Мониторинг атмосферы 2 (стр. 3 из 4)

Сброс загрязняющих веществ может осуществляться в различные среды: атмосферу, воды, почву. Выбросы в атмосферу являются основными источниками последующего загрязнения вод и почв в глобальном, а в ряде случаев и в региональном масштабе. Прямые измерения выбросов загрязняющих веществ являются наиболее эффективным способом контроля источников на локальном уровне. В глобальном масштабе приходится прибегать к косвенным оценкам выбросов, исходя из потребления топлива, сырья, технологии производства.

Выбросы обычно разделяют на три основные группы: организованные, неорганизованные и распределенные. Организованные выбросы обычно производятся из дымовых труб, их характеризует большая высота выброса (десятки и сотни метров), высокие концентрации и большие объемы загрязняющих веществ. Неорганизованные выбросы связаны с поступлением загрязняющих веществ в атмосферу из производственных помещений предприятий, концентрация и объем загрязняющих веществ, обычно бывают существенно меньше, чем при организованных выбросах; выброс происходит на малых высотах — от уровня земли до первых десятков метров. Распределенные выбросы в основном связаны с транспортом, в первую очередь автотранспортом. Другой характерный источник распределенных выбросов – это обработка сельскохозяйственных угодий и других территорий ядохимикатами с помощью авиации, при которой часть веществ всегда остается в воздухе.

Число антропогенных веществ, поступающих в природные среды, постоянно растет. Список только основных из них, имеющих достаточно широкое распространение составляет не менее 30 тыс. и возрастает за год на 1—2 тыс. Главную роль в загрязнении окружающей среды играет довольно ограниченное число веществ, не превышающее нескольких десятков.

Состав выбросов. В выбросе обычно присутствую целый ряд веществ. Состав выброса определяется характером производства и его технологий.

Представляется возможность выделить группу веществ, связанных со сжиганием ископаемого топлива: угля, нефтепродуктов и газа на предприятиях, электростанциях и транспорте.

При полном сжигании топлива в атмосферу должны поступать углекислый газ и пары воды, а также окислы серы, азота и минеральные частицы, химический состав которых может сильно варьировать в зависимости от исходных включений различных соединений в топливо, Реально топливо редко сгорает полностью.

Все газы и частицы, взаимодействуя с атмосферной влагой и реагируя друг с другом, превращаются в атмосферные аэрозоли. Из экспериментальных измерений аэрозолей, проведенных различными методами в самых разнообразных районах, найдено, что аэрозоли можно разделить на две группы, или фракции: тонкодисперсную и грубодисперсную, которые характеризуются определенными размерами и элементным составом.

Основные процессы образования и превращения аэрозолей происходят в тонкодисперсной фракции. Аэрозоли тонкодисперсной фракции представляют собой ядра конденсации, частицы Айткена и кумулятивные частицы.

Аэрозоли грубодисперсной фракции представляют собой в основном твердые частицы, привнесенные в атмосферу и оседающие под действием силы тяжести. В зависимости от географического района и химического состава такие аэрозоли следует подразделять на четыре типа: городские, природные, промышленных районов и дымовых факелов.

Городские аэрозоли хорошо описываются логарифмически-нормальным распределением по размерам. Основным источником ядер конденсации в городских аэрозолях является автомобильный транспорт, а субмикронных, или кумулятивных, частиц – промышленные объекты, в то время как аэрозоли грубодисперсной фракции целиком обусловлены локальными источниками. То же относится к сильно загрязненной атмосфере примышленных районов. Концентрация аэрозолей грубодисперсной фракции (частиц от 1 до 100 мкм) во всех типах остается практически постоянной и составляет в объеме около 30 мкм³/см³.

Систематические измерения распределения аэрозолей по размерам и их пространственно-временных вариаций позволяют установить более определенные взаимосвязи между природными аэрозолями и распределением источников, ростом и превращением частиц, их удалением из атмосферы и дальностью распространения благодаря переносу их с воздушными массами. Для идентификации аэрозоля с его источниками важное значение имеет измерение химического состава частиц, содержащихся в воздушных массах.

Удовлетворительных способов измерения неорганизованных выбросов, а также выбросов от распределенных источников, в том числе от автотранспорта, практически нет.

Следует указать, что контроль может давать наибольший эффект, когда он осуществляется специализированными организациями независимо от ведомств, которым принадлежат источники выбросов.

Регистрация загрязняющих веществ на станциях мониторинга осуществляется инструментальными и ручными методами. Концентрации исследуемых веществ измеряются непосредственно в пункте наблюдения, вблизи поверхности земли. Исключение составляют лишь наблюдения за интегральным количеством озона во всей толще атмосферы на специальных озонометрических и фоновых станциях. На инструментальных и ручных методах основывается контроль выбросов организованными источниками. Между тем такие методы часто оказываются недостаточными для удовлетворительной количественной характеристики сложной пространственно-временной структуры полей концентрации загрязняющих веществ. При мониторинге источников загрязнения эти методы не могут обеспечить количественную характеристику выбросов не только неорганизованных и распределенных источников, но и организованных, если их число достаточно велико.

Отмеченные трудности получения достаточно надежных данных в принципе могут быть преодолены при использовании дистанционных малоинерционных методов, позволяющих измерять концентрацию загрязняющих веществ в любой заданной точке пространства с координатами х, у, z в момент времени t. Такие методы обычно называют дифференциальными.[2]

Наиболее очевидными являются возможности дистанционных методов, связанные с получением более детальной структуры полей концентрации по сравнению с обычными измерениями на станциях.

4. Модели расчета рассеяния загрязняющих веществ в атмосферном воздухе
4.1. Аналитическая модель аэрозольного рассеяния

Для построения оптических моделей атмосферы и расчетов характеристик рассеяния для различных сред выбирают соответствующие законы распределения частиц f(r), состава и показателей преломления. Для различных состояний атмосферы вычисляются полидисперсные коэффициенты рассеяния для данных функций распределения по размерам, которые затем сравниваются с экспериментально измеренными значениями B_рас. Вот одна из аналитических моделей, хорошо зарекомендовавшая себя в практических применениях. В качестве ядра была принята полученная аппроксимированная функция Ми, справедливая для любых вещественных значений показателя преломления:

Представление фактора эффективности хорошо описывает аэрозоли с показателем преломления до 2,0. При наличии поглощения эта формула также может быть использована.

Также было получено выражение для полидисперсного коэффициента рассеяния отдельно для малых и больших частиц в приближении Хюлста:

Таким образом, для функции распределения аэрозолей по размерам, имеем аналитическую модель полидисперсного коэффициента рассеяния для полного спектра «мягких» частиц, для малых частиц, для больших частиц, а также модель коэффициента рассеяния, справедливую для всего диапазона изменения вещественной части показателя преломления частиц (1,0 меньше n меньше 2,0)

При исследовании аэрозоля в выбросах существенное значение имеет учет показателя преломления вещества аэрозоля, который несет в себе информацию о химическом составе аэрозоля. В этом плане использование описанной выше модели весьма перспективно. Эта модель неоднократно использовалась для определения параметров аэрозолей по оптическим измерениям. Построение аналитической модели коэффициента рассеяния, основанное на аналитическом решении прямой задачи атмосферной оптики с учетом оптических свойств аэрозоля, позволило использовать метод параметризации для отыскания свойств аэрозоля.

Зависимости для полидисперсного коэффициента рассеяния позволяют определять параметры аэрозолей путем построения алгебраической системы уравнений.

Аналитическое или графическое решение системы позволяет найти приблизительные значения параметров распределения аэрозолей из измерений в трех длинах волн. Эти приближенные значения могут служить, с одной стороны, для оперативных оценок аэрозолей, а с другой — в качестве начальных условий для метода оптимальной параметризации.

Для получения более точных значений параметров аэрозоля и особенно счетной концентрации N по объемному коэффициенту рассеяния используется избыточность информации, полученной при лазерном зондировании. Для этого строится функционал вида

Минимизация этого функционала для отыскания оптимальных параметров модели осуществляется «методом оврагов». Ошибка в определении параметров модели коэффициента аэрозольного рассеяния, при условии корректности этой модели, может быть оценена из эмпирической дисперсии.[3]

Использование лазерной техники и автоматизированная обработка эхо-сигналов позволяют получить статистически обоснованные значения параметров распределения частиц.

Для выявления максимумов в распределении частиц по размерам хорошо иметь измерения, охватывающие широкий диапазон изменения длин волн зондирования. Например, для построения двухмодального распределения необходимо увеличить число длин волн до пяти. Однако, увеличение длин волн больше шести не приводит к увеличению информативности данных измерений для построения модели аэрозолей.