Мониторинг состояния атмосферного воздуха

Введение

Биосфера нашей планеты состоит из нескольких сред: атмосферы, гидросферы, литосферы. Для всех живых существ, обитающих на планете Земля, в том числе и для человечества, крайне важно, чтобы и воздух, и вода, и почва были экологически безопасными, не загрязненными. К сожалению, человеческая цивилизация, перейдя к активному техногенному развитию, в последние 200 лет не только логарифмически увеличила численность народонаселения, но и весьма значительно загрязнила все среды обитания, что отразилось в настоящее время в том, что планета Земля находится в состоянии экологического кризиса.
Загрязнение воздушной оболочки Земли крайне актуально, поскольку влияет практически на все живые организмы планеты. Основой решения проблемы снижения уровня загрязненности атмосферы является, безусловно, применение системы экологического мониторинга, который базируется на современных организационных и технологических подходах, позволяющих проанализировать не только уровень пылевого (механического) загрязнения, но и определять содержание разнообразных химических соединений в воздухе [9, 12].
Поскольку воздушная среда наиболее подвижная из всех естественных сред в ней происходит активное распространение загрязняющих веществ на большие расстояния. Именно в атмосфере наблюдаются такие глобальные экологические опасности, как:
накопление двуокиси углерода, вызывающее, по мнению ряда ученых, глобальное потепление,
загрязнение хлорфторуглеводородами, вызывающее разрушение озонового слоя, в результате чего в атмосфере образуются «озоновые дыры»,
загрязнение окислами азота и серы, в результате чего в воздухе образуются азотная и серная кислоты, выпадающие на поверхность планеты «кислотными дождями».
Именно воздух является объектом пристальных наблюдений со стороны международного сообщества, структур ООН, которые объединяют данные региональных наблюдений в единую картину состояния тропосферы, что позволяет вести прогностические исследования по вопросам экологического состояния Земли. Еще на Стокгольмской конференции по охране окружающей среды, проведенной под эгидой ООН в 1972 году, была принята Глобальная система мониторинга окружающей среды (ГСМОС), первостепенной задачей которой стало наблюдение за состоянием воздушного бассейна планеты. Особенно актуальны наблюдения за состоянием воздуха в районах с активной антропогенной деятельностью (городах, промышленных центрах). Для обеспечения формирования объективной оценки состояния атмосферы проводят фоновые наблюдения в районах, удаленными от источников загрязнения (заповедники, горные и/или лесные массивы) [2, 3, 6, 11, 19].
Для обеспечения государственного контроля за состоянием воздушной среды в Российской Федерации был принят Федеральный Закон "Об охране атмосферного воздуха", который направлен на обеспечение мониторинга атмосферного воздуха, оценки его загрязнения, принятия мер по регулированию загрязнения и недопущения превышения установленного нормативными документами уровня загрязнения атмосферы [1]. Обеспечение действия этого закона осуществляют Правительство Российской Федерации, федеральные и местные органы исполнительной власти в области охраны окружающей среды. Регулярно устанавливается перечень объектов, владельцы которых обязаны осуществлять контроль за состоянием воздушной среды [12].
Экологический мониторинг воздушной среды предназначен для контроля за соблюдением международных и национальных стандартов качества атмосферного воздуха, направлен на получение полных и объективных сведений о состоянии воздуха, необходимых для формирования природоохранных мероприятий, а также для правильных архитектурных решений при градостроении, для безошибочного планирования транспортных развязок и потоков транспорта. Важным компонентом экологического мониторинга атмосферы является информирование населения о состоянии атмосферного воздуха и предупреждение о повышении уровня загрязненности, оценка эффективности природоохранных мероприятий [12, 14].
Целью данного реферата является анализ методов мониторинга загрязнения атмосферы.
Для достижения цели реферата планируются следующие задачи:
охарактеризовать общие принципы экологического мониторинга;
описать основные виды загрязнений атмосферного воздуха;
проанализировать методы мониторинга атмосферного воздуха;
описать критерии санитарно-гигиенической оценки состояния воздуха.

Глава 1. Общая характеристика принципов экологического мониторинга
Мониторинг, как термин, происходит от латинского "monitor" - надзирающий, предупреждающий, а также от английского "monitor" - наставник, контрольное устройство. Официально он был использован в документах Конференции ООН по проблемам окружающей человека среды (Стокгольм, 5—6 июня 1972 г.). Была принята программа ООН по окружающей среде (ЮНЕП), а в ее рамках была учреждена в 1975 году глобальная система мониторинга, которая в настоящее время состоит из нескольких взаимосвязанных подсистем: исследования климата, отдаленного переноса загрязняющих веществ, гигиенических аспектов окружающей среды, океана и возобновляемых ресурсов суши [2, 3, 16, 19, 20].
В нынешнем глобальном мире только международный мониторинг, основывающийся на данных региональных мониторингов, может служить основой для выработки рекомендаций по управлению компонентами природной среды. Без мониторинга невозможно выявить многоуровневые взаимодействия между природными и антропогенными факторами и прогнозировать возможные изменения в биосфере.
В понятие "мониторинг" вкладывают следующие виды деятельности:
наблюдение и оценку,
контроль и прогноз состояния объекта, процесса или явления для управления качеством окружающей среды.
Мониторинг – это система контроля, оценки и прогноза качества окружающей природной среды, включающая наблюдения за воздействием на нее человека [2, 4, 16, 19 20].
Классификация видов мониторинга зависит многих критериев.
По характеристике цели и объектов наблюдения мониторинг подразделяют на:
экологический мониторинг, целью которого является оценка и прогноз антропогенных изменений в экосистемах, а также определение ответной реакции биоты на эти изменения.
климатический мониторинг, обеспечивающий контроль и прогноза колебаний климатической системы.
санитарно-гигиенический мониторинг, который обеспечивает контроль за загрязнением окружающей среды и сопоставления ее качества с гигиеническими ПДК, разработанными для защиты здоровья населения.
В зависимости от объема контролируемой среды различают мониторинг:
базовый (слежение за состоянием и прогнозирование изменений природных процессов).
глобальный (слежение за изменением биосферных процессов).
импактный (слежение за локальными и региональными антропогенными воздействиями).
Основные методы экомониторинга:
наблюдение,
учеты отдельных элементов экосистем,
измерение химических и/или физических показателей окружающей среды.
оценка фактического состояния экосистемы.
прогноз состояния экосистемы (составление моделей развития экологической ситуации с учетом изменения показателей в динамике).
оценка прогнозируемого состояния.

Блок-схема системы мониторинга представлена на рис. 1.


Рис. 1. Блок-схема системы мониторинга [19].

Эффективность мониторинга обеспечивается основными принципами:
комплексностью, которая определяется взаимосвязями между всеми объектами, процессами и явлениями в биосфере и ноосфере,
системностью, обеспечиваемой совокупностью скоординированных во времени и пространстве для достижения общей цели различных видов деятельности и мероприятий,
иерархичностью, как системой построения мониторинга в виде упорядоченных и соподчиненных подсистем, что позволяет обеспечить функционирование подсистем низшего ранга в рамках решения задач подсистем более высокого ранга.
автономностью, которая обеспечивается самостоятельностью любой подсистемы в рамках деятельности по управлению определенным объектом, процессом или явлением на данном уровне соподчиненности.
динамичностью, характеризующейся постоянным совершенствованием методической основы системы мониторинга, обновлением состава и перечня решаемых задач, модифицированием методик и нормативной информации.
оптимальностью, выражающейся в максимальной экологической и экономической эффективности создания и использования системы мониторинга [2, 3, 4, 6, 16, 19, 20].
Научные, методологические и организационные основы мониторинга в сфере охраны окружающей среды представлены в таблице 1.
Таблица 1. Система мониторинга [19].
Показатели системы Разновидности показателей Характер показателей
Уровни Космический

Солнечная система и околоземного пространства

Планета Земля
Блоки и объекты Геосферный


Биосферный

Геоэкологический


Биоэкологический

Природно-хозяйственный

Санитарно-гигиенический (экологический)
Принципы Комплексность

Системность

Иерархичность

Автономность

Динамичность

Оптимальность
Масштабы явлений и процессов Природных Глобальный


Региональный


Топологический


Биогеоценотический


Локальный (фациальный)

Социально-экономических Межгосударственный


Государственный


Областной


Районный


Внутрихозяйственный


Участковый
Методы Прямые Стационарный


Маршрутный


Рекогносцировочный


Инструментальный


Визуально-описательный

Дистанционные Авиационный


Аэровизуальный


Космический

Косвенные (опосредованные)
Сроки и время Оперативный

Периодический

Постоянный

Краткосрочный

Среднесрочный

Долгосрочный
Направление мониторинга Научно-методический

Методико-прикладной

Прикладной

Информационно-технический

Экологический мониторинг в общем виде можно представить следующей схемой: окружающая среда > измерение параметров различными подсистемами мониторинга > сбор и передача информации > обработка и представление данных > прогнозирование.
Мониторинг представляет собой многоуровневую систему. Обычно выделяют системы (или подсистемы) детального, локального, регионального, национального и глобального уровней. Самым первым иерархическим уровнем является уровень детального мониторинга реализуемого в пределах небольших территорий (участков), например отдельного района города, отдельной точки учета выбросов автомобильного транспорта на оживленном перекрестке или на транспортной развязке и т.д. Местный или локальный мониторинг обеспечивает оценку изменений системы на более значительной площади: территории поселка, города, района. Локальные системы объединяются в более крупные, т.е. в региональные, в которых мониторинг охватывает территории регионов в пределах области, края, автономного округа или республики. Системы регионального мониторинга уже позволяют формировать комплексные оценки состояния подведомственной территории и могут прогнозировать состояние природных сред в регионе. Системы регионального мониторинга объединяются в единую национальную (или государственную) сеть мониторинга, образуя, таким образом, национальный уровень системы мониторинга [2, 3, 4, 6, 16, 19, 20].
Высший глобальный уровень организации системы экологического мониторинга – это экологическая программа Организации объединенных наций, объединяющая национальные системы мониторинга в единую межгосударственную сеть («Глобальную систему мониторинга окружающей среды»)

. Глобальный мониторинг - это система наблюдения за состоянием природных ресурсов, прогнозирование возможных изменений общемировых процессов и явлений, включая антропогенные воздействия на биосферу Земли в целом.
Поскольку многие государства, особенно страны третьего мира, пока не имеют собственных национальных систем, создание действительно общемировой Глобальной системы мониторинга окружающей среды пока является задачей будущего. Глобальная система мониторинга окружающей среды призвана формулировать и искать пути решения общемировых проблем, касающихся всей планеты, таких как глобальное потепление, сохранение озонового слоя, предотвращение глобального опустынивания, прогнозирования землетрясений, наводнений и других общечеловеческих кризисов и катастроф [2, 3, 4, 6, 16, 19, 20].
Глава 2. Характеристика основных загрязнителей атмосферы
Атмосферный воздух в чистом виде практически нигде уже не встречается. Относительно чистым можно считать воздух в горах, воздух над Антарктидой, воздух в больших лесных массивах.
В большинстве остальных мест помимо присущих изначально воздуху кислорода, азота, двуокиси углерода и аргона в атмосфере мы находим:
СО,
оксиды серы,
оксиды азота,
летучие органические вещества (метан, хлорфторуглеводороды (ХФУ), бензол),
взвешенные твердые частицы (пыль, сажа, асбест),
соли металлов,
диоксины,
пестициды и пр.
Естественно, что часть этих загрязнителей попадали в атмосферу и до развития цивилизации, например, в результате извержения вулканов, но их объем был настолько незначителен, что говорить о загрязнении не было оснований [2, 3, 19].
Воздух имеет огромное значение для человека и большинства живых организмов на планете, относящихся к аэробным организмам. Только некоторые микроорганизмы являются анаэробными, да еще обитатели вод и глубоких слоев почвы приспособлены к не столь высоким уровням содержания кислорода и могут существовать в условиях пониженного его содержания (в воде или в почвенном воздухе). Подавляющее большинство аэробных организмов обходиться без воздуха практически не может. Для человека, например, предел нахождения без воздуха ограничивается 5-7-ю минутами. Только некоторые ныряльщики преодолевают 10-минутный барьер нахождения без воздуха, но таких людей на планете очень немного. Человек без пищи может обходиться в течение месяца, без воды – в течение недели, но без воздуха – считанные минуты. За сутки человек использует около 25 -30 кг воздуха, при этом все хотят, чтобы это был чистый воздух, не загрязненный механическими или химическими веществами.
Еще каких-то 300 лет тому назад, что в историческом плане является кратким мигом, воздух даже в городах загрязнялся разве что неприятными запахами от деятельности человека, но задымление и массированное загрязнение воздуха началось с развитием промышленности, увеличением городских поселений и миграцией сельского населения в города в связи с развитием промышленности. Особенно быстро загрязнение воздуха наблюдается с Х1Х века, когда были изобретены первые машины, построены первые фабрики и заводы, для отопления и в жилых домах, и на производстве широко стали использовать каменный уголь. С появлением все новых машин и технологий, с развитием химической промышленности в воздух стало поступать все больше разнообразных химических веществ, что, естественно, чистоты воздуху не добавляло.
В настоящее время воздух считается чистым, если ни один из его микрокомпонентов не превышает предельно допустимые концентрации и не способен нанести ущерб здоровью человека, животным, растительности или вызвать ухудшение эстетического восприятия окружающей среды (например, при наличии пыли, грязи, неприятных запахов или недостатке солнечного освещения в результате задымленности воздуха). Состав атмосферного воздуха приведен в таблице 2. В таблице 3 приведены данные о ежедневном выбросе загрязнителей в атмосферу [18].
Именно развитие современной цивилизации привело появлению таких явлений, как «парниковый эффект», «озоновые дыры», «кислотные дожди».
ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ. Это явление, которое возникло в результате глобального потепления. Повышение температуры воздуха, наблюдающееся в последние 50 лет, вызвано по мнению многих ученых повышением уровня сжигания различных источников энергии (нефти, дров, торфа, газа, угля), что привело к повышению концентрации углекислого газа в атмосфере и вызывает явление «парникового эффекта». Углекислый газ и пары воды в атмосфере задерживают длинноволновое тепловое излучение Земли и не дают уходить теплоте в космос. Надо отметить, что ряд ученых высказывают такую точку зрения, что явление «парникового эффекта» вовсе не обусловлено именно развитием цивилизации, что колебания в повышении или понижении температуры воздуха наблюдались и ранее в истории нашей планеты, что «библейский потоп» был также результатом очередного повышения температуры воздуха. Поэтому причины возникновения «парникового эффекта» остаются пока дискуссионными [2, 3, 6, 19].
Возможными последствиями «парникового эффекта» могут быть:
подъем уровня мирового океана за счет таяния ледников Арктики и Антарктики. Прогнозируется к 2050 году повышение температуры воздуха в целом на планете на 1,5 – 4,5оС. При этом прогнозируется подъем мирового океана на 50-100 сантиметров, а к 2100 году – на 2 метра (в результате может наступить очередной Великий потоп). Результатом будет, прежде всего, затопление значительной части суши, особенно пострадают прибрежные города, участятся наводнения и засухи, может измениться течение Гольфстрима и даже смещение этого потока Атлантического океана, который сегодня обеспечивает возможность возделывания сельскохозяйственных культур в Англии и на значительной части Европы,
Таблица 2. Состав атмосферного воздуха
Наименование основных газов Содержание, % объемные Относительная молекулярная масса, кг/моль
Кислород 20,95 32
Аргон 0,93 39
Углекислый газ 0,03 44
Неон 1,8·10-3 20
Гелий 5,2·10-4 4
Криптон 1,0·10-4 83
Ксенон 8,0·10-6 131
Водород 5,0·10-5 2
Озон 1,0·10-6 48
Примечание: средняя относительная молекулярная масса сухого воздуха составляет 28,966 кг/моль.
Таблица 3. Выделение (106 т/сутки) некоторых газообразных веществ
Вещество Источник

природный антропогенный
Диоксид серы - 0,4
Сероводород 0,3 0,01
Оксиды азота 2 0,2
Углеводороды 2 0,2
Оксид углерода 10 1
Диоксид углерода 3000 50
изменение ареала возделывания сельскохозяйственных культур, уменьшение производства продовольствия,
повышение запыленности атмосферы приведет к уменьшению поступления солнечного излучения на Землю, в результате чего наступит глобальное похолодание и замерзание значительных территорий планеты.
ОЗОНОВЫЕ ДЫРЫ. Озоновый слой – это слой в верхней части атмосферы, содержащий озон (О3), который задерживает большую часть смертоносных ультрафиолетовых лучей. Слой озона собственно образуется на границе тропосферы и стратосферы, где кислород под воздействием ультрафиолетовых лучей превращается в озон, создавая, таким образом, защитный слой, непроницаемый для этого излучения. Только незначительная часть ультрафиолетового излучения проникает в тропосферу, но и эта часть ультрафиолета может негативно воздействовать на живые существа. Именно поэтому под прямыми солнечными лучами не рекомендуется находиться длительное время, животные в природе избегают нахождения под прямыми солнечными лучами, у растений существует система предотвращения гибельного воздействия прямых солнечных лучей за счет устройства покровных тканей [2, 3, 6, 19].
Поэтому когда в 70-е годы двадцатого века были обнаружены разрушения озонового экрана над Антарктидой, эта проблема привлекла внимание ученых и начаты исследования по определению причин возникновения таких разрывов в озоновом слое и методов предотвращения разрушения озонового слоя.
Причинами появления «озоновых дыр» считаются:
полеты сверхзвуковых транспортных самолетов в стратосфере, которые загрязняют стратосферу водой и оксидами азота, что ведет к разрушению озона (N2O + O3 = 2NO + O2). Однако, в настоящее время высокая стоимость таких полетов фактически свела их количество к незначительной величине, поэтому сейчас они не представляют угрозы озоновому слою,
выбросы в атмосферу фреонов (хлорфторуглеродов (ХФУ) и бромсодержащих холонов, которые используются в аэрозолях, хладагентах, растворителях, огнетушителях и пр. Попадая в стратосферу под действием ультрафиолетового излучения происходит разложение ХФУ и реакции взаимодействия с озоном (Cl + O3 = ClO + O2). В свою очередь оксид хлора может взаимодействовать с атомарным кислородом и восстанавливаться до хлора (ClО + O = Cl + O2). Далее возникает цепная реакция разрушения озона, поскольку один атом хлора может превратить до 100 тысяч молекул озона в обычный молекулярный кислород. Бром, образующийся из бромсодержащих холонов, действует по такой же схеме,
ядерные взрывы также высвобождают закиси азота, разрушающие озон,
выхлопные газы автомобилей также являются источниками закисей азота, разрушающих озон,
удобрения и некоторые пестициды (например, метилбромид), используемые в сельском хозяйстве, также могут увеличивать количество выбросов (закисей азота и галогенов), разрушающих озон [2, 3, 6, 19].
КИСЛОТНЫЕ ДОЖДИ. Причиной кислотных дождей являются выбросы в атмосферу оксидов серы и азота, которые образуются при сжигании различных видов топлива. Сера содержится в самом топливе, окислы азота образуются при нагреве атмосферного воздуха при сгорании топлива и окисления в результате горения имеющегося в воздухе молекулярного азота. Основным источником этих выбросов на современном этапе является автомобильный транспорт. На втором месте стоят тепловые электростанции. Окислы серы и азота, попадая в атмосферу, вступают во взаимодействие с парами воды, образуя соответственно серную и азотную кислоты. При сгорании топливо также образует оксиды кальция и железа, которые вступают в реакцию с серной кислотой.
2SO2 + O2 → 2SO3
SO3 + H2O → H2SO4
2NO + O2 → 2NO2
4NO2 + 2 H 2O +O2 → 4HNO3
CaO + H2SO4 → CaSO4 + H2O
Fe2O3 + 3H2SO4 → Fe(SO4)3 + 3H2O
Естественная дождевая вода имеет слабокислую реакцию (рН = 6), так как находится в контакте с СО2 и растворяет ее, образуя слабую угольную кислоту. Дожди, выпадающие в промышленных зонах, в зонах городов, могут иметь рН<4. Отмечены в отдельных регионах дожди с уровнем рН=2,2 [2, 3, 6, 19].
Влияние кислотных дождей проявляется в следующих направлениях:
снижение популяции рыб в водоемах за счет увеличения кислотности воды и гибели икры в результате такого подкисления,
снижение популяции рыбы влечет за собой влияние на все пищевые цепи, где рыба задействована (белоголовый орлан, гагара, чайки, норки, выдры, земноводные).
повышение уровня растворения минералов приводит к образованию выбросов в почве и воде солей ртути, кадмия, алюминия.
разрушение строительных материалов, коррозия строительных конструкций (кальций, магний, железо).
деградация лесов,
отравление и гибель людей и животных (например, в 1952 году в Лондоне за 5 дней из-за кислотного тумана погибло 4000 человек) [2,3, 6, 18,19].

Глава 3. Методы мониторинга состояния атмосферного воздуха.
Впервые атмосферу как среду начал изучать М.В