Атмосферные загрязнения и их региональное влияние на экосистему по дисциплине: «Основы научных исследований» Министерство образования и науки РФ Уральский государственный лесотехнический университет Кафедра физико-химических технологий защиты биосферы Атмосферные загрязнения и их региональное влияние на экосистему по дисциплине: «Основы научных исследований» Выполнила Студентка Гр. ИЭФ-37 Королёва Д.Д Проверил Ст. преподаватель Двоскин Е.А Екатеринбург, 2010 Содержание Введение………………………………………………………………………..3 Атмосферные загрязнения и их исследования в различных регионах земного шара……………………………………………………………………………..4 Заключение……………………………………………………………………..8 Список использованных источников…………………………………………9 Введение Проблема чистоты атмосферы не нова, она возникла с появлением промышленности и транспорта, работающих на угле, а затем на нефти. В течение почти двух сотен лет загрязнение воздуха носило местный характер. Дым и копоть редких заводских и фабричных труб почти полностью рассеивались на большом пространстве. Однако быстрый и повсеместный рост промышленности и транспорта в ХХ веке привёл к такому увеличению объёмов и токсичности выбросов, которые уже не могут быть «растворены» в атмосфере до безвредных для природной среды и человека концентраций. В современный период атмосфера Земли претерпевает множественные изменения коренного характера: модифицируются ее свойства и газовый состав, возрастает опасность разрушения ионосферы и стратосферного озона, повышается ее запыленность, нижние слои атмосферы насыщаются вредными для живых организмов газами и веществами промышленного и другого хозяйственного происхождения. Вследствие огромных выбросов техногенных газов и веществ, достигающих многих миллиардов тонн в год, происходит нарушение газового состава атмосферы. То есть, можно смело говорить о том, что основной проблемой загрязнения атмосферы является её запылённость, обусловленная поступлением техногенных, взвешенных в воздухе частиц (аэрозолей). За нарушением газового состава атмосферы, в особенности её надземных слоёв, следует нарушение функционирования экосистем, а также их разрушение. В наибольшей степени экосистемы разрушены в развитых странах – в Европе, Северной Америке и Японии. Здесь естественные экосистемы сохранились на небольших площадях, они представляют собой в основном небольшие пятна, окруженные со всех сторон нарушенными хозяйственной деятельностью человека территориями. На суше Земли сформировалось три центра дестабилизации окружающей среды. В каждом из них сформировалось единое пространство с практически полностью разрушенными экосистемами площадью в несколько миллионов квадратных километров. Все они находятся в Северном полушарии. Целью моего исследования является рассмотрение регионального влияния атмосферных загрязнений на экосистему. Объектом исследования являются атмосферные загрязнения и их показатели в различных регионах земного шара. Атмосферные загрязнения и их исследования в различных регионах земного шара Прежде всего следует разобраться что представляет собой понятие «атмосферные загрязнения» и что они в себя включают. Атмосферными загрязнениями называют привнесение в атмосферный воздух новых, нехарактерных для него физических, химических и биологических веществ, либо увеличение их концентрации с течением времени. Основные загрязнители атмосферного воздуха: оксид углерода, оксиды азота, диоксид серы, углеводороды, альдегиды, тяжёлые металлы (Pb, Cu, Zn, Cd, Cr), аммиак, атмосферная пыль. Проблема загрязнения данными веществами является хорошо изученной, к настоящему времени представлена обзорная информация о нормативных материалах в различных европейских странах (Германии, Франции, Нидерландах, Великобритании, Швеции, Дании, а также в Российской Федерации), касающихся уровня содержания различных видов токсичных химических соединений в окружающей атмосфере, в том числе в отходящих газах мусоросжигательных установок. Указано количество нормативных документов, определяющих содержание диоксинов, одорантов, ртути, оксидов азота, тяжелых металлов и др. токсичных химических соединений, образующихся и сбрасываемых в окружающую атмосферу при работе мусоросжигательных установок и других систем. Представлена информация о нормативных документах различных стран в области стационарных источников, а также содержания мелкодисперсных механических частиц и токсичных химических соединений в атмосфере и в рабочей зоне различных производств [1]. Также изучаются процессы выпадения кислотных осадков на поверхность суши. Кислотные осадки представляют собой различные виды атмосферных осадков (дождь, снег, роса, туман) с повышенным уровнем кислотности. Кислотные осадки возникают главным образом из-за выбросов оксидов серы и азота в атмосферу при сжигании ископаемого топлива (угля, нефти и природного газа). Исследование явления кислотных осадков необходимо по причине их отрицательного влияния, а иногда и вызывания гибели живых организмов, растений и разрушения зданий и металлических конструкций. Выполнено теоретическое и экспериментальное исследование уровня эмиссии в окружающую атмосферу и скорости выпадения кислотных осадков вблизи вулкана на территории Нигерии. Иллюстрируется карта с указанием исследуемого региона и указаны места отбора проб, выполненных с целью определения содержания в выпадающих осадках твёрдой фазы частиц, содержащих диоксид серы и хлористый водород, источниками которых является вулкан, расположенный в исследуемой зоне. Приведено описание способов отбора проб и методики выполнения исследований, рассмотрены способы проведения анализов проб и сообщено, что выполненные исследования показали, что среднесуточная скорость выпадения диоксида серы в исследуемом регионе достигает величины 791мг/м2. Аналогичный показатель хлористого водорода может достигать величины 297 мг/м2. Обсуждены полученные при проведённых исследованиях результаты. Отмечено, что вулканическая деятельность может играть существенную роль в значительном увеличении кислотности почв и оказывать влияние на состояние экосистемы вблизи вулканов [2]. Кислотные осадки также представлены наличием в атмосфере паров муравьиной и уксусной кислот. Главным источником этих паров на европейском континенте служат процессы фотоокисления при озонолизе целого ряда алкенов, которые имеют как природное, так и антропогенное происхождение. Что касается фотохимического окисления формальдегида, то оно может быть только второстепенным источником муравьиной кислоты. Предпринято изучение происхождения уксусной и муравьиной кислот в тропосфере путём масс-спектрометрического анализа проб воздуха и дождевой воды во многих пунктах Западной Европы, расположенных на различных расстояниях от центров антропогенных выбросов в широком диапазоне от сугубо городских до идеально сельских условий (при этом было исключено загрязнение проб углекислым газом). Полученные результаты свидетельствуют о наличии во всех пробах очень большого биогенного вклада (55-100%) в образование обеих рассматриваемых карбоксильных кислот. Только в случаях полугородских и городских регионов вклады биогенных фракций оказываются меньше 80%. Таким образом, биогенные летучие органические соединения (VOC) очень сильно влияют на образование продуктов фотохимического окисления и, следовательно, на фотохимические оксиданты. Значительных источников прямых выбросов уксусной и муравьиной кислот за счёт автомобилей, почв или растительности обнаружено не было [3]. Одним из самых распространённых загрязняющих веществ является аэрозоль. Аэрозоль – это дисперсная система, состоящая из мелких твёрдых или жидких частиц, взвешенных в воздухе в виде тумана, дыма или пыли. Эти вещества образуются при механическом измельчении и распылении твёрдых тел или жидкостей, дроблении, истирании, взрывах, горении, распылении в пульверизаторах. Растительный покров вносит, в глобальных масштабах, наибольший вклад в формирование органической фракции мелкодисперсного аэрозоля либо путём прямых выбросов частиц, либо посредством газофазных процессов образования вторичного органического аэрозоля (SOA) из газообразных выбросов терпенов. Если принять, что доля образующегося аэрозоля составляет в последнем случае от 5 до 40% выбросов, то это означает, согласно имеющимся оценкам, что в глобальных масштабах образуется 30-270 Тг/год вторичного органического аэрозоля, что сравнимо с уровнями образования биогенного и вторичного сульфатного аэрозоля (соответственно, 90 и 140 Тг/ год). Получены первые оценки масштабов вклада биогенных выбросов в формировании SOA в условиях атмосферы Северной Европы. Эти оценки основаны на использовании как данных измерений в камерах, так и результатов численного моделирования. Для оценки масштабов образования SOA в условиях Северной Европы была применена модель ЕМЕР динамики оксидантов с использованием модифицированной схемы газофазной трансформации. Полученные результаты подтвердили вывод о том, что вклад биогенных летучих органических соединений (VOS) в образовании SOA значительно превосходит вклад антропогенных VOS. Доля SOA в общей массе органического углеродного аэрозоля в атмосфере Северной Европы изменяется в широких пределах от 2 до 50%. Эта доля минимальна вблизи побережий на юге Норвегии и Дании, значительно возрастая по мере удаления от побережий вглубь континента и в направлении на север, что отображает особенности пространственного распределения биогенных газов-предшественников SOA [4]. Кроме модели ЕМЕР, существует ещё ряд моделей для измерения аэрозольного воздействия. Например, модель интегральных исследований глобального обмена в атмосфере MIRAGE. Она позволяет, в частности, адекватно воспроизвести зависимости аэрозольно обусловленного ослабления коротковолновой радиации от относительной влажности. Результаты вычислений достаточно адекватны также и с точки зрения воспроизведения наблюдаемых значений АОТ (аэрозольная оптическая толщина) при ясном небе, хотя в регионах Бразилии и Центральной Канады рассчитанные АОТ оказались заниженными. Вычисленные значения АОТ отличаются не более, чем вдвое от восстановленных по данным спутниковых наблюдений, будучи завышенными вблизи восточных побережий США и Китая, но заниженными у побережья Западной Африки и над Аравийским морем. Рассчитанные величины альбедо для однократного рассеяния варьирующих в переделах 0,80 – 0,99, в целом, согласуются с данными наземных наблюдений. Модель MIRAGE достоверно воспроизводит увеличенные экспоненты Ангстремы вблизи регионов выбросов субмикронных частиц и газов-предшественников аэрозоля, но уменьшение экспоненты – там, где происходят выбросы больших частиц аэрозоля. Согласуется с предвычисленной наблюдаемая чувствительность АРВВ к АОТ. По данным модели MIRAGE, прямое аэрозольное радиационное возмущающее воздействие (АРВВ) изменяется над большей частью Северной Атлантики от -1 до -3 ВТ/м2, будучи наиболее значительным вблизи восточного побережья США и западного побережья Африки [5]. Спектральные измерения коэф. рассеяния аэрозольных частиц (КР) и оптической толщины аэрозоля (ОТА) проведены в городе Урануполис, Греция и Седе-Бокер, Израиль, в период с июня по сентябрь 1998г. Рассмотрена пятидневное трёхмерное возрастание траектории на высотах 950, 850 и 550 гПа для оценки влияния дальнего переноса от определённых районов источников на аэрозольные нагрузки в двух пунктах. Измерения показали, что бассейн Вост. Средиземноморья летом загрязнём либо умеренно, либо сильно. Средние суточные значения КР на 550 нм составляли от 30 до 200 Мт-1 в обоих пунктах. Летние значения региональной ОТА на 500 нм составляли от 0.03 до 0.52 [6]. Наземные измерения физических и химических свойств аэрозолей были проведены на ст. Седее-Бокер, расположенной в пустыне Негев, Израиль, летом 1996г. В период эксперимента ARACHNE. Уровни частиц неморской соли и чёрного углерода в аэрозолях были сравнимы с аналогичными в районе восточного побережья США. Отмечено, что загрязнённые аэрозоли в районе вызывали охлаждение атмосферы. На небольших высотах ( до 800 гПа) на свойства аэрозолей в районе воздействовал перенос загрязнённых воздушных масс из Балкан, Греции и Турции. Существенно влиял и перенос вдоль Средиземноморского побережья Израиля, где сконцентрированы промышленные центры и высока плотность населения [7]. В Арктике сравнительно с другими климатическими поясами существуют особые условия, определяющие количества, свойства и состав аэрозольного материала. При исследовании аэрозолей над морями Арктики в 1991-2000 гг. использовался комплекс взаимодополняющих, а иногда перекрывающих методов. Фильтрация воздуха проводилась через ацетат-целлюлозные фильтры, параллельно с фильтрацией использовался метод сбора больших количеств аэрозолей нейлоновыми сетями. Параллельно с отбором проб измерялся гранулометрический состав аэрозолей с помощью фотоэлектрического счётчика РС-218. В лабораторных условиях проводились макроскопические исследования и определения элементного состава методом инструментального нейтронно-активационного анализа. Для оценки возможных источников аэрозолей строили обратные траектории перемещения воздушных масс. Концентрация большинства химических элементов в пробах примерно одного порядка с данными по другим районам Арктики. Катастрофические повышения содержания элементов в связи с антропогенным фактором в морях Арктики в летний период не обнаружено. Элементный состав изученных проб близок к среднему составу океанского аэрозоля, обычно обогащённого Pb, Co, Fe, Cr, Zn и Ni. Повышенное содержание этих элементов в приводном слое атмосферы Арктики связано как с дальним переносом аэрозолей естественного и антропогенного происхождения с материка, так и с фракционированием микроэлементов при их выносе с морской поверхности. Исследования проводились сетевым методом и фильтрацией через фильтр АФА-ХА-20 [8]. Заключение Необходимость решения проблемы загрязнения атмосферы очевидна. Об этом, как показывает, проведённое мной исследование, свидетельствуют многочисленные показатели количества вредных примесей в воздухе атмосферы. Большие концентрации загрязняющих примесей влекут за собой катастрофические последствия вплоть до разрушения экосистем или вывода из обычного их функционирования. Из моей работы хорошо видно, что данной проблеме посвящены многочисленные исследования, проводимые непрерывно и повсеместно на всей территории земного шара. Для проведения анализа воздушных масс в различных климатических поясах на различные примеси, используются специальные модели и методики с учётом специфики климата местности. Выяснено, что загрязнение атмосферы обусловлено не только антропогенными факторами, но и естественными. Как например растительный покров, в глобальных масштабах, вносит наибольший вклад в формирование мелкодисперсного аэрозоля. В заключение хотелось бы сказать о том, что от воздуха зависит все, что живет на поверхности Земли. В ненарушенной природной среде удерживается четкое равновесие между количеством углекислого газа, выдыхаемого живыми существами и выделяемого при разложении растений, и количеством углекислого газа, потребляемого в процессе фотосинтеза. Первоочередная задача каждого человека, не нарушать это равновесие и хотя бы снизить количество вредных нехарактерных для атмосферы физических, химических и биологических веществ. Первоочередная задача государства - предпринять меры по охране источника жизни (каким по праву может считаться воздух). Список использованных источников 1.Нормативные материалы по содержанию токсичных примесей в окружающей атмосфере: сборник тр. / Grefen Klaus. Иваново: Иваново, 2001. С. 43-50. 2. Delmelle Pierre, Stix John, Bourque Charles P.-A. Исследование эмиссии и осаждения кислотных соединений вблизи вулкана // Environ. Sci. And Technol. 2001. №7. С. 1289-1293. 3. Glasius M., Boel C., Bruun N. Относительный вклад биогенных и антропогенных источников в формировании концентрации уксусной и муравьиной кислот в пограничном слое атмосферы // J. Geophys. Res. D. 2001. № 7. С. 7415-7429. 4. Andersson-Skold Yvonne, Simpson David. Образование вторичного органического аэрозоля в Северной Европе: модельное исследование // J. Geophys. Res. D. 2001. №7. С. 7357-7374. 5. Ghas Steven, Laulainen Nels, Easter Richard. Оценка прямого аэрозольного вынуждающего воздействия по данным модели MIRAGE // J. Geophys. Res. D. 2001. №6. С. 5295-5316. 6. Formenti P., Andreae M.O., Andreae T.W. Оптические свойства аэрозоля и крупномасштабный перенос воздушных масс: наблюдения в Восточном Средиземноморье летом 1998г. // J. Geophys. Res. D. 2001. №9. С. 9807-9826. 7. Formenti P., Andreae M.O., Andreae T.W. Физические и химические характеристики аэрозолей над пустыней Негев (Израиль) летом 1996г. // J. Geophys. Res. D. 2001. №5. С. 4871-4890. 8. Использование фильтров АФА-ХА в исследованиях аэрозолей Арктики: тезисы докладов / Институт океанографии им. П.П. Ширшова РАН: [под ред. В.П. Шевченко]. М.: Изд-во МГИУ, 2001. С. 17-18. Shpil’rain E.E., Kagan D.N., Koroleva V.V. Изменение энтальпии твёрдой и жидкой фаз окиси иттрия // High Temp. – High Pressures. 1976. №2. С. 183-186. Методом смешения с использованием адиобатического калориметра с кипящей дистиллированной водой измерена энтальпия Y2 O3 (I) в области температур 2000-3000°К. Теплота соответствующая введению контейнера с образцом, определялась по количеству дополнительно испаряющейся воды. Теплота плавления I составляла 20±2 ккал/моль в т.пл. 2703±12°К (оценено по литературным данным.