Сучасний стан атмосферного повітря

У містах між складовими структурами біосфери існує постійний обмін частини полютантів: важка частина аерозолів, газо-димових і пилових домішок з атмосфери випадає на ґрунт, частина забруднювальних речовин з поверхні ґрунту потрапляє у водойми. Якщо місто є джерелом забруднення, екотоксиканти можуть розсіюватися в атмосфері, розповсюджуватися по гідрографічній мережі і забруднювати прилеглі до міст території, у тому числі й природно-заповідні об’єкти. Найбільш небезпечними є ті екотоксиканти, які і геохімічно, і біохімічно рухливі, а тому вони можуть потрапляти і проявляти свою токсичну дію в будь яких складових екосистем.

 

Таблиця 17 – Основний склад сухого чистого повітря в приземному шарі

Газ	Молекулярна маса	Відносний вміст у сухому повітрі, %	Загальний вміст в атмосфері Землі, т
за обсягом	за масою
Азот (N2)	28, 02	78, 08	75, 53	4, 0 1015
Кисень (O2)	32, 00	20, 95	23, 14	1, 2 . 105
Аргон (Ar)	39, 94	0, 93	1, 28	6, 8 . 1013
Вуглекислий газ (CO2)	44, 01	0, 033	0, 05	2, 6 . 1012
Неон (Ne)	20, 18	0, 0018	0, 001	5, 3 . 1010
Гелій (He)	4, 00	0, 0005	0, 00007	3, 9 . 109
Криптон (Kr)	16, 05	0, 00015	0, 00008	4, 4 . 109
Ксенон (Xe)	83, 70	0, 0001	0, 00003	1, 6 . 109
Оксид азоту (N2O)	44, 02	0, 00005	0, 00008	4, 2 . 109
Водень (H2)	2, 02	0, 00005	0, 000003	1, 6 . 108
Озон (O3)	48, 00	0, 00004	0, 00007	3, 7 . 109

 

Забруднення повітряного басейну міст схильне до помітних коливань, які визначаються як погодними умовами, так і режимом роботи підприємств, інтенсивністю руху автотранспорту. Для міст, що розташовані в різних кліматичних зонах і перебувають у специфічних ландшафтних умовах, характерні різні типи екологічних ситуацій, під час яких загазованість атмосфери може сягати критичних значень. Здебільшого критичні рівні забруднення атмосфери пов’язані з тривалою безвітряною погодою та надзвичайними екологічними ситуаціями.

Однією з найважливіших властивостей атмосфери є її стійкість до розсіювання забруднювачів. Якщо атмосфера стійка і в ній відсутні вертикальніпереміщення повітря і турбулентне перемішування, то антропогенні забруднювачі залишаються в тому місці атмосфери, де були викинуті, тобто поблизу поверхні Землі та джерел забруднення. На розсіювання забруднювачів в атмосфері впливає конвективне і турбулентне перемішування. Висота шару перемішування різна і більшою мірою залежить від пори року і часу доби. Чим більше шар перемішування забруднювачів, тим нижче їх концентрація в атмосфері. Значне забруднення повітря в приземному шарі спостерігається за висоти конвективного шару перемішування менше 1, 5 км. Ця висота залежить від дії сонячної радіації, коли повітря у поверхні Землі нагрівається і набуває підйомної сили. Чим вище температурний градієнт, тобто різниця температури повітря за висотою, тим більше прискорення повітря за рахунок підйомної сили.

Залежно від метеоумов, що впливають на формування концентрації шкідливих домішок у приземному шарі атмосфери, на території України виділяють 4 зони:

І – низький потенціал забруднення. Характеризується приземними інверсіями до 35 %, швидкістю вітру 0–10 м/с, рідкісними туманами (менше 10 %);

ІІ – помірний потенціал забруднення. Повторюваність приземних інверсій до 40 %, швидкість вітру 10–20 м/сек, тумани до 20 % за швидкості вітру до 10 м/с;

ІІІ – підвищений потенціал забруднення. Відзначається повторюваністю слабких вітрів і туманів до 20 %, приземних інверсій до 50 %;

IV – високий потенціал забруднення. Повторюваність слабких вітрів і туманів більше 20 %, приземних інверсій до 60 % протягом року.

Не передбачають будівництво підприємств I і II класів небезпеки в зонах з високим потенціалом забруднення атмосфери, у районах частого утворення туманів та тривалого застою домішок за умов поєднання слабких вітрів із температурними інверсіями.

Здатність атмосфери пропускати пряму і розсіяну радіацію і затримувати довгохвильове випромінювання Землі називають парниковим ефектом. Завдяки цьому ефекту, середня температура земної поверхні складає +16 º С, за відсутності атмосфери вона була би –22 º С, тобто на 38 º Снижчою.

Одним із проявів негативного впливу антропогенної діяльності на довкілля міст є зростання викидів так званих „парникових газів‟, тобто газоподібних складових атмосфери як природного, так і антропогенного походження, які поглинають та відбивають інфрачервоне випромінювання. До основних парникових газів в атмосфері Землі відносять водяну пару, діоксид вуглецю, сполуки азоту, метан, озон. Унаслідок спалювання значної кількості вугілля, нафти, інших видів органічного палива до атмосфери надходить вуглекислий газ.Додатково в атмосферу потрапляють й інші гази, які не є її природними компонентами, зокрема гексафторид сірки, перфторвуглеці, гідрофторвуглеці. У повітряному середовищі великих міст концентрація озону, компоненту фотохімічного смогу сягає 0, 6–1, 0 мг/м², що набагато перевищує його природний фон, який становить 0, 01–0, 04 мг/м³.

Для промислових міст усе більш характерними стають смоги. Смогом називають різке підвищення в повітрі кількості пилу, токсичних газів або крапель туману з розчиненими в них шкідливими речовинами. Розрізняють два види смогів – вологі та сухі (фотохімічні). Вологий смог утворюється в результаті насичення повітря автомобільними газоподібними викидами. Сухий смог формується у затишну погоду внаслідок насичення сухого повітря газоподібними домішками, особливо оксидами азоту.

Джерела техногенних емісій в атмосферне повітря міст поділяються на організовані й неорганізовані, стаціонарні й пересувні. Організовані джерела обладнані спеціальними пристроями для спрямованого виведення забруднюючих речовин. Емісії від неорганізованих джерел є довільними. Джерела відрізняються також за геометричними характеристиками: точкові, лінійні, площинні та за режимом роботи – безперервні, періодичні, залпові. У безвітряну погоду частки домішок промислових викидів діаметром до 10 мкм проходять шлях від джерела викидів при висоті 15 м до поверхні землі за 1, 4 год; при середній швидкості вітру 2 м/с за той же час вони розповсюджуються на відстань 10 км.

Щороку в Україні у навколишнє середовище надходить до 6, 34 млн т забруднювачів атмосферного повітря, що в середньому на душу населення становить у середньому 126 кг. Найбільше забруднення повітря спричинюють викиди від стаціонарних джерел: підприємств енергетики та металургії – до 31 %, вугільної – 22 %, хімічної та нафтохімічної промисловості – 3 %.

У переліку джерел забруднення атмосферного повітря міст перше місце посідають підприємства паливно-енергетичного комплексу. Термохімічні процеси в енергетиці – найвагоміші джерела хімічного і теплового забруднення атмосферного повітря міст. У середньому в паливній теплоенергетиці на одну тонну умовного палива (1 т у.п. = 2, 93 × 10¹⁰ Дж) припадає до 150 кг полютантів. Електростанція потужністю 1000 мВт, яка працює на вугіллі, щорічно викидає в атмосферу 36 млрд м³ відходних газів, 100 млн м³ пари, 360 тис. т пилу. Органічне паливо, що використовується у викопному вигляді, містить сірку. У вугіллі вона може становити до 4, 5 % сухої маси. У рідкому паливі – мазуті: малосірчаному – до 0, 4 %, високосірчаному – до 2, 7 %. Природний газ сірки не містить.

Техногенні викиди в атмосферурізними видами промислового виробництва мають такі характеристики:

– агломерація 1 т руди супроводжується викидом 190 кг сірчаного газу;

– при коксуванні 1 т вугілля утворюється 300–320 м³ коксового газу: під час завантаження і розвантаження печей викид газу максимальний – 6 % від наведеного об’єму, в якому міститься 50–60 % водню, 4, 5–4, 7 % – оксиду вуглецю, 5–10 % – азоту і 2, 0–2, 6 % вуглеводнів;

– об’єм викидів за 1 год роботи сучасної азбестозбагачувальної фабрики складає 10–12 млн. м³, концентрація азбесту в яких становить 5–8 г/м³;

– щорічно один нафтопереробний завод потужністю 12 млн т/рік викидає в атмосферне повітря близько 219 тис. т SO₂;

– сучасне сталеливарне виробництво викидає в атмосферу в перерахунку на 1 млн сталі: пил – 100 тис. т; СО₂ – 30 тис. т; SO₂ – 8 тис. т; NО_x – 3 тис. т; Н₂S – 1 тис. т, ціаністий водень – 50 т, хлористий водень – 40 т. При цьому виробництві утворюється до 30 тис. т шламів і 800 тис. т шлаків;

– при отриманні мартенівської сталі загальний об’єм викинутих в атмосферу газів з розрахунку на 1 т сталі сягає 3000–4000 м³; у 1 м³ таких газів містить 0, 5 г пилу;

– при виробництві 1 т передільного чавуну в атмосферу надходить 4, 5–5, 0 кг пилу, 2, 7 кг – SO₂; 0, 1–0, 6 кг Mn;

– з 33–47 кг фтору, що використовують під час виплавки 1 т алюмінію, 18–25 кг (близько 65 % об’єму фтору) потрапляє з викидами в атмосферне повітря;

– значним джерелом ртуті є підприємства з виробництва NаОН, Cl₂ і Н₂, оскільки в технологічному циклі цих виробництв застосовується ртутний катод. На 1 т отриманого хлору загальна кількість ртуті, що надійшла в навколишнє середовище з відходами, становить від 100 до 150 г.

Об’єкти – джерела забруднення атмосферного повітря – не можна розташовувати з підвітряного боку по відношенню до сельбищної зони міста. У районах з вираженим вітровим режимом враховують переважаючі напрямки, повторюваність та швидкість вітрів.

Особливої шкоди довкіллю міст завдають транспортні засоби. У містах зосереджено основну масу вантажного і пасажирського транспорту. Останніми десятиріччями не лише в розвинених країнах, але й у країнах, що розвиваються, значно зростає кількість автомобілів. Світовий видобуток нафти становить 3, 1 млрд т, 80 % якої використовують автомобілі.

Автотранспорт зумовлює до 70 % усіх токсичних викидів у повітря та 90 % шумового забруднення міст. На відміну від стаціонарних джерел, забруднення повітряного басейну автотранспортом відбувається на невеликій висоті і практично завжди має локальний характер. Так, концентрації забруднень, які викликані рухом автомобільного транспорту, швидко зменшуються по мірі віддалення від транспортної магістралі, а за наявності перешкод або цілеспрямованих захисних систем зелених насаджень можуть значно знижуватися.

Автотранспорт використовує велику кількість кисню повітря. На спалювання 1 кг бензину карбюраторний двигун витрачає кисню в 2, 5 раза більше середньодобової норми дорослої людини, що становить 1 кг. За 1 рік легковий автомобіль використовує в середньому 4, 5 т кисню.

Викиди забруднюючих речовин автотранспорту більш токсичні, ніж викиди стаціонарних джерел. Відносна токсичність компонентів вихлопних газів автотранспорту становить (за одиницю прийнято токсичність СО): СО – 1; вуглеводні – 2; NО – 4; NО₂ – 75; бенз(а)пірен – 3000000; SO₂ – 60; формальдегід – 100; сажа – 60.

У процесі роботи двигуна внутрішньогозгоряння утворюється до 200 хімічних сполук. 1 м³ вихлопних газів легкових автомобілів містить до 1 мг тетраетилсвинцю, 1 л бензину – майже до 1 г.

В Україні використовують бензин із вмістом свинцю 0, 36 г/л, тоді як в Англії, Німеччині та США – 0, 013–0, 15 г/л. Сучасний автомобіль використовує 1 л бензину за 13 хв, великий лімузин – за 2, 5 хв, реактивний винищувач „Б-1‟ – за 0, 02 с. За пробіг 15 тис. км автомобіль викидає в атмосферне повітря близько 1 кг свинцю. Світовий автопарк викидає в атмосферу майже 1/6 видобутої світової кількості свинцю. При спалюванні

1 т бензину вантажним автомобілем в атмосферу потрапляють 600 кг СО₂, а за один рік – 8–10 т.

З розрахунку на 1 кг витраченого палива автотранспорт з карбюраторним типом двигуна викидає до 15 кг вихлопних газів, з дизельним – до 24 кг. У складі вихлопів автомобілів присутні і пари самого палива – близько 14 мг/м³ вихлопу (табл. 18–20).

 

Таблиця 18 – Склад викидів при спалюванні палива, г/м³ (Чесанов Л.Г., 2001)

Склад викидів	Вид палива
Вугілля	Мазут	Газ	Бензин
Сажа, пил	10–30	2–5	0, 1–0, 5	1–5
SO2	10–80	10–70	–	–
NО2	5–10	5–15	0, 1–5	50–200
СО	0, 1–30	0, 1–30	0, 05–0, 5	10–30

 

Таблиця 19 – Склад вихлопних газів, (Чесанов Л.Г., 2001)

Склад	Карбюраторний двигун	Дизельний двигун
N2, %	74–77	6–78
СО2, %	5–12	1–0
СО, %	0, 5–12	0, 01–0, 5
Сажа, г/м³	0–0, 04	0, 01–1, 1
Бенз(а)пірен, мкг/м³	10–20	до 10

 

Таблиця 20 – Домішки у викидах дизельних двигунів, мг/м³ (Чесанов Л.Г., 2001)

Компонент	Режим роботи двигуна
холостий	100-%
Діоксид вуглецю	1, 2–1, 7	2, 1–2, 2
Діоксид сірки	1600–1800	1700–1800
Оксид вуглецю	700–1100	1100–1300
Сажа	0, 12–0, 18	0, 07–0, 09
Акролеїн	2, 9–24	0, 86–31, 2
Пари палива	3, 0	25, 0
Оксиди азоту	90–650	87–900

 

Від стирання асфальтового покриття і автогуми з 1 км дороги шириною 10 м у повітря виноситься до 1 т/рік дрібнодисперсного пилу.

Значно забруднюють атмосферу міста процеси окиснення сміття і спалювання його на звалищах. Зокрема, при спалюванні побутового сміття утворюються найдрібніші частинки золи, з якими в повітря потрапляють важкі метали. Погана аерація нижніх шарів сміття, як і підземних комунікацій – водогону, теплових мереж, каналізації, сприяють бурхливому розвитку анаеробних бактерій. У результаті відбувається активне виділення не тільки органічних кислот і оксидів, але і токсичних газів – аміаку, сірководню і метану. Побутові відходи, що складуються на міських звалищах, активно виділяють біогаз – суміш з 54 % метану і 46 % вуглекислого газу. Одна тонна побутових відходів виділяє до 11, 4 тис. м³ біогазу.