать специальную защиту.

Радиоактивные вещества в атмосфере концентрируются в основном на аэрозолях. Вместе с ними они распространяются, а также вследствие свойства самоочищения атмосферы постепенно вымываются осадками или гравитационно осаждаются на земле. Распространение продуктов деления от их источников определяется закономерностями атмосферной диффузии.

Для устранения опасности загрязнения атмосферы радиоактивными веществами делают расчеты рассеивания их с учетом допустимых доз воздействия и установления предельно допустимых выбросов. Некоторые из радиоактивных изотопов - удобные трассеры, используемые для изучения особенностей воздушных течений.

Наблюдения за радиоактивностью атмосферы в основном осуществляют посредством выбора проб аэрозолей; прокачивают также воздух через фильтры различными воздуходувками наземного типа или установленными на кораблях, самолетах, аэростатах и др. Для этого собирают выпадающую на землю пыль, пользуясь планшетами или сборными сосудами с различным временем экспозиции их, обычно от 1 суток до недели или месяца. Для выявления в отобранных пробах радиоактивных веществ используют их свойство излучать бета- или гамма-радиацию. Бета-активные изотопы определяют в основном радиохимическим анализом, а гамма-активные - гамма-спектроскопическим. Для выполнения необходимых анализов разработана различная автоматическая аппаратура. Наблюдения за радиоактивностью атмосферы ведут на обширной сети пунктов многих стран.

Санитарно-защитные зоны (СЗЗ) - полосы или участки земли, разделяющие предприятия и жилые массивы [2, 5, 26]. В соответствии с действующими в СССР санитарными нормами проектирования предприятий установлена примерная классификация промышленных объектов по величине необходимых разрывов между ними и жилыми постройками. Выделено пять классов объектов с величиной разрыва от 50 м до 5 км, учтено главным образом загрязнение воздуха вблизи предприятий низкими и неорганизованными выбросами вредных веществ. Согласно указаниям по расчету рассеивания примесей в атмосфере утвержденные Госстроем СССР размеры СЗЗ принимают по этой классификации без изменений, если вычисленные значения максимальной концентрации примеси от источника меньше ПДК. В противном случае протяженность СЗЗ l устанавливают расчетным путем с учетом повторяемости направления ветра, определенного румба P по розе ветров. Принимают, что

где L₀ - расстояние (от источника), до которого рассчитанные концентрации больше ПДК; Р₀ - повторяемость ветра одного румба при круговой розе ветров.

В некоторых случаях, когда в районе действующих предприятий максимальная концентрация больше ПДК, а значения ПДВ по объективным причинам не могут быть достигнуты, введение СЗЗ эквивалентно введению временно согласованных выбросов. В этих случаях при поэтапном сокращении выбросов уменьшается максимальная концентрация и сокращаются размеры СЗЗ, на границе которой концентрация равна ПДК.

При осуществлении мероприятий, направленных на обеспечение чистоты атмосферы при градостроительстве, предусматривают зеленые насаждения в СЗЗ, которые частично поглощают выбрасываемые примеси. Существенное значение при этом имеет подбор растительности, достаточно устойчивой к загрязнению воздуха.

За рубежом также существует практика создания СЗЗ. В США предусмотрено создание вблизи крупных производств таких зон с зелеными насаждениями шириной СЗЗ примерно 30 м в городах и 150 м вне городов. Во Франции при реконструкции городов рекомендуется разделять их территории на жилые и промышленные зоны.

Самоочищение атмосферы, или свойство сохранения равновесия в ее составе,- частичное или полное восстановление естественного состава атмосферы вследствие удаления примесей под воздействием природных процессов [2, 37, 45]. К таким процессам относятся вымывание примесей осадками, гравитационное осаждение аэрозолей на землю, взаимодействие примесей с подстилающей поверхностью и др.

Атмосферные примеси поглощаются облачными каплями и с осадками выпадают на землю. Осадки при их выпадении захватывают значительную часть примесей и из подоблачного слоя, как бы промывая этот слой. Степень вымывания примесей осадками зависит от их интенсивности, микроструктуры и т. п. Она характеризуется коэффициентом захвата, представляющим собой величину обратную периоду времени, в течение которого концентрация примеси уменьшается в е раз. По данным наблюдений за радиоактивными примесями, коэффициент захвата изменяется примерно от 2×10^-4 до 8×10^-4 с^-1 при изменении интенсивности осадков от 0,1 до 10 мм/ч. Вследствие большей поверхности и меньшей скорости падения снежинки захватывают аэрозоль эффективнее, чем капли дождя. Измерения показали, что в снеге при одной и той же интенсивности осадков содержится сульфатов и нитритов в несколько раз больше, чем в дождевой воде. На распространение газовых примесей снег влияет слабее, поскольку их поглощение ледяными кристаллами менее интенсивно, чем водяными каплями.

Скорость гравитационного осаждения (или в отличие от вымывания осадков - "сухого" выпадения) аэрозолей, зависит от их размеров и плотности. Для широкого спектра размеров частиц ее определяют по формуле Стокса. При плотности близкой к единице и размерах частиц 1; 10 и 50 мкм значение этой скорости соответственно равно 0,13, 1,3 и 30 см/с. Многие газообразные вещества, содержащиеся в атмосфере, вследствие каталитических, фотохимических и других реакций постепенно преобразуются в аэрозоли. При охлаждении аэрозолей выводятся из атмосферы и газовые примеси. Характерным примером является преобразование сернистого газа в сульфаты, а окислов азота в нитриты. Убыванию как газовых, так и аэрозольных примесей способствует также частичное или полное поглощение их подстилающей поверхностью.

Наблюдения показывают, что большее количество различных примесей выводится из атмосферы в виде аэрозолей. Из анализа химического состава осадков, выпадающих на территории СССР, следует, что их минерализация вследствие поглощения атмосферных примесей отличается в различных частях ее. На севере осадки наиболее чистые со средней минерализацией 8 ... 15 мг/л. К югу она возрастает до 25 ... 30 мг/л и достигает в Средней Азии 35 ... 40 мг/л. В промышленных областях минерализация осадков больше. На территории СССР только вне городов с осадками выпадает от 5 до 15 т/км² минеральных веществ. Их распределение представляет интерес для почвоведов, агро- и гидрохимиков. Значительное внимание привлекается к выпадению на землю сульфатов, которые образуются в результате трансформации сернистого газа, выбрасываемого в больших объемах из дымовых труб тепловых электростанций и распространяющегося на большие расстояния от них. Это приводит в ряде случаев к нежелательному окислению почв и водоемов. Существенное значение имеет изучение выведения из атмосферы и других примесей, особенно радиоактивных веществ - продуктов ядерных взрывов и атомной энергетики.

Смог - сочетание газообразных и твердых примесей с туманом или аэрозольной дымкой, вызывающей интенсивное загрязнение атмосферы [2, 48]. Выделяют фотохимические смоги, которые образуются в результате реакций между примесями в атмосфере под влиянием солнечной радиации. Первоначально под термином смог понимали дымотуманное состояние атмосферы, и составлен он из начала и конца двух английских слов - smoke (дым) и fog (туман). Такого типа смоги уже отмечали более 100 лет тому назад, и наибольшую известность приобрело их периодическое образование в Лондоне. Фотохимические смоги сначала были обнаружены в 30 годах XX в. в Лос-Анджелесе, поэтому иногда говорят о смогах лондонского и лосанджелесского типа. Основной источник загрязнения воздуха в первом случае - сжигание угля и мазута, во втором - выбросы автотранспорта.

Исследования показали, что при туманах вредное воздействие ряда примесей, например сернистого газа, превращающегося в аэрозоль серной кислоты, сильнее, чем при других погодных условиях. В этих случаях отмечается взаимоусиливающееся действие загрязнения воздуха и тумана, ухудшается видимость и т. п. При фотохимических смогах окислы азота и углеводорода, содержащиеся в выхлопных газах автомашин, под влиянием солнечной радиации образуют оксиданты, из которых наиболее распространен озон.

Продолжительность смогов обычно от одного до нескольких дней, но интенсивность загрязнения настолько велика, что смоги вызывают тяжелые последствия, нередко сопровождающиеся жертвами. Так, при одном из наиболее значительных смогов 5-9 декабря 1952 г. в Лондоне, когда концентрация сернистого газа резко возросла и достигла 2 ... 4 мг/м³, число умерших увеличилось на 4 тыс. человек по сравнению со средним числом смертных случаев. Смоги вызывают удушье и раздражение глаз, повреждение растительности и резиновых изделий, снижение видимости и т. д.

В последнее десятилетие с развитием автотранспорта фотохимические смоги значительной интенсивности возникали во многих городах разных континентов, в частности в ряде городов США, Японии, ФРГ, Голландии, Италии, Югославии, Канады, Австралии. Например, в Японии с мая по июль 1971 г. было 12 фотохимических смогов, от которых пострадало более 10 тыс. человек. В Советском Союзе к настоящему времени смогов практически не было, но возможно образование их в некоторых южных городах с интенсивным движением автотранспорта.

Высокие концентрации озона, которые иногда используют в качестве одного из показателей фотохимического смога, наблюдали не только в местах его образования, но и на значительных расстояниях от них в результате переноса воздушных масс. Наблюдали их на большом удалении от Нью-Йорка и других промышленных центров США. На шведском побережье неоднократно обнаруживали высокие концентрации озона (больше 0,2 мг/м³), которые связываются с дальним переносом его, отмечали также высокие концентрации кислотных аэрозолей большой токсичности, которые, как полагают, образовались в результате фотохимических превращений сернистого газа по пути переноса его с индустриальных районов Англии.

Стандартизация качества атмосферного воздуха - установление контроля и нормирование содержания примесей вредных веществ в атмосферном воздухе в целях защиты окружающей среды от загрязнения [2, 48].

В нашей стране разработаны первые государственные стандарты из серии "Охрана природы. Атмосфера", в том числе по контролю качества воздуха населенных пунктов (ГОСТ 17.2.3.01-77), установлению допустимых выбросов - ПДВ (ГОСТ 17.2.3.02-78), основные термины и определения по метеорологическим аспектам загрязнения атмосферы и промышленным выбросам (ГОСТ 17.2.1.04-77), а также по выбросу вредных веществ автомобилями, тракторами и двигателями (ГОСТ 17.2.1.02-76), классификация выбросов по составу (ГОСТ 17.2.1.01-76). Разрабатывают и ряд других ГОСТов, относящихся к методам отбора проб воздуха для анализа их содержания, предельно допустимым концентрациям (ПДК) для атмосферных примесей и др. Наряду с государственными стандартами СССР разрабатываются стандарты для стран СЭВ, которые явятся обобщением перечисленных ГОСТов.

Аналоги используемых в Советском Союзе величин ПДК и ПДВ в ряде зарубежных стран определяются как стандарты качества воздуха и стандарты на выбросы в атмосферу. В США вводят первичные и вторичные стандарты качества воздуха. Первичные стандарты относятся к оценке непосредственного влияния атмосферных примесей на здоровье населения, вторичные - к общему воздействию их на окружающую среду. Вторичные стандарты по своему смыслу - более жесткие, чем первичные. Для концентрации сернистого газа и пыли, например, в среднем за год, первичные стандарты устанавливают соответственно 0,08 и 0,075 мг/м³, а вторичные - 0,06 и 0,06 мг/м³. Стандарты на выбросы нередко относят к единице продукции или используемого сырья. Такие стандарты уступают по обоснованию и универсальности указанному ГОСТу на установление ПДВ.

Турбулентная диффузия в атмосфере - неупорядоченное перемещение воздуха с находящимися в нем примесями [2, 30, 47, 49]. Она определяет рассеивание и распределение примесей, обмен и перемещение масс воздуха теплом, количеством движения. Интенсивность турбулентного перемещения значительно больше интенсивности молекулярной диффузии, поэтому под атмосферной диффузией понимают турбулентную диффузию. В качестве ее характеристик используют коэффициенты турбулентного обмена в вертикальном и горизонтальном направлениях.

Исследования атмосферной диффузии проводят путем опытов с искусственно созданными источниками примеси и в натуре в районах различных индустриальных объектов - источников загрязнения атмосферы. Для этого в Советском Союзе систематически ведут экспедиционные работы при разных условиях погоды. В районах ряда крупных тепловых электростанций с дымовыми трубами высотой от нескольких десятков метров до 320 м исследовали распределение нагретых выбросов - золы, сернистого газа и окислов азота. Вблизи заводов искусственного волокна изучали рассеивание сравнительно холодных выбросов сероводорода и сероуглерода. Аналогичные исследования вели вокруг металлургических и других производств. При экспедиционных работах обычно измеряют концентрацию примеси на расстоянии до 10 км, а иногда до 20 км от предприятий, определяют количество выбрасываемых веществ и их характеристики, наблюдают за вертикальным распределением скорости ветра и температуры до высоты примерно 12 км.

При теоретических исследованиях закономерностей распространения примеси в пограничном слое атмосферы развиваются два основных подхода. Один из них состоит в определении концентрации примеси от отдельных источников с помощью статистико-эмпирических формул, другой, более эффективный и универсальный, основан на решении уравнения турбулентной диффузии, определяющего распространение примеси в атмосфере. Коэффициенты этого уравнения - составляющие коэффициентов турбулентного обмена, скорости движения воздуха и др. Они зависят от высоты, а при неоднородной подстилающей поверхности также и от горизонтальных координат. С помощью ЭВМ можно рассчитать концентрацию примесей от различных источников, учесть многообразие возможных условий погоды, топографии местности и характеристик выбросов примесей.

При учете вертикального распределения скорости ветра и коэффициента обмена в приземном слое атмосферы различают часто наблюдаемые нормальные условия и более редко встречающиеся аномальные условия погоды. При нормальных условиях над ровной подстилающей поверхностью скорость ветра увеличивается с высотой; коэффициент обмена изменяется линейно с высотой в приземном слое атмосферы, а выше остается постоянным. При таких условиях наибольшее значение наземной концентрации примеси от высотных источников типа дымовых и вентиляционных труб или аэрационных фонарей достигается при падении температуры воздуха с высотой, когда интенсивен турбулентный обмен, способствующий переносу примесей от источников к земной поверхности. От низких источников (автотранспорта и др.) наибольшие концентрации достигаются при приземных инверсиях температуры, когда турбулентность развита слабо.

Расчеты показывают, что при одних и тех же условиях выброса вредных примесей из труб тепловых электростанций и предприятий максимальные концентрации вблизи их различны в разных климатических областях. В частности, они больше в южных и лесных областях, где наиболее интенсивен обмен по вертикали, поэтому здесь должны предъявляться более жесткие требования к мероприятиям, направленным на обеспечение необходимой чистоты воздушного бассейна.

При некоторых условиях погоды могут образоваться особо большие концентрации вредных примесей в приземном слое воздуха. Например, они могут быть, когда в слое воздуха, расположенном непосредственно над дымовыми трубами, есть температурная инверсия, которая характеризуется слабым перемешиванием воздуха и задерживает перенос примесей вверх. В результате вредные выбросы сосредоточиваются под инверсией, и концентрация их у земли может резко возрасти. Приподнятая температурная инверсия, особенно в сочетании со слабыми ветрами, наиболее опасна при холодных вентиляционных выбросах, которые практически не могут подняться в этом случае выше определенного уровня. Опасность загрязнения атмосферы усугубляется при туманах, в пониженных местах рельефа, где возможны застои воздуха.

Суммарное загрязнение воздуха многими источниками в городе или в районах крупных промышленных объектов черной и цветной металлургии, химии и нефтепереработки и др. рассчитывают методом суперпозиции полей концентрации от отдельных источников. В СССР на основе исследований атмосферной диффузии разработаны "Указания по расчету рассеивания в атмосфере вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий" (СН 369 - 74), утвержденные Госстроем СССР в качестве нормативного документа и введенные в действие с 1975 г. Этими указаниями в обязательном порядке следует пользоваться при проектировании и эксплуатации предприятий для обеспечения необходимой чистоты воздуха.

Ультрафиолетовая радиация Солнца (УФР) - коротковолновая часть спектра излучения его с длинами волн примерно 0,3 ... 0,4 мкм у земной поверхности и 0,2 ... 0,4 мкм в верхней атмосфере [23]. В энергетическом спектре солнечной радиации у поверхности Земли она составляет сотые доли процента. С высотой эта доля возрастает и достигает почти 7% на верхней границе атмосферы. Ослабление УФР в основном происходит в результате поглощения ее слоем озона, молекулярным и аэрозольным рассеиванием в воздухе. Ее величина, достигающая земной поверхности, существенно зависит от высоты Солнца, определяющей длину пути распространения солнечных лучей и содержания атмосферных примесей. Отчетливо это проявляется в течение суток и года. Днем УФР более часто достигает максимума в предполуденные часы, осенью - в периоды уменьшения слоя озона. Отношение рассеянной компоненты к прямой для УФР гораздо больше, чем для суммарной солнечной радиации. При высоте Солнца 60° оно равно почти 6, а при 40° - около 1.

УФР играет существенную роль в фотохимических процессах, происходящих в атмосфере, в частности в образовании озона в ее верхних слоях, а также при смогах. УФР хромосферных вспышек вызывает ионосферные возмущения в атмосфере. Она обладает значительным бактерицидным действием, оказывает влияние на некоторые биологические процессы. При ограниченной дозе нередко отмечают благотворное действие ее на циркуляцию крови и общее состояние человеческого организма. Увеличение дозы (излишний загар) вредно и может вызвать рак кожи.

На части станций актинометрической сети ведут наблюдения и за УФР. По данным наблюдений и расчетам построены карты распределения УФР по Земному шару. Значение УФР в городах гораздо меньше, чем в сельских местностях, вследствие ослабления ее атмосферными примесями. При интенсивном загрязнении воздуха она почти полностью поглощается.

Утилизация выбросов - использование производственных отходов в народном хозяйстве [11]. Это один из основных элементов малоотходной и безотходной технологий. Ее внедрение в народном хозяйстве имеет большое экономическое значение для сохранения ценных материалов, исключения вредного воздействия на окружающую среду, высвобождения больших площадей полезной земли, нередко отводимых под отвалы. Утилизировать отходы можно на тех же производствах или в тех же отраслях промышленности, где они получены. Так, в черной металлургии большое значение придают использованию в агломерационной шихте железосодержащих шлаков, а также пыли, задерживаемой очистными установками доменных и сталеплавильных печей, колошниковой пыли и др. В цветной металлургии перспективно извлечение из шлаков цветных и редких металлов, выделение из них железа.

Отходы одной отрасли промышленности можно утилизировать и в других отраслях народного хозяйства. Один из наиболее характерных примеров этого - использование различных металлургических шлаков, золы тепловых электростанций и др. для изготовления строительных материалов. Доменные шлаки находят применение при производстве бетона, на стекольных предприятиях. Использование отходов углеобогащения в качестве добавок при изготовлении строительной керамики значительно повышает прочность изделий и способствует сокращению расходов топлива. Годовой эффект только при выпуске 100 млн. шт. условного кирпича составляет 200 тыс. р. При применении мокрого известкового метода очистки агломерационных газов от сернистого ангидрида образуются шламы, которые могут быть использованы для химической мелиорации кислых почв. Остатки и побочные продукты сахарных заводов практически полностью используют при производстве кормов в сельском хозяйстве. Большое значение имеет и утилизация уже использованных материалов и продуктов производства, в том числе бумаги, текстиля, различной тары, шин, кровельных материалов и т. п. Одни из них пригодны в качестве вторичного сырья для дальнейшего производства, другие необходимо ликвидировать путем сжигания, компостирования и пр. Задача состоит в переходе от существующих способов сжигания и свалок мусора к пиролизу, позволяющему получать мономеры и другие ценные вещества, а также к производству полимеров, способных разлагаться под влиянием света, воды и микроорганизмов.

Фоновое загрязнение атмосферы (система наблюдений - мониторинг) - загрязнение атмосферы на больших расстояниях от его источников [2, 19, 45]. С развитием промышленности и транспорта зона распространения атмосферных примесей значительно расширяется. Уже сейчас говорят о некотором глобальном увеличении концентраций примесей антропогенного происхождения. За 25 лет применения ДДТ даже в Антарктиде его выпадение со снегом составляет 2500 т, частицы ДДТ обнаруживают в печени пингвинов. Вдали от городов и промышленных районов концентрации антропогенных примесей пока значительно ниже ПДК для населенных мест (на 2 ... 3 и более порядков). Вместе с тем, когда рассматривают макромасштабные эффекты загрязнения воздуха, кроме ПДК учитывают также другие экологические критерии и оценивают антропогенное воздействие на атмосферу, в частности влияние отдельных примесей (в первую очередь углекислого газа и аэрозолей) на климат.

После 1970 г. Всемирной метеорологической организацией (ВМО) создана сеть станций для наблюдений (мониторинга) за фоновым загрязнением атмосферы. Она включает более 110 станций двух типов - региональные и базовые, расположенные почти в 50 странах. Поскольку в задачи этой сети входит установление сравнительно низких уровней загрязнения воздуха, на станциях используют очень чувствительные приборы для измерения, отбирают пробы воздуха достаточно длительное время. В этой связи определяют интегральное содержание примесей в столбе атмосферы. Примерами являются данные актинометрических наблюдений за ослаблением солнечной радиации, а также анализа химического состава осадков, которые промывают подоблачный слой воздуха.

Базовые станции (запланированное число их по всему Земному шару около 10) размещены в местах с наиболее чистым воздухом, и в местах, где в ближайшие 50 лет не будет существенных изменений в условиях выброса примесей в атмосферу. Одно из основных их назначений состоит в выявлении тех изменений в составе воздуха, которые могут оказать воздействие на климат. В связи с этим полученные характеристики относятся не только к нижним слоям атмосферы, но и к стратосфере. Важный показатель в этом отношении - содержание СO₂ и аэрозолей. Кроме того, следует устанавливать и характеристики глобального распространения различных ингредиентов как антропогенного, так и естественного происхождения, в том числе сернистого газа, пыли (взвешенных частиц размерами до 20 ... 30 мкм), озона, окислов азота и др.

Наряду с химическим составом осадков и актинометрическими наблюдениями за прозрачностью воздуха на базовых станциях можно проводить многокомпонентный анализ выпадающих аэрозолей, дистанционное зондирование с помощью лазеров и спектральных методов.

Региональные станции предназначаются главным образом для оценки изменения фонового загрязнения тропосферы на отдельных крупных территориях. В их программу включают измерение спектральной прозрачности воздуха, сбор и анализ состава осадков. Четких примеров для выбора региональных станций ВМО не дано. Гидрометеослужбами социалистических стран Европы приняты рекомендации по размещению этих станций в малонаселенных пунктах на расстоянии примерно 100 км от города с населением не более 200 ... 400 тыс. чел., в котором нет особо мощных источников загрязнения воздуха. В городе создают станцию с той же программой наблюдений, что и на региональной станции. Полученные данные на такой паре станций позволяют судить о локальной составляющей фонового загрязнения атмосферы, связанной с влиянием ближайшего города. В СССР проводят наблюдения по программе ВМО на 10 станциях, расположенных в различных климатических зонах. Из них одна (базовая) расположена на Кавказе вблизи Ново-Пятигорска на высоте 2000 м. Эти станции - одна из составных частей общегосударственной службы контроля за загрязнением атмосферы.

Результаты наблюдений с сети базовых и региональных станций направляют для сбора и опубликования в Международный центр, расположенный в США. Программа ВМО входит в более общую программу глобальной системы мониторинга окружающей среды (ГСМОС), которая, кроме того, включает наблюдения в городах, а также комплексные наблюдения за загрязнением различных частей биосферы.

Экономический ущерб от загрязнения атмосферы - ущерб, определяемый результатом вредных последствий загрязнения атмосферы [2]. В нашей стране разрабатывают методы ориентировочной оценки этого ущерба. Одна из наиболее трудных и вместе с тем особо важная задача состоит в оценке убытков, связанных с вредным воздействием на здоровье людей. Приближенно в данном случае учитывают потери трудодней, выплату по бюллетеням и страховым договорам и т. п. Более строго оценивают ущерб, наносимый растительности, строениям и т. п., но и здесь есть сложности с отделением эффектов, обусловленных действием только атмосферных примесей. По приближенным расчетам, ежегодный ущерб от загрязнения воздуха, наносимый сельскому и лесному хозяйствам США, составляет сотни миллионов долларов. В США за 1977 г. ущерб от загрязнения воздуха, нанесенный здоровью населения, оценивают в 9,3 жилым постройкам - 8,2, материалам и растительности - 7,8 млрд. долларов, тогда как за 1968 г., соответственно 8,1, 5,2 и 4,9 млрд. долларов. Аналогичные оценки показывают, что в Англии годовой ущерб составляет около 600 млн. долларов, в Японии - не менее 500 млн. Подсчитано, что на территории Италии за 1 год только вследствие выпадения пыли причинены убытки в 300 млн. долларов.

В среднем для развитых стран годовой ущерб составляет от 10 до 100 долларов на одного человека.

Электрофильтры - один из видов пыле- и золоуловителей [15, 27, 36]. Их основной элемент - электроды, при пропускании через которые дымовых газов пылевые частицы ионизируются и осаждаются на одном из электродов. Затем осажденная пыль механически удаляется, в частности, если пыль сухая, путем вытряхивания электродов. Иногда для повышения эффективности улавливания частиц электроды смачивают.

Электрофильтрам свойственна высокая степень очистки и универсальность применения. Они позволяют улавливать пыль (золу) с эффективностью до 99%, в том числе очень мелкую фракцию пыли размерами до 0,1 мкм. Экономически наиболее рационально применение электрофильтров при очистке больших объемов дымовых газов и при необходимости улавливать высокодисперсную пыль, поэтому они находят широкое применение на тепловых электростанциях, при очистке выбросов дымовых газов печей, агломерационных фабрик, цементных заводов, а также других крупных промышленных объектов.