Тема 10. Вимірювання атмосферних забруднень та озону

 

Вид заняття: лекція

Час: 2 години

 

Навчальні питання:

1. Склад і структура атмосфери та основні забруднювачі повітря.

2. Вимірювання атмосферних забруднень.

3. Озонова дірка. Вимірювання озону.

 

 

 

Література

 

1. Посудін Ю.І. Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища. - К.: Світ, 2003.- 288 с.

2. Посудін Ю.І. Фізика і біофізика навколишнього середовища. - К.: Світ, 2000.- 303 с.

3. Ситник К.М., Брайон А.В., Гордецкий A.P., Брайон А.П. Словарь-справочник по экологии. - К.: Наукова думка, 1994. - 665 с.

4. Иванов В.И. Курс дозиметрии. – М.: Энергоиздат, 1988. - 399 с.

 

Вступ

Атмосферні фактори середовища включають структуру і склад атмосфери, а також фізичні та хімічні властивості атмосфери, що впливають на живі організми.

 

1. Склад і структура атмосфери та основні забруднювачі повітря

 

1.1. Склад і структура атмосфери

Атмосфера Землі - це газова оболонка, що оточує планету. Близько 99% сухого повітря складається з азоту та кисню; решта припадає на інші гази та водяну пару. Хімічний склад атмосфери наведено в табл. 10.1.

 

Таблиця 10.1. Склад чистого сухого повітря, присутнього в нижній атмосфері

 

Хімічний склад атмосфери майже не змінюється до висоти 100 км. По вертикалі атмосфера має шарувату будову. Перший шар, що простягається до 10...17 км, називають тропосферою. Вона містить близько 80% маси атмосфери. Важливою змінною компонентою атмосфери є водяна пара, основна маса якої зосереджена в тропосфері. Змінність вмісту водяної пари в тропосфері зумовлюється взаємодією процесів випаровування, конденсації та горизонтального перенесення. В результаті конденсації відбувається утворення хмар та випадання опадів.

Над тропосферою на висоті близько 55 км розташований перехідний шар - стратопауза, вище якої починається стратосфера. Істотний вплив на атмосферні процеси чинить озон, що міститься в стратосфері і забезпечує поглинання сонячного ультрафіолетового випромінювання. Ще одна важлива змінна компонента атмосфери - вуглекислий газ, змінність вмісту якого пов'язана з життєдіяльністю рослин, промисловими забрудненнями і газообміном між океаном та атмосферою. Активними компонентами атмосфери є аерозолі - завислі у повітрі тверді й рідкі частинки, розміри яких перевищують 1 нм. До аерозолів можна віднести й частинки біологічного походження. Шар атмосфери, розташований на висоті 55…80 км, називають мезосферою. Над ним знаходиться перехідний шар мезопауза, вище якої починається термосфера.

 

1.2. Основні забруднювачі повітря

Забруднювачами повітря називають субстанції, що присутні в атмосфері й впливають на здоров’я людини, стан тваринного, рослинного світу й мікроорганізмів та спричиняють руйнування матеріалів.

Всі забруднення антропогенного походження можна поділити на глобальні та регіональні.

До глобальних відносять кислотні дощі, атмосферні гази, радіоактивні забруднення, важкі метали, пестициди.

До локальних - забруднення у великих містах (смоги), хімічні сполуки в повітрі індустріальних зон. До основних забруднювачів цього типу можна віднести частинки, розміри яких не перевищують 10 мкм і які є небезпечними для здоров’я людини, а також хімічні сполуки, що зустрічаються в атмосфері мегаполісів.

В даний час у міжнародний перелік глобальних видів забруднювачів навколишнього середовища включені - SO2; NO; NO2; NOx; СО, SCH; СО2; Hg.

Речовини, що виникають забруднення в багатьох регіонах світу - H2S; HF; NН3; CI.

До шкідливих речовин, викид яких має масовий характер у містах відносять SO2; NO; NO2; СО.

Природними джерелами атмосферних забруднень є виверження вулканів, лісові пожежі, вітрова ерозія, життєдіяльність живих організмів, природна фонова радіоактивність. Чинники антропогенного забруднення - домашнє господарство (приготування їжі, прання, миття, чищення), комерційна активність (служби побутового сервісу, ресторани, готелі, школи, друкарні), сільське господарство (гній, пестициди, добрива, нітрати, важкі метали, поверхнево активні речовини), промисловість (високотемпературні виробничі процеси, згорання палива, діяльність паперових заводів, підприємств з обробки нафтопродуктів, металургійні процеси), транспортні засоби.

Атмосферні забруднення шкідливо впливають на клімат планети, біогеохімічні цикли, рослинні види й фітоценози, на тварин і, безумовно, на здоров’я людини.

 

2. Вимірювання атмосферних забруднень

 

Спектрометрія поглинання ґрунтується на вимірюванні залежності енергії оптичного випромінювання, що поглинається, від довжини хвилі. Ця техніка представлена інфрачервоними аналізаторами, за допомогою яких ідентифікують та вимірюють гази (SO2 N0x, CO, CO) і вуглеводні, та ультрафіолетовими аналізаторами, призначеними для ідентифікації та вимірювання S02 і NO2.

Люмінесцентні аналізатори вимірюють оптичне випромінювання, що утворюється збудженою молекулою. Залежно від типу збудження розрізняють аналізатори на основі флуоресценції, хемілюмінесценції та полум'яної люмінесценції.

Флуоресценція відбувається за збудження молекули світлом певної довжини хвилі, що супроводжується випромінюванням світла на іншій довжині хвилі. Флуоресцентні аналізатори застосовують для визначення наявності S02.

Хемілюмінесценція супроводжується випромінюванням світла за хімічних реакцій, в яких беруть участь озон та оксид азоту. Використовуються хемілюмінесцентні аналізатори для визначення вмісту NOх і NO2.

Полум’яна люмінесценція має місце під час взаємодії молекул з полум’ям пальника. Аналізатори цього типу здатні ідентифікувати сірку та сірчані сполуки.

Електрохімічні аналізатори використовують процеси, що відбуваються на електродах і в між електродному просторі з подальшою реєстрацією електричних параметрів.

Основними електрохімічними методами є: вольтамперометрія, кулонометрія та кондуктометрія.

Вольтамперометрією називають методи аналізу, що ґрунтуються на реєстрації та вивченні залежності струму, що проходить крізь електролітичну комірку, від зовнішньої прикладеної напруги. Аналіз вольтамперограми І =f(U)дає інформацію про кількісний та якісний склад розчину, що аналізується. Якщо використовують ртутний крапаючий електрод як індикаторний, то такий метод називають полярографією. Аналізатори цього типу застосовують для ідентифікації та вимірювання газів SO2, N02, CO, 02, Н2S.

Кулонометрія - метод, що ґрунтується на вимірюванні кількості електрики, витраченої на електроперетворювання (відновлення або окислення) речовини, що аналізується. За законом Фарадея кількість речовини, що бере участь у процесі електроперетворювання, пропорційна кількості електрики, що проходить через електроліт. Таким чином, вимірювання кількості електрики дає змогу оцінити масу речовини. Кулонометричні аналізатори здатні визначатиSO2, H2S і меркаптани.

Кондуктометрія ґрунтується на вимірюванні питомої електропровідності розчину, що аналізується. Кондуктометричні прилади використовуються для аналізу SO2.

Парамагнітні аналізатори базуються на здатності молекул речовин (парамагнетиків) орієнтувати власні магнітні моменти вздовж зовнішнього магнітного поля. Парамагнітні аналізатори використовуються для аналізу атмосферного кисню, який є парамагнетиком.

Аналізатори теплопровідності передбачають застосування розжареного провідника, опір якого залежить від потоку газів, що пропускають через нього. Гази С02 та SO2 визначають за допомогою аналізаторів теплопровідності.

 

3. Озонова дірка. Вимірювання озону

 

Основна маса озону атмосфери (близько 90%) міститься в стратосфері на висоті 10...50 км з максимумом на висоті 20...25 км. Решта озону зосереджена в тропосфері. Слід зазначити, що незважаючи на незначну концентрацію озону (одна молекула озону припадає на мільйон молекул повітря), він здатний поглинати ультрафіолетове сонячне випромінювання: майже все випромінювання УФ-С області (200...300 нм) та частину випромінювання УФ-В області (280...320 нм). Саме УФ-В область призводить до еритеми, небезпечних генетичних порушень в організмі людини, раку шкіри. Короткохвильове (<270 нм) ультрафіолетове випромінювання здатне розщепити молекулу кисню О2 на синглетний кисень О, що взаємодіє з О2 і утворює озон О3. Загалом, озоновий шар - це ефективний фільтр для сонячного ультрафіолетового випромінювання в ділянці 280...320 нм, в якій поглинають біологічно важливі молекули білків і нуклеїнових кислот.

У стратосфері під впливом сонячного випромінювання відбуваються такі процеси:

1) Взаємодія короткохвильового (λ<240 нм) випромінювання з молекулою озону, що зумовлює появу атомарного кисню:

          02 + hv → 0 + O        (10.1)

2) Взаємодія атомарного кисню з молекулярним:

         О + 02 + М → 03 + М        (10.2)

де М - якась інша молекула (звичайно азот або кисень).

3) Взаємодія довгохвильового (λ = 300...315 нм) випромінювання з озоном, що викликає зворотне перетворення останнього:

          03 + hv → 02 + О        (10.3)

Крім того, з озоном реагують присутні в стратосфері хлор, азот, бром та водень, що призводить до руйнування озону внаслідок таких реакцій:

         X + 03 → О2 + ХО        (10.4)

         ХО + 0 → X + 02         (10.5)

де X - хімічний реагент.

 

Озонова дірка утворюється в шарі стратосферного озону, дуже чутливого до впливу різних сполук, що містять хлор, навіть при незначних концентраціях останнього. Щодо механізму утворення озонової дірки нема єдиної думки. Є дві версії стосовно причин виникнення цього явища.

Одні вчені вважають, що озоновий шар руйнується внаслідок послаблення потоку ультрафіолетового випромінювання, необхідного для утворення озону, наприкінці року.

Інші стверджують, що озоновий шар руйнується через потрапляння в атмосферу хлорфторвуглеців (фреонів), використовуваних як холодоагенти та розпилювачі в холодильних установках, вогнегасниках, аерозольних виробах.

У 1985 р. було прийнято Віденську конвенцію із захисту озонового шару, а у 1987 р. у Монреалі підписано міжнародний протокол щодо речовин, які руйнують озоновий шар. У 1988 р. Україна приєдналася до Віденської конвенції, підписала доповнення та поправки до Монреальського договору. В Україні нині працює мережа станцій спостереження за озоновим шаром. Глобальні вимірювання рівня озону за допомогою супутників протягом 1979...1993 pp. свідчать про істотне збільшення ультрафіолетового опромінювання в високих і середніх широтах обох півкуль. Зменшення озонового шару тривало до 1998 p., після чого прогнозується його поступове відновлення.

 

Вимірювання озону

Одиниці Добсона використовують для вимірювання «товщини» озонового шару. Якщо уявити, що всі молекули озону, присутні в стратосфері, можна зібрати на поверхні (при нормальних тискові та температурі), то товщина цього шару дорівнюватиме 3 мм. Ця кількість озону відповідає 300 DU (одиницям Добсона).

Озоновий зонд - прилад, що встановлюється на повітряній кулі з газом, яка підіймається на висоту до 35 км. Він містить озоновий сенсор, джерело живлення, газову помпу та радіопередавач. Під час польоту кулі, повітря з озоном пропускається за допомогою помпи через розчин, окислення якого озоном зумовлює появу електричного струму, що реєструється. Величина цього струму пропорційна потоку озону і, таким чином, його концентрації.

Принцип дії озонового сенсора полягає в реалізації реакції озону з йодидом калію КІ, результатом якої є утворення вільного йоду:

        2КІ + 03 → 2КОН + І2 + О2       (10.6)

Утворення йоду порушує стан електричної рівноваги в розчині, що викликає потік електронів. Кількість озону Роз (парціальний тиск озону в нанобарах) пов’язана з величиною електричного струму І співвідношенням:

          Роз = КІТпІ,         (10.7)

де К - константа,

Тп - температура помпи,

І - час проходження 100 мл повітря через систему.

 

Розглянемо основні типи озонових зондів.

Озоновий зонд Брюмера - Macma містить одну електрохімічну камеру з срібним анодом і платиновим електродом, зануреними у лужний розчин йодиду калію. До електродів прикладають напругу 0,42 В. Йод, що утворюється відповідно до реакції, надходить до платинового катода і перетворюється на йодид з захопленням двох електронів на кожну молекулу йодиду

          I2 + 2e – Pt → 2І-        (10.8)

На аноді відбувається вивільнення двох електронів за іонізації атомів срібла:

         2Ag → 2Ag+ + 2e        (10.9)

 

Таким чином, кожна молекула озону, що потрапляє в камеру, викликає появу пари електронів у зовнішньому ланцюзі зонда.

В озоновому зонді ЕКК використовують електрохімічну концентраційну камеру (ЕКК), яка складається з двох відсіків, що виконують функції катода й анода. Обидва відсіки містять платинові електроди та розчин КІ при різних концентраціях. Камери з’єднуються іонним містком для замкнення електричного ланцюга та запобігання змішуванню електролітів катода й анода. Зонд цього типу не потребує зовнішньої напруги - процеси руху електронів здійснюються завдяки електрорушійній силі, що виникає за різних концентрацій у відсіках.

Вуглецева-йодний зонд відрізняється від розглянутих вище конструкцій тим, що платинова сітка використовується як катод, а активований вуглець - як анод, на якому відбувається вивільнення електронів за такою реакцією

       С + 20Н- → СО + Н2О + 2е       (2.10)

 

 

Курс «Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища»