Исследователь Исследователь

Исследователь
  
новости  |  о проекте  |  карта сайта  |  форум  |  подписка на новости
Разделы сайта

Другие материалы
ПРАКТИКА
Версия для печати

Исследование нерастворимых частиц, содержащихся в снеге.


Автор: Чурсин Григорий
Научный руководитель: Шевченко Владимир Петрович

Введение

Поступление вещества из атмосферы играет важную роль в геохимическом балансе. Снежный покров обладает рядом свойств, делающих его удобным индикатором загрязнения не только самих атмосферных осадков, а также последующего загрязнения вод и почв. Изучение частиц, содержащихся в нем, дает возможность измерить поток вещества из атмосферы и изучить состав осаждающегося материала и, таким образом, оценить степень загрязнения атмосферы. Учащиеся биогеохимической специализации Донской гимназии занимаются изучением частиц в снежном покрове Москвы и фоновых районов в течение нескольких лет [Трояновская, 1997; Гуторова, 1999].

Целью данной работы является ознакомление с теоретическими основами исследования частиц, содержащихся в снеге.

Методы исследования

Отбор и предварительная обработка проб

В зависимости от целей исследования пробы снега отбирают тремя способами:

  • Отбор падающего на землю или на лед снега с помощью осадкомеров (чаще конической формы).
  • Отбор свежевыпавшего пушистого снега.
  • Отбор пласта снега, накопившегося на подстилающей поверхности в течение длительных промежутков времени.

Отбор снега первым и вторым способом дает возможность определить потоки твердых частиц из атмосферы (мг/м2/сутки) в конкретный день и изучить их состав. Отбор проб третьим методом позволяет определять суммарные потоки частиц за длительный период времени (например, за зиму) и также изучить состав собранного вещества.

Снег отбирается в чистые полиэтиленовые пакеты и после растапливания фильтруется через предварительно взвешенные ядерные фильтры (размер пор 0,45 мкм) при помощи вакуумного насоса. Ядерные фильтры изготовлены из лавсановой пленки, предварительно облученной пучком ядер в реакторе. При фильтрации измеряется объем отфильтрованной воды. Впоследствии фильтры высушивают и повторно взвешивают на тех же весах (точность до 0,01 мг), после чего рассчитывают концентрацию твердых частиц в мг/л.

Методы анализа

После взвешивания фильтров выполняются микроскопические исследования методами оптической и электронной микроскопии и химический анализ.

Оптическая микроскопия. Качественная оценка состава проб и соотношения частиц различного происхождения в них проводятся методом оптической микроскопии. Часть ядерного фильтра размером примерно 2 × 2 см наклеивают с помощью канадского бальзама на предметное стекло, затем наклеивают покровное стекло и высушивают при комнатной температуре. Приготовленный таким образом препарат называют смер-слайдом. Просмотр смер-слайдов проводится при увеличении до 480 раз под микроскопом МИН-8.

Сканирующая электронная микроскопия.Принцип действия любого сканирующего электронного микроскопа основывается на анализе вторичных электронов, возникающих при взаимодействии электронного зонда с веществом [Гаранин и др., 1987]. При этом при формировании изображения поверхности изучаемого объекта во вторичных электронах используется способ телевизионной развертки посредством сканирования первичного пучка электронов по поверхности образца. Изображение исследуемого объекта получается на экране электронно-лучевой трубки и фиксируется при съемке на фотопленку.

Нейтронно-активационный анализ — метод элементного анализа вещества, основанный на активации ядер атомов и исследовании образовавшихся радиоактивных изотопов [Щулепников, 1988]. Вещество облучают потоком тепловых нейтронов с энергией 0,025 эВ. Затем определяют порядковые номера и массовые числа образовавшихся радионуклидов по их периодам полураспада и энергиям излучения, которые табулированы. Активность образовавшегося радионуклида пропорциональна числу ядер исходного изотопа, участвовавшего в ядерной реакции.

Количественное распределение частиц в снеге

Концентрация нерастворимых частиц в снеге чистых фоновых районов (Арктика, Кенозерский Национальный парк, Тверская область) находится в пределах от 0,5 до 10 мг/л [Трояновская, 1997; Шевченко и др., 1999]. В снеге Москвы концентрация частиц в сравнительно чистых районах составляет от 2 до 20 мг/л, а вблизи дорог, промышленных предприятий, ТЭЦ может достигать 100 мг/л [Трояновская, 1997; Гуторова, 1999].

Состав частиц

Состав нерастворимых частиц в снеге отражает состав аэрозолей [Василенко и др., 1985; Бояркина и др., 1993].

Атмосферный аэрозоль — это совокупность мельчайших частиц или жидких капелек, взвешенных в атмосфере [Бримблкумб, 1988]. Аэрозольные частицы — это частицы, возникшие при диспергировании материала на поверхности Земли: антропогенного, литогенного, терригенного, вулканогенного, биогенного, морского и космогенного происхождения.

Частицы минерального (литогенного) происхождения — это частицы минералов и горных пород. Микроскопические песчинки попадают в атмосферу путем сальтации — процесса, в котором крупные частицы скачкообразно перемещаются вдоль поверхности земли. Но в какой-томомент они отрываются и становятся взвешенными частицами. Оптимальная скорость ветра в таком процессе 0,2 м/с такие частицы не долго пребывают во взвешенном состоянии, так как они обладают большой массой и сильно притягиваются к земле. При ударе о землю они отдают часть энергии более мелким частицам, которые начинают двигаться, то есть, становясь взвешенными, и благодаря своей меньшей массе дольше остаются ими.

Частицы биогенного происхождения — это споры, растительные волокна, микроорганизмы и т. д. Ветер переносит пыльцу, способствуя оплодотворению растений, переносит цисты из мест с неблагоприятными для существования и развития условиями в места с благоприятными.

Частицы антропогенного происхождения — это частицы продуктов промышленности и жизнедеятельности человека. Основным источником таких частиц являются большие предприятия и крупные города. Этими частицами являются мельчайшие кусочки пепла, выбрасываемые с выхлопными газами автомобилей или с дымом предприятий, а также сажа [Van Malderen et al., 1996].

Количество выпадающих из атмосферы твердых частиц определенно связано с уровнем концентрации пыли в атмосфере. Несмотря на систематическое загрязнение воздушной среды, все же сохраняется относительное постоянство состава и чистоты воздуха. Это происходит благодаря самоочищению атмосферы. Дождь и снег промывают атмосферу благодаря своим абсорбционным способностям, удаляя из нее пыль и растворимые в воде вещества. Растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород, который окисляет органические примеси. Ультрафиолетовые лучи солнца убивают микроорганизмы. Однако размах хозяйственной деятельности человека достиг таких размеров, что естественных сил самоочищения стало недостаточно для поддержания чистоты атмосферы.

Частицы вулканогенного происхождения выделяются в больших количествах при извержении вулканов. Такие частицы имеют сравнительно большую массу, но так как при извержении приобретают колоссальный запас энергии, то не только не падают первое время на землю под действием силы тяжести, но и распространяются на огромные расстояния.

Частиц космогенного происхождения в атмосфере очень мало, большая часть — это частицы метеоритов. Обуславливается это тем, что при входе в атмосферу с колоссальной скоростью частицы сгорают.

Антропогенные аэрозоли москвы — источник частиц в снеге

Москва — крупнейший столичный мегаполис. Административный и промышленный центр России, в котором сконцентрировано большое количество промышленных предприятий, автотранспорта и других объектов, негативно воздействующих на воздушный бассейн Москвы [Ушаков и др., 1997].

Повышение концентрации вредных веществ в атмосфере города чаще всего связано с сочетанием приземных инверсий и слабого ветра. Наибольшая повторяемость приземных инверсий отмечается с мая по октябрь при штиле или слабых ветрах северного и восточных направлений и связана с антициклоническим типом погоды. Для оценки загрязнения атмосферы используют критерии качества — предельно допустимые концентрации (ПДК). Данные наблюдений за 1990 — 1994 гг. показывают, что загрязненность Москвы превышает ПДК и продолжает расти. В основном это связанно с ростом количества автотранспорта.

Основными источниками загрязнения атмосферы Москвы являются:

  • Автотранспорт — 83% от суммарных выбросов;
  • Предприятия энергетики — 10%;
  • Предприятия нефтеперерабатывающей промышленности;

Предприятия черной и цветной металлургии, в выбросах которой содержится высокотоксичные вещества — свинец, бензопирен, диоксиды.

Проверки на дорогах Москвы показывают, что доля автомобилей, не соответствующим требованиям ГОСТа по токсичности и дымности выбрасываемых отработанных газов, составляет более 25% от числа проверенных, из которых более 40% приходится на выбросы иногороднего или транзитного транспорта (данные на 1994 г.). Одной из причин загрязнения воздуха, связанной с автотранспортом, является слабо осуществляемый контроль над качеством нефтепродуктов, в том числе моторного топлива. При сгорании бензина и дизельного топлива в воздушную среду попадают капли жидкого горючего. Жидкие углеводы и их жидкие производные в атмосферу из-занеполного сгорания в двигателях бензина и дизельного топлива.

Предприятия в Москве также в значительной степени влияют на состояние атмосферы в районе Москвы. Среди промышленных предприятий, загрязняющих атмосферу, первое место занимает Московский нефтеперерабатывающий завод, работающий на ухтинской нефти с содержанием серы 0,99%, и смеси татарской и западносибирской нефти с содержанием серы 1,3%. Основные вещества, выбрасываемые этим заводом в атмосферу: углеводороды, оксид углерода, сернистый ангидрид, диоксид азота. При сгорании 500 кг угля образуется 35 — 55 кг пепла (при сгорании такого же количества нефти — 1 кг пепла). Санитарно-защитная зона этого завода вместо положенных 1000 м, занимает 250 м. Также наибольший вклад в загрязнение воздушной среды Москвы вносят: ЗИЛ, Московский коксогазовый завод, АЗЛК, завод «Серп и Молот», Шинный, «Каучук»; предприятия «Асфальтобетон», «Изолит», «Кулон», «Ангстрем», «Элма», световой рекламы. Многие вышеперечисленные предприятия и заводы имеют собственные ТЭЦ, литейное и лакокрасочное производство, гальванические цеха. Помимо газообразных выбросов в атмосферу попадает значительное количество мельчайших частиц опасных для здоровья человека тяжелых металлов. Особо плохое состояние воздушной среды в южном, юго-восточном и восточном административных округах.

Наибольший объем выбросов в атмосферу оксидов и пыли (пепла) дают предприятия энергетики. Все они используют основное топливо в виде природного газа, резервное — в виде мазута. Всего в состав АО «Мосэнерго» входят 14 теплоэнергостанций плюс многочисленные коммунально-бытовые котельные и 48 тепловых районных и квартальных станций. Исключением является ТЭЦ — 22, работающая на кузнецком угле. При сжигании угля кроме золы и сажи в атмосферу попадают соединения таких металлов, как кальций (в виде гипса) и железо.

К токсичным веществам относятся различные химические элементы, неорганические и органические соединения, которые, попадая в организм в небольших количествах, принимают участие в биохимических реакциях, происходящих в клетках и тканях, нарушают нормальные обменные процессы и вызывают структурные и функциональные изменения.

Выводы

Ознакомление с литературными источниками, посвященными исследованию твердых частиц, содержащихся в снеге, привело к следующим выводам:

Изучение частиц, содержащихся в снеге, дает возможность измерить поток аэрозольного вещества из атмосферы и изучить состав осаждающегося материала и, таким образом, оценить степень загрязнения атмосферы.

В зависимости от целей исследования, пробы снега отбирают тремя способами: отбор падающего на землю или на лед снега с помощью осадкомеров (чаще конической формы); отбор свежевыпавшего пушистого снега; отбор пласта снега, накопившегося на подстилающей поверхности в течение длительных промежутков времени.

Наиболее важную информацию о составе частиц можно получить, используя оптическую и сканирующую электронную микроскопию, а также различные методы химического анализа (например, нейтронно-активационный анализ).

Основными составными частями твердого вещества в снеге являются:

  • минеральные частицы;
  • биогенные частицы (волокна, пыльца, микроорганизмы);
  • антропогенные частицы (пепел, сажа).

Соотношение вкладов каждого типа частиц зависит от многих факторов (расстояние от источников, погодные условия и т. д.).

Список литературы

  1. Бояркина А. П., Байковский В. В., Васильев Н. В. и др. Аэрозоли в природных планшетах Сибири. Томск: Изд-во ТГУ, 1993, 157 с.
  2. Бримблкумб П. Состав и химия атмосферы. М.: Мир, 1988. 351 с.
  3. Василенко В. Н., Назаров И. М., Фридман Ш. Б. Мониторинг загрязнения снежного покрова. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 181 с.
  4. Гаранин В. К., Кудрявцева Г. П., Посухова Т. В., Сергеева Н. Е. Электронно-зондовые методы изучения минералов. М.: Изд-во Московского университета, 1987. 140 с.
  5. Гуторова Д. Взвешенные частицы в снежном покрове как индикатор степени загрязненности атмосферы. Курсовая работа. М.: ДНТТМ, Донская гимназия. 1999. 15 с.
  6. Трояновская Е. Концентрации и состав взвешенного вещества в атмосферных осадках Москвы. Курсовая работа. М.: ДНТТМ, Донская гимназия, 1997. 12 с.
  7. Ушаков С. А., Комарова Н. Г., Ромина Л. В. Москвоведение. Природа и экология. М.: Изд. отд. УНЦ ДО МГУ. 1997. 206 с.
  8. Шевченко В. П., Лисицын А. П., Полякова Е. И., Детлеф Д., Штайн Р. Исследование частиц, содержащихся в снежном покрове дрейфующих льдов в проливе Фрама. - В кн.: Геология морей и океанов. Т. I. М., 1999. С. 237—238.
  9. Щулепников М. Н. Активационный анализ. — В кн.: Химическая энциклопедия. Т.1. Гл. ред. И. Л. Кнунянц. М.: Советская энциклопедия, 1988. С. 72—73.
  10. Van Malderen H., Van Grieken R., Bufetov N. V., Koutzenogii K. P. Chemical characterization of individual aerosol particles in Central Siberia. — Environmental Science & Technology, 1996. V.30. P.312—321.
на первую страницу | наверх

© 2002-2011 Разработка сервера: Межвузовский "Физтех-центр". Администратор сайта : admin@researcher.ru
При создании сервера использованы АРП-технологии.

Arp.site