Важная задача мониторинга атмосферных аэрозолей заключается в идентификации источников выбросов первичных аэрозолей и кислотообразующих газов – предшественников вторичных аэрозолей. Актуальность такой задачи очевидна, так как ее решение позволяет установить вклад отдельных источников в загрязнение воздуха аэрозолями на этой основе определить наиболее эффективные направления решения проблемы.
Многие промышленные города Казахстана характеризуются высоким уровнем загрязнения воздушного бассейна продуктами сгорания органических топлив, в частности, оксидами серы (SO2) и азота (NО), монооксидом углерода (СО), сажей полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ). В атмосфере первичные продукты сгорания могут вступать в дальнейшие реакции с образованием вторичных загрязнителей, причем, как газообразных, так и аэрозолей. Между тем вторичные аэрозоли представляют большую опасность для окружающей среды и человека. Они являются мелкодисперсными (с размерами частиц менее 1 мкм, обычно 10∙–10’2 мкм) и потому способны проникать глубоко в дыхательный тракт человека и животных и там накапливаться. В результате многолетних исследований, включающих мониторинг окружающей среды, признано, что частицы антропогенного аэрозоля могут оказывать существенное влияние на локальный и глобальный климат.
Аэрозольные частицы способны отражать приходящее солнечное коротковолновое излучение обратно в космос, что вызывает похолодание на поверхности Земли [5]. Это так называемый прямой эффект.
Важнейшим параметром, определяющим прямой эффект аэрозольного воздействия на климат, является относительная влажность, а наиболее важным процессом – рост массы сульфатных аэрозолей в результате обводнения. Эффект воздействия на климат остальных антропогенных компонентов аэрозоля (карбонатные частицы, частицы от сжигания биомассы, частицы почвы и др.), менее определен.
Одним из основных источников загрязнения окружающей среды антропогенными аэрозолями являются энергетические объекты. В год максимума промышленного производства доля отраслей ТЭК страны в суммарных выбросах стационарными источниками вредных веществ в атмосферу составляла: по SО2 – 48 %, по NO* – 66 %, по летучей 39 %. Для четкого определения предмета исследования необходимо описать процессы происходящие в атмосфере: образование вторичных аэрозолей, включая определение их химического состава, трансформацию аэрозоля в атмосфере и его выпадение.
Аэрозольные частицы существуют сами по себе и объединяются в цепочки, которые называют агломератами. Агломераты обычно образуются из электрически заряженных мелких частиц, которые находятся в плотных дымах. Аэрозоли могут состоять из полых капелек, заполненных газом или полых частиц, содержащих вещество – наполнитель (летучая зола, частицы оксида алюминия в продуктах сгорания твердых ракетных топлив, например). Таким образом, плотность частицы может значительно отличаться от плотности исходного материала за счет наличия в ней полостей. Аэрозоли делятся на монодисперсные, которые состоят из частиц одного и того же размера и полидисперсные – состоящие из частиц разных размеров.
Монодисперсные аэрозоли, которые состоят из частиц одинакового размера, встречаются в природе очень редко, и когда они образуются, то существуют в течение короткого промежутка времени. Например, некоторые высоко расположенные облака состоят из монодисперсных капель. Аэрозоли, состоящие из частиц различных размеров, называются полидисперсными.
Существует два главных источника аэрозольных частиц в атмосфере:
– выбросы в атмосферу в результате природных или антропогенных процессов (первичный аэрозоль);
– трансформация газов природного и антропогенного происхождения в атмосфере (вторичный аэрозоль).
Химический состав аэрозоля в любом конкретном месте и в любое время определяется его источниками и типом химических превращений которым подвергается аэрозольное вещество [2]. В сегодняшний день накопилось уже немало сведений о составе атмосферных аэрозолей. Большая часть ионов, имеющиеся в составе атмосферных аэрозолей, имеет как природные, так и антропогенные источники происхождения.
Поведение загрязняющего вещества в атмосфере во многом определяется его фазовым состоянием, способностью растворяться в каплях дождевой и облачной воды, вступать в химические реакции с другими соединениями. Среднее время пребывания в атмосфере антропогенных и природных аэрозолей тесно связано с их физико-химическими свойствами. Время пребывания, как правило, растет с высотой выброса и увеличением дисперсности аэрозольных частиц. Газы с низкой химической активностью (окись и двуокись углерода) имеют среднее время пребывания от месяца до нескольких лет. Для мелкодисперсных аэрозолей, включая сульфаты и нитраты, образующиеся из сернистого газа и окислов азота, время пребывания в нижней тропосфере составляет несколько суток, обычно не более пяти [3]. Крупные частицы могут находиться в нижней тропосфере в основном не более десятков минут. Время пребывания мелкодисперсных аэрозолей в верхней тропосфере составляет до 10–20 дней, а в стратосфере более года.
Типичные расстояния переноса от источников выброса для веществ с небольшим средним временем пребывания в атмосфере (десятки минут и часы) составляют единицы и десятки километров, со средним временем (десятки часов, дни) – сотни и тысячи километров. Для долгоживущих веществ (месяцы и годы) загрязнение приобретает глобальный характер, при котором загрязненные массы воздуха могут многократно огибать земной шар [4, 1].
Существует два основных процесса выведения аэрозолей из атмосферы. Первый – влажное осаждение т.е. захват аэрозолей и газов атмосферными осадками всех видов (дождь, снег, роса, иней, град).
Защиты окружающей среды от загрязняющих веществ может осуществляться в отсутствии атмосферных осадков при контакте молекул газа или аэрозольных частиц с элементами подстилающей поверхности. Этот процесс называют сухим осаждением. Интенсивность сухого осаждения определяется тремя факторами: скоростью турбулентного перемешивания атмосферы, физико-химическими свойствами подстилающей поверхности и физико-химическими свойствами загрязняющего вещества. Здесь определяющими свойствами для аэрозолей являются размер частиц, а для газов – способность к сорбции и хемосорбции.