Ochrona powietrza

Wykład dla Studentów studiów stacjonarnych

kierunku Inżynieria Środowiska. cz.2

Budowa i skład atmosfery

Budowa i skład atmosfery

Widok ze statku kosmicznego

Budowa i skład atmosfery

Ziemia „widziana z góry”

Budowa i skład atmosfery

gaz

Symbol

%

objętości

Po co ?

Azot

N

2

78,08

biosfera

Tlen

O

2

21

oddychanie

Argon

Ar

0,9

Gaz

nieaktywny/

nieistotny

Gazy stałe

Budowa i skład atmosfery

gaz

Symbol

% objętości

Po co ?

Para wodna

H

2

O

0-4

Transport ciep

ła, gaz cieplarniany,

uczestniczy w tworzeniu ró

żnych

zjawisk (chmury)

Dwutlenek

w

ęgla

CO

2

0,036

Gaz cieplarniany, biosfera

(fotosynteza)

metan

CH

4

0,00017

Gaz cieplarniany, bardziej wydajny

ni

ż CO

2

2

Tlenek azotu

N

2

O

0,00003

Gaz cieplarniany

Ozon

O

3

0,000004

Warstwa ozonowa, poch

łania UV

Cząstki stałe
(pyły, sadze)

aorozole

-

0,000001

Bud

żet energii, tworzenie chmur

Gazy zmienne

Budowa i skład atmosfery

Powstawanie atmosfery

Budowa i skład atmosfery

Powstawanie atmosfery

Budowa i skład atmosfery

Gazy zmienne – CO

2

Budowa i skład atmosfery

Gazy zmienne – CO

2

Budowa i skład atmosfery

Gazy zmienne – O

3

Budowa i skład atmosfery

Gazy zmienne – O

3

Budowa i skład atmosfery

atmosfera

Jeszcze o „podziale” atmosfery

Warstwy atmosfery

Troposfera - jest najniższą i najcieńszą warstwą atmosfery, stanowi ok. 80% jej całkowitej masy.
Górna jej granica zmienia się w zależności od pory roku i od szerokości geograficznej. Nad
biegunami sięga ona do 7 km w zimie i do 9 km w lecie. W umiarkowanych szerokościach
geograficznych od 10 km w zimie do 13 km w lecie. Nad równikiem zasięg troposfery waha się
od 15 do 18 km przez cały rok. Zróżnicowana grubość troposfery wynika z różnic nagrzewania
się obszarów leżących na różnych szerokościach geograficznych oraz różnej wartości siły
odśrodkowej działającej na cząsteczki powietrza.

Charakterystyczną cechą tej warstwy jest ciągły spadek temperatury wraz ze wzrostem
wysokości, przeciętnie 0,6°C na 100 m. Na granicy z tropopauzą temperatura nad obszarem
zwrotnikowym waha się od -70°C do -80°C, natomiast nad biegunami od -70°C zimą do -45°C
latem. Ciśnienie atmosferyczne maleje wraz ze wzrostem wysokości od około 1000 hPa na
poziomie morza do około 200 hPa na granicy z tropopauzą.

W troposferze zachodzą częste turbulencje powietrza oraz najważniejsze procesy kształtujące
pogodę i klimat na Ziemi. Prowadzi się w niej badania meteorologiczne i klimatologiczne.

Tropopauza – izotermiczna warstwa atmosfery ziemskiej o grubości ok. 1 – 2 km, tworząca
strefę przejściową między troposferą a stratosferą. Nad biegunami rozciąga się na wysokości od
ok. 6-8 km, w szerokościach umiarkowanych do 10-12 km, a nad równikiem podnosi się do 15-
17 km. Jej położenie zależy również od pory roku - latem znajduje się wyżej. Temperatura w
warstwie tej sięga do - 55°C

Warstwy atmosfery

Stratosfera - druga od dołu warstwa atmosfery ziemskiej, położona nad troposferą, a
pod mezosferą.
Zaczyna się od wysokości ok. 15-20 km nad powierzchnią Ziemi, a kończy na
wysokości ok. 45-55 km. W dolnej części stratosfery panuje prawie stała temperatura
powietrza, począwszy od wysokości 30-50 km temperatura ROŚNIE wraz ze wzrostem
wysokości. Temperatura w górnej części wzrasta do 0 stopni Celsjusza. W niej znajduje
się warstwa ozonowa, która odpowiada za filtrowanie promieni ultrafioletowych
docierających do Ziemi ze Słońca. Stratosfera skupia około 21% masy powietrza.
Występują w niej chmury iryzujące (perłowe).

Stratopauza - warstwa przejściowa pomiędzy stratosferą i mezosferą, znajdująca się na
wysokości około 50 km nad powierzchnią Ziemi.Temperatura w tej warstwie to ok. 0
stopni.

Warstwy atmosfery

Mezosfera – warstwa atmosfery ziemskiej znajdująca się na wysokości od 45-50 km do
80-85 km między stratosferą, a mezopauzą, w której temperatura powietrza maleje wraz
ze wzrostem wysokości (od ok. 0°C do ok. –70°C). W pobliżu jej górnej granicy
czasami w nocy można zaobserwować tzw. "obłoki świecące", inaczej "obłoki
srebrzyste". Ciśnienie poniżej 1 hPa. W mezosferze gaz jest bardzo rozrzedzony, ale
silnie nagrzany przez docierające tu bez większych przeszkód promieniowanie
słoneczne.

Mezopauza to cienka izotermiczna warstwa atmosfery ziemskiej znajdująca się na
wysokości 80–90 km oddzielająca mezosferę od leżącej wyżej termosfery. W
mezopauzie temperatura powietrza wynosi około −100°C a ciśnienie około 5 hPa.

Warstwy atmosfery

Termosfera - warstwa atmosfery ziemskiej zaczynająca się na wysokości ok. 85 km nad
powierzchnią Ziemi i sięgająca do ok. 500-600 km. Termosfera położona jest nad
mezosferą i pod egzosferą.
W termosferze temperatura wzrasta wraz z wysokością do 1500-2000 K w górnej
granicy

wskutek

pochłaniania

nadfioletowej

części

widma

promieniowania

słonecznego. Głównym składnikiem termosfery jest tlen atomowy. W tej warstwie
występują zorze polarne.
W termosferze część cząsteczek gazu jest zjonizowana. Warstwie zjonizowanego gazu
nadano nazwę jonosfery, która odbija oraz pochłania fale radiowe.

Jonosfera - zjonizowana warstwa atmosfery występująca powyżej 50-60 km nad
powierzchnią Ziemi (do wysokości 1000 km) w termosferze.

Zawiera duże ilości plazmy powstającej na skutek jonizacji cząsteczek gazów obecnych
w atmosferze pod wpływem promieniowania kosmicznego oraz nadfioletowego
promieniowania

słonecznego.

W

jonosferze

następuje

załamywanie,

odbijanie,

pochłanianie i polaryzacja fal radiowych. Zaburzenia w jonosferze wywołują zakłócenia
w łączności radiowej.

Warstwy atmosfery

Egzosfera - zewnętrzna warstwa atmosfery Ziemi. Egzosfera zwana jest inaczej sferą
rozpraszania, sferą dyssypacji. Dolna granica egzosfery rozpoczyna się powyżej 600
km, natomiast jej zewnętrzna, górna granica jest określona na około 2 tysięcy km.
Powyżej tej wysokości rozpoczyna się otwarta przestrzeń kosmiczna. Temperatura w
egzosferze zbliżona jest do ok. -270°C.
Gazy tworzące egzosferę są bardzo rozrzedzone, ich pojedyncze cząsteczki poruszają
się z dużymi prędkościami nie zderzając się ze sobą. Skutkiem tego jest uwalnianie się
pojedynczych cząstek (szczególnie wodoru i helu) i ich ucieczka w przestrzeń
międzyplanetarną.

Budowa i skład atmosfery – zanieczyszczenia (powietrza)

ZANIECZYSZCZENIA POWIETRZA:

-

gazy, ciecze i cia

ła stałe obecne w powietrzu, nie

b

ędące jego naturalnymi składnikami, lub też substancje

wyst

ępujące w ilościach wyraźnie zwiększonych w porównaniu

z naturalnym sk

ładem powietrza

rodzaje z

Rodzaje zanieczyszczeń powietrza

gazy i pary

zwi

ązków

chemicznych

cz

ąstki stałe

nieorganiczne

i organiczne

mikroorganizmy

- wirusy, bakterie

i grzyby

kropelki

cieczy

klasyfikacja z

Klasyfikacja zanieczyszczeń powietrza ze względu na:

-

rodzaj działalności będącej przyczyną emisji zanieczyszczeń,

czyli zanieczyszczenia spowodowane działalnością samej przyrody
(naturalne, biogenne, np. wybuchy wulkanów) bądź też związane z
różnymi aspektami działalności człowieka (sztuczne, antropogenne),

-

rodzaj emitora - emitory punktowe, liniowe, powierzchniowe

oraz objętościowe; można również mówić o emitorach stacjonarnych oraz
emitorach ruchomych, jak np. silniki pojazdów mechanicznych, statków,
samolotów,

-

typ emisji zanieczyszczeń czyli; emisja zorganizowana bądź też

emisja niezorganizowana

klasyfikacja z

Klasyfikacja zanieczyszczeń powietrza ze względu na

(cd..):

-

stan skupienia emitowanych zanieczyszczeń; pyły aerozole oraz

zanieczyszczenia gazowe,

-

pochodzenie zanieczyszczeń jeśli chodzi o miejsce emisji

(zanieczyszczenia własne oraz zanieczyszczenia transgraniczne ),

-

sposób w jaki dane zanieczyszczenie znalazło się w atmosferze

tj.;

zanieczyszczenia

pierwotne

(wyemitowane

bezpośrednio

do

atmosfery z poszczególnych źródeł), zanieczyszczenia wtórne (powstają
w atmosferze na skutek reakcji między określonymi stałymi składnikami
atmosfery; często omawiane są łącznie z tzw. efektami wtórnymi).

charakterystyka zanieczyszczeń

Charakterystyka związków chemicznych (zanieczyszczeń)

Zanieczyszczenia gazowe (pierwotne...i potem wtórne)

Związki siarki - Ditlenek siarki

jest bezbarwnym, silnie toksycznym

gazem o dusz

ącym zapachu. Wolno

rozprzestrzenia si

ę w atmosferze ze

wzgl

ędu na duży ciężar właściwy (2,93

kg/m

3

, g

ęstość względna 2,26).

Powstaje m. in. w wyniku spalania

zanieczyszczonych siark

ą paliw stałych i

p

łynnych (np. węgla, ropy naftowej) w

silnikach spalinowych, w

elektrociep

łowniach, elektrowniach

cieplnych. Najwi

ększy udział w emisji SO

2

ma przemys

ł paliwowo-energetyczny.

Opalana w

ęglem elektrownia o mocy 1000

MW emituje do atmosfery w ci

ągu roku

140 000 ton siarki, g

łównie w postaci SO

2

.

Dwutlenek siarki utrzymuje si

ę w

powietrzu przez 2-4 dni i w tym czasie

mo

że si przemieścić na bardzo duże

odleg

łości. W powietrzu SO

2

, utlenia si

ę

do SO

3

, a ten z kolei

łatwo reaguje z wodą

( z par

ą wodną zawartą w powietrzu)

tworz

ąc kwas siarkowy - H

2

SO

4

, jeden ze

sk

ładników kwaśnych deszczów.

SO

2

+ 1/2 O

2

=> SO

3

+H

2

O+ H

2

SO

4

charakterystyka zanieczyszczeń

Charakterystyka związków chemicznych (zanieczyszczeń)

Zanieczyszczenia gazowe (pierwotne...i potem wtórne)

Związki azotu - Tlenki azotu

W atmosferze wyst

ępuje wiele związków

azotu: tlenek azotu (NO), dwutlenek azotu

(NO

2

), podtlenek azotu (N

2

O), nadtlenek

azotu (NO

3

), trójtlenek azotu (N

2

O

3

,

pi

ęciotlenek azotu (N

2

O

5

), amoniak (NH

3

)

oraz kwasy: azotawy (HNO

2

i azotowy

(HNO

3

).

Wiele z nich, g

łównie tlenki azotu,

to naturalne sk

ładniki atmosfery, tworzące

si

ę w efekcie np. wybuchów wulkanów. W

niewielkich ilo

ściach nie są substancjami

toksycznymi, jednak ich nadmiar

powstaj

ący podczas procesów

produkcyjnych (obróbka wysokotermiczna,

komory paleniskowe elektrowni) oraz w

silnikach spalinowych powoduje,

że stają

si

ę one niebezpiecznymi

zanieczyszczeniami atmosfery.

W

szczególno

ści groźne są bezbarwny i

bezwonny tlenek azotu oraz brunatny o

dusz

ącej woni dwutlenek azotu. Mogą się

one kolejno utlenia

ć do pięciotlenku azotu,

który w obecno

ści pary wodnej tworzy

kwas azotowy - HNO

3

, jeden ze sk

ładników

kwa

śnych deszczów.

2NO + H

2

O + O

2

=> HNO

3

+ HNO

2

charakterystyka zanieczyszczeń

Charakterystyka związków chemicznych (zanieczyszczeń)

Zanieczyszczenia gazowe (pierwotne...i potem wtórne)

Związki węgla - Tlenki węgla

CO powstaje w wyniku niezupe

łnego spalania węgla lub jego związków.

G

łównym źródłem tego gazu są:

- spaliny z silników pojazdów mechanicznych, w szczególno

ści benzynowych (70-80%

ogólnej emisji CO);

- przemys

ł metalurgiczny, elektromaszynowy i materiałów budowlanych;

- elektrociep

łownie, elektrownie cieplne;

- koksownie, gazownie;

- paleniska domowe.

Tlenek w

ęgla jest gazem silnie toksycznym. Ze względu na mały ciężar właściwy (1,25

kg/m

3

, g

ęstość względna 0,970) łatwo rozprzestrzenia się w powietrzu atmosferycznym.

Jest szczególnie niebezpieczny, poniewa

ż jest to gaz bez smaku, zapachu, barwy, a więc

zmys

ły ludzkie nie ostrzegają przed nim.

charakterystyka zanieczyszczeń

Charakterystyka związków chemicznych (zanieczyszczeń)

Zanieczyszczenia gazowe (pierwotne...i potem wtórne)

powstaje podczas wszelkich procesów spalania paliw sta

łych, ciekłych i

gazowych, a tak

że w procesie oddychania organizmów żywych. Dwutlenek

w

ęgla w atmosferze nie stanowi bezpośredniej groźby pod warunkiem, że nie

nast

ąpi naruszenie równowagi biologicznej, spowodowane nadmierną jego

emisj

ą do atmosfery. Dwutlenek węgla - oprócz roli naturalnej izolacji

termicznej - spe

łnia w przyrodzie również niezwykle ważną rolę jako materiał do

budowy substancji organicznej ro

ślin.

Związki węgla – Ditlenek węgla

charakterystyka zanieczyszczeń

Charakterystyka związków chemicznych (zanieczyszczeń)

Zanieczyszczenia gazowe (pierwotne...i potem wtórne)

to zwi

ązki chemiczne zbudowane z węgla i wodoru, zawierające w cząsteczce

kilka pier

ścieni aromatycznych. Węglowodory pojawiają się w powietrzu w

wyniku parowania lub spalania paliw, g

łównie węgla, ropy naftowej i

ropopochodnych. Wielopier

ścieniowe węglowodory aromatyczne powstają

tak

że

podczas

palenia

tytoniu.

Jednym

z

bardziej

niebezpiecznych

w

ęglowodorów jest 3,4-benzopiren, będący substancją kancerogenną.

Związki węgla – Węglowodory WWA

pyły

Charakterystyka zanieczyszczeń pyłowych

Pył – mieszanina małych cząstek stałych
zawieszonych w powietrzu – patrz aerozol
atmosferyczny

Bardzo często pod pojęciem pyłów; rozumie
się dwa różne materiały:

- pył atmosferyczny; zwany także aerozolem
atmosferycznym,

-pył

powierzchniowy

(kurz);

materiał

podlegający akumulacji na powierzchni dróg
publicznych,

w

pomieszczeniach

przeznaczonych na pobyt stały ludzi oraz na
stanowiskach pracy.

Pyły powszechnie uznawane są za mało
groźne zanieczyszczenie. W rzeczywistości
jednak

stanowią

poważny

czynnik

chorobotwórczy. W zależności od stopnia ich
rozdrobnienia oddziałują na cały organizm
ludzki; oczy, drogi oddechowe i płuca oraz
skórę.

pyły

Charakterystyka zanieczyszczeń pyłowych

Systematyka pyłów

pochodzenie

naturalne

materiały osadowe,

aerozole morskie,

pożary, wybuchy

wulkanów.

antropogenne

procesy produkcyjne,

procesy spalania

paliw.

uziarnienie

oddziaływanie na organizmy żywe

pył zawieszony TSP

pył drobny PM 10

pył respirabilny PM 2,5

zwłókniające

kwarce,

krzemiany

alergizujące

pyły pochodzenia
naturalnego

drażniące

Apatyty,
fosforyty

toksyczne

związki z
syntez
chemicznych

radioaktywne

aerozole
promieniotwórcze

zdjęcie

czynniki

Czynniki i zjawiska wp

ływające na stan powietrza

CZYNNIKI

meteorologiczne

technologiczne

wiatr
temperatura

wysokość emitora,
wyniesienie gazów
odlotowych, rodzaj
procesu

efektywność
usuwania
zanieczyszczeń

rodzaj
zanieczyszczenia,
warunki
wystąpienia emisji

zjawiska

Czynniki i zjawiska wp

ływające na stan powietrza

ZJAWISKA

czarny smog

powstaje

w

wilgotnym

powietrzu

silnie

zanieczyszczonym

tzw.

gazami

kwa

śnymi,

g

łównie dwutlenkiem siarki (SO

2

) i dwutlenkiem

w

ęgla (CO

2

), oraz py

łem węglowym

.

smog fotochemiczny

tworzy si

ę w czasie silnego nasłonecznienia w

wyniku

fotochemicznych

przemian

wyst

ępujących w dużym stężeniu tlenków azotu,

w

ęglowodorów,

zw

łaszcza

nienasyconych

(alkeny) i innych sk

ładników spalin (głównie

samochodowych).

„kwaśne deszcze”

dwutlenek

siarki

i

tlenek

azotu

tworz

ą w

kontakcie

z

wod

ą silne kwasy: siarkowy i

azotowy.

Dzieje

si

ę

tak,

gdy

tlenki

te

rozpuszczaj

ą

si

ę

w

kropelkach

wody

w

atmosferze. Depozycja mokra i sucha ! pH<5,6

„efekt cieplarniany”

wzrost

średniej temperatury przy powierzchni

Ziemi wywo

łany zmianą bilansu energetycznego

promieniowania

s

łonecznego

poch

łanianego

przez

Ziemi

ę i promieniowania wysyłanego

przez Ziemi

ę.

Sposoby ogranicze

ń emisji zanieczyszczeń do powietrza

sposoby

Ograniczenie emisji zanieczyszcze

ń ze źródeł

antropogenicznych uzyskuje si

ę w wyniku:

wzbogacania paliw, np.

odsiarczanie w

ęgli

energetycznych

zmiany stosowanych

surowców, np. spalania paliw

o wy

ższej jakości w okresie

niekorzystnych warunków

meteorologicznych

hermetyzacji procesów

technologicznych i

oczyszczania gazów

odlotowych

oczyszczania gazów

spalinowych, m.in.

odpylania i

odsiarczania spalin

wykorzystania

niekonwencjonalnych

źródeł energii, np.

energii s

łonecznej,

energii wiatru