Контроль газового состава атмосферного воздуха

ДОАС-4Р полностью автоматизирован. В настоящее время – самый точный прибор в мире из рассматриваемого класса трассовых газоанализаторов. С помощью ДОАС-4Р в реальном времени и с большой точностью можно измерять концентрацию некоторых высокотоксичных газов, например хлора, паров ртути, сероводорода, паров соляной кислоты, циановодорода и фтороводорода. Кроме того, прибор может измерять концентрацию окислов азота, серы, углеводородов, формальдегида, озона и многих других загрязняющих атмосферу газов.

С помощью анализаторов такого типа в атмосфере определяется целый ряд газов: аммиак, окись азота, двуокись азота, азотистая кислота, двуокись серы, озон, формальдегид, бензол, толуол, фенол, этилбензол, бензальдегид, м-ксилол, п-ксилол, о-ксилол, м-крезол, п-крезол, о-крезол, 2,3-диметилфенол, 2,4-диметилфенол, 2,5-диметилфенол, 2,6диметилфенол, 3,4-диметилфенол, 3,5-диметилфенол, 1,2,4-триметилбензол, 1,3,5 – триметилбензол, 2,4,6 триметилфенол, 2-метилбензальдегид, 3-метилбензальдегид, 4метилбензальдегид.

Эхолокатор – зондирование атмосферы с помощью звуковых волн. Позволяет выявлять зоны крупномасштабных изменений плотности атмосферы. Радиолокатор, РЛС – зондирование атмосферы радиоволнами с длинами от метрового до миллиметрового диапазона. Позволяет выявлять различные объекты естественного и искусственного происхождения, движущиеся в атмосфере, определять их расстояние и скорость (используя эффект Доплера). Определение расстояния s: τ sc 2 1=, где τ - время, прошедшее от момента излучения до момента приема отраженного сигнала, с – скорость света. Определение скорости объекта по эффекту Доплера vc c v ∗ Δ ⇒== Δ λ λ λ λ, где λ - длина волны излучения радиолокатора, Δλ - изменение этой длины волны после отражения от цели (в короткую сторону – при приближении, в длинную – при удалении). В метеорологических РЛС используется диапазон несущих частот 3000 – 30000 МГц (длины волн 10 – 1 см). Длительность зондирующего импульса 0,5 – 4 мкс. Частота повторения импульсов 200 – 1000 Гц. Угол диаграммы направленности зондирующего луча составляет от долей до 1,5°. Данность действия метеоРЛС - до 80-150 км. С помощью метеоРЛС распознаются все формы и виды облаков: Ci, Cc, Cs, As, Sc, Nc, St, Cu, Cb. Достоверность распознавания облачных систем 80-90%. Распознаются грозоопасные Cb и ливневый дождь, негрозовые Cb и негрозовые ливни. Интенсивность жидких и твердых осадков по градациям: слабые, умеренные, сильные, очень сильные. Распознаются слои температурных изотермий и инверсий. Зондирование атмосферы возможно до высот более 30 км. Радиолокация осуществляется тремя способами: 1) облучение объекта и прием отраженного от него излучения; 2) облучение объекта и прием переизлученных (ретранслируемых) им волн; 3) прием радиоволн, излученных самим объектом.

Лидар – (Light Detection and Ranging) прибор для проведения лазерного зондирования атмосферы в оптическом диапазоне спектра. В обобщенном смысле лазер в лидаре используется как импульсный источник направленного светового излучения. В отличие от радиодиапазона, в световом диапазоне частот из-за малости длин волн особенно видимого и ультрафиолетового излучения отражателями локационного сигнала являются все молекулярные и аэрозольные составляющие атмосферы, т.е. по сути дела сама атмосфера формирует лидарный эхо-сигнал со всей трассы зондирования. Это позволяет осуществлять лазерное зондирование по любым направлениям в атмосфере. Главным активным элементом лидара является источник лазерного излучения. Все основные энергетические, временные, пространственные, спектральные и поляризационные характеристики лазерного излучения, как правило, реализуются непосредственно в самом лазерном источнике. Они обычно контролируются на выходе с помощью блока контроля лазерного излучения. Чаще всего такой блок используется для измерения опорного сигнала и выработки сигнала запуска регистрирующей аппаратуры, а также для контроля длины волны лазерного излучения. Для дополнительного уменьшения расходимости лазерного излучения используют оптические расширители пучка на основе зеркальных или линзовых, как в нашем лидаре, телескопов. Лазерный источник совместно с передающей антенной составляют лазерный передатчик лидара (или лидарный передатчик).

Приемная антенна лидара представляет собой телескоп, чаще всего зеркальный, построенный обычно по схеме Ньютона, когда фокус выводится плоским зеркалом под углом 90о к оптической оси главного параболического зеркала, или Кассегрена, когда фокус выводится вторичным гиперболическим зеркалом по оптической оси главного параболического зеркала через отверстие в центре последнего. Лазеры создают луч очень острой направленности, с очень малой расходимостью. Площадь поперечного сечения лазерного луча может составить величину ~10-6 см2, плотность мощности - до 10 ТВт/см2. Принцип лазерного зондирования атмосферы заключается в том, что лазерный луч при своем распространении рассеивается молекулами и неоднородностями воздуха, молекулами содержащихся в нем примесей, частицами аэрозолей, частично поглощается и изменяет свои физические параметры (частоту, форму импульса и т.д.). Появляется свечение (флюоресценция), что позволяет качественно и количественно судить о различных параметрах воздушной среды (давлении, температуре, влажности, концентрации газов…). Лазерное зондирование атмосферы осуществляется преимущественно в ультрафиолетовом, видимом и микроволновом диапазоне. Использование лидаров с большой частотой следования импульсов малой длительности позволяет изучать динамику быстро протекающих процессов в малых объемах и в значительных толщах атмосферы.

Метод оптической локации. Аналогичен методу эхо- и радиолокации.

Опорный источник лазерного излучения 1 через оптическую систему 2 излучает короткий импульс Δτ мощностью W0. Часть 4 рассеянного объектом 3 излучения попадает в приемный телескоп 5, через него и интерференционный фильтр 6 на фотоприемник 7, сигнал с которого обрабатывается блоком 8. В общем случае мощность Wsc рассеянного исследуемым объектом излучения как функция расстояния r до него определяется как 2 0 4 ()()() r FrkrnrrWW sc π σ Δ ∗∗∗∗=, где σ - сечение обратного рассеяния, n(r) – концентрация рассеивающих частиц как функция расстояния, k(r) – коэффициент пропускания атмосферы, F – параметр, учитывающий эффективность оптических систем и технические параметры эксперимента, Δ r=с Δτ /2 – глубина зондирования.

С помощью этого метода при частоте следования импульсов 103 – 104 Гц и длительности импульса порядка 10-8 с можно получать до 104 профилей аэрозольных слоев с секунду.

Недостаток: длина волны опорного излучения совпадает с длиной волны рассеянного излучения.

Метод комбинационного рассеяния При рассеянии света газовыми молекулами происходит сдвиг частоты рассеянного излучения (эффект Мандельштама-Ландсберга – Рамана, 1928). Комбинационный сдвиг частот имеет каждая молекула газа, который характерен только для нее. Среда, состоящая из газовых молекул, имеет только ей присущий комбинационный спектр. Его регистрация позволяет определить наличие примесей исследуемой среде путем анализа сдвига полос поглощения.

Из-за малого сечения комбинационного рассеяния этот метод применяется на небольших расстояниях – несколько десятков метров (например, для контроля вредных выбросов из дымовых труб). На рис. 6 представлен спектр комбинационного рассеяния, полученный на продуктах сгорания нефти методом лазерного зондирования (Куклев, 2003). Сечение – величина, в случае упругого рассеяния, равная отношению числа частиц, упруго рассеянных за единицу времени в единицу телесного угла к потоку падающих частиц (дифференциальное рассеяние Ωd d σ). Полное сечение σ - интеграл от дифференциального, взятого по полному телесному углу Ω=4π стер. Полное сечение точечных частиц на абсолютно упругом шарике радиуса R равно площади сечения шарика σ =2 R π.

Метод резонансной флюоресценции Основан на способности молекул флюоресцировать под воздействием излучения. Например, молекулы СО флюоресцируют при облучении излучением с λ =4,6 мкм, а молекулы NO2 – при облучении аргоновым лазером с λ =488 нм. Сечение флюоресценции значительно выше сечения комбинационного рассеяния, поэтому данный метод более чувствителен. Метод регистрации проходящего излучения Метод основан на регистрации проходящего через среду излучения «на просвет», когда опорный лазерный генератор и приемник находятся по разные стороны от исследуемого объекта. С применением отражателей генератор и приемник находятся рядом. Метод имеет самую высокую чувствительность из всех, но может применяться только для измерения интегральной концентрации только вдоль траектории луча. Дифференциальный метод Сочетает в себе метод поглощения и обратного рассеяния.

Атмосферный воздух - это смесь газов, состоящая из азота (78%), кислорода (20,95%), аргона (0,93%), углекислого газа (0,02 - 0,032%) и других газов (0,01%).

Воздух как природный ресурс представляет собой общечеловеческое достояние. Постоянство его состава (чистоты) - важнейшее условие существования человечества. Поэтому любые изменения состава рассматриваются как загрязнение атмосферы.

Основными ингредиентами загрязнения атмосферы являются оксиды углерода, азота и серы, углеводороды и взвешенные частицы (пыль).

Загрязняющие вещества, выброшенные в воздушный бассейн в виде газов или аэрозолей, могут:

• оседать под действием силы тяжести (крупнодисперсные аэрозоли);

• физически захватываться оседающими частицами (осадками) и поступать в лито- и гидросферу;

• включаться в биосферный круговорот соответствующих веществ (углекислый газ, пары воды, оксиды серы и азота и пр.);

• изменять свое агрегатное состояние (конденсироваться, испаряться, кристаллизоваться и т. п.) или химически взаимодействовать с другими компонентами воздуха, после чего пойти одним из вышеуказанных путей;

• находиться в атмосфере относительно длительное время, переносясь циркуляционными потоками в различные слои тропо- и стратосферы и в разные географические области планеты до тех пор, пока не создадутся условия для их физической или химической трансформации (например, фреоны).

В результате антропогенного воздействия на атмосферу возникают:

• локальная или региональная загазованность приземного слоя;

• трансграничный перенос загрязнений на значительные расстояния;

• различные глобальные (общепланетарные) эффекты, такие как «парниковый эффект» и разрушение озонового слоя;

• загрязнение лито- и гидросферы как результат процессов естественного самоочищения атмосферы.

Под качеством атмосферы понимают совокупность ее свойств, определяющих степень воздействия физических, химических и биологических факторов на людей, растительный и животный мир, а также на материалы, конструкции и окружающую среду в целом. Качество атмосферы зависит от ее загрязненности, причем сами загрязнения могут попадать в нее от природных и антропогенных источников. С развитием цивилизации в загрязнении атмосферы все больше и больше превалируют антропогенные источники.

Под загрязнением атмосферы понимают привнесение в нее примесей, которые не содержатся в природном воздухе или изменяют соотношение между ингредиентами природного состава воздуха.

Особую тревогу вызывают загрязнения атмосферы вновь создаваемыми веществами и соединениями. Всемирная организация здравоохранения отмечает, что из 105 известных элементов таблицы Менделеева 90 используются в производственной практике, а на их базе получено свыше 500 новых химических соединений, почти 10% из которых вредные или особо вредные.

Антропогенные загрязнения отличаются многообразием видов примесей и многочисленностью источников их выброса. Наиболее устойчивые зоны с повышенными концентрациями загрязнений возникают в местах активной жизнедеятельности человека. Установлено, что каждые 10-12 лет объем мирового промышленного производства удваивается, а это сопровождается примерно таким же ростом объема выбрасываемых загрязнений в окружающую среду. По ряду загрязнений темпы роста их выбросов значительно выше средних. К таковым относятся аэрозоли тяжелых и редких металлов, синтетические соединения, не существующие и не образующие в природе, радиоактивные, бактериологические и другие загрязнения.

Примеси поступают в атмосферу в виде газов, паров, жидких и твердых частиц. Газы и пары образуют с воздухом смеси, а жидкие и твердые частицы - аэрозоли, которые подразделяют на пыль, дым и туман. Следует отметить, что аэрозоли чаще полидисперсные, т. е. содержат частицы различного размера.

Основными химическими примесями, загрязняющими атмосферу, являются следующие.

Окись углерода - бесцветный газ, не имеющий запаха, известен также под названием «угарный газ». Образуется в результате неполного сгорания ископаемого топлива (угля, газа, нефти) в условиях недостатка кислорода и при низкой температуре. При этом 65 % от всех выбросов приходится на транспорт, 21% - на мелких потребителей и бытовой сектор, а 14% - на промышленность.

Двуокись углерода, или углекислый газ, - бесцветный газ с кисловатым запахом и вкусом, продукт полного окисления углерода. Является одним из парниковых газов.

Двуокись серы - бесцветный газ с резким запахом. Образуется в процессе сгорания серосодержащих ископаемых видов топлива, в основном угля, а также при переработке сернистых руд. Он в первую очередь участвует в формировании кислотных дождей. Общемировой выброс серы оценивается в 190 млн т в год.

Окислы азота (оксид и диоксид азота) - газообразные вещества, объединяются общей формулой NOx. При всех процессах горения образуются окислы азота, причем большей частью в виде оксида. Оксид азота достаточно быстро окисляется до диоксида, который представляет собой красно-белый газ с неприятным запахом, сильно действующий на слизистые оболочки человека. Чем выше температура сгорания, тем интенсивнее идет образование окислов азота.

В летний период при интенсивном солнечном облучении продолжительностью 12-14 часов вследствие высокой растворимости в воде (облака, дождь) и сорбции на увлажненных поверхностях азотная кислота быстро выпадает на земную поверхность. В городах наиболее высокие концентрации окислов азота наблюдаются утром, до начала фотохимических процессов. При ярком солнечном свете окислы азота реагируют с несгоревшими бензиновыми парами и другими углеводородами, образуя низкоатмосферный озон, или смог, т. е. красно-бурую дымку.

Озон - газ с характерным запахом, более сильный окислитель, чем кислород. Его относят к наиболее токсичным из всех обычных загрязняющих воздух примесей. Наиболее высокие концентрации озона наблюдаются в промышленных районах. Озон относится к 1-му классу опасности, при этом максимально разовая ПДК составляет 0,16 мг/м3, а среднесуточная - 0,03 мг/м3.

Углеводороды - химические соединения углерода и водорода. К ним относят тысячи различных загрязняющих атмосферу веществ, содержащихся в несгоревшем бензине, жидкостях, применяемых в химчистке, промышленных растворителях и т.д. Многие углеводороды опасны сами по себе. Например, бензол, один из компонентов бензина, может вызвать лейкемию, а гексан - тяжелые поражения нервной системы человека. Бутадиен является сильным канцерогеном.

Свинец - серебристо-серый металл, токсичный в любой известной форме. Широко используется для производства припоя, красок, боеприпасов, типографского сплава и т.п. Основным источником (около 80%) загрязнения атмосферы соединениями свинца являются выхлопные газы транспортных средств, в которых используется этилированный бензин, в который в качестве антидетонационной присадки вводят тетраэтилсвинец. Для свинца и его соединений среднесуточная ПДК составляет 0,0003 мг/м3.

Фреоны - группа галогеносодержащих веществ, синтезированных человеком. Их преимуществом перед другими веществами является то, что они не горючи, не токсичны и нейтральны. Фреоны, представляющие собой хлорированные и фторированные углероды (ХФУ), как недорогие и нетоксичные газы широко применяют в качестве хладагентов в холодильниках и кондиционерах, пенообразующих агентов, в установках для газового пожаротушения, рабочего тела аэрозольных упаковок (лаков, дезодорантов и т.д.).

Аэрозоли (пыли, дымы, туманы) также являются загрязнителями атмосферы. Аэрозольные частицы попадают в атмосферу либо в готовом виде в результате деятельности вулканов, пожаров, морской соли, пыли или при сжигании топлива и с отходящими газами промышленных производств, либо образуются непосредственно в атмосфере в результате химических реакций между компонентами газовых выбросов, причем доля антропогенной запыленности составляет 10-20% от общего поступления твердых частиц в атмосферу.

Наличие аэрозолей нарушает тепловой баланс атмосферы. Появление при смоге голубоватой дымки, сопровождающееся ухудшением видимости, есть следствие образования твердых аэрозольных частиц. Запыленность атмосферы играет особую роль в общепланетарных тепловых процессах: ее рост ведет к увеличению альбедо Земли и, как следствие, к уменьшению поглощения солнечной радиации.

Образование аэрозолей с твердыми частицами в воздухе городов часто вызывается диоксидом серы, превращающимся в серную кислоту, которая в свою очередь вступает в реакцию с аммиаком, образуя частицы сульфата аммония.

Степень загрязнения атмосферного воздуха автомобильными выбросами на локальных территориях зависит от возможности переноса загрязняющих веществ, уровня их химической активности, метеорологических условий распространения в данной местности, характеристик подстилающих поверхностей. В ограниченном пространстве может происходить множество химических реакций с различными скоростями реакций, временем существования участвующих субстанций, различными зависимостями коэффициентов турбулентной диффузии от свойств подстилающих поверхностей, наличием определенных гидрометеорологических процессов. Отсюда сложности достоверного моделирования процессов распространения автомобильных выбросов в атмосфере.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: