Система глобального фонового мониторинга и фоновое загрязнение окружающей среды

 

 

 

 

Глава 4. Методы фонового мониторинга

Методы фонового мониторинга обычно подразделяют на прямые и косвенные. Прямые методы заключаются в отборе проб среды и аналитическом определении в них конкретных загрязняющих веществ. Косвенные методы основаны на измерении неспецифических свойств среды, сравнении данных определенным образом подобранных фоновых станций, расчете переноса загрязняющих веществ и т.п.

Фоновые концентрации загрязнителей во многих случаях существенно ниже пределов их обнаружения современными аналитическими методами. Поэтому возникает необходимость отбирать очень большие пробы (до сотен кубометров или литров), проводить концентрирование определяемого загрязнителя и отделение его от мешающих анализу примесей, а при работе с почвами и биотой - и от матрицы. Особое внимание должно уделяться устранению возможности либо строгому учету внесения изучаемого загрязняющего вещества при отборе и транспортировке пробы, а также с реактивами, которые используются в анализе.

А теперь остановимся на некоторых вопросах анализа ряда конкретных загрязнителей.

Озон. Наиболее перспективен спектрофотометрический метод, основанный на поглощении озоном УФ - излучения при длинах волн 250-280 нм. Второй инструментальный метод - хемилюминесцентный. Возможно также применение классических йодометрического и бромметрического методов.

Диоксид серы. Широко используется традиционный химический метод Веста - Гейке, основанный на измерении интенсивности окраски, получающейся при взаимодействии диоксида серы с динатрийтетрахлормеркуратом в присутствии кислого парарозалина и формальдегида. Определению мешает диоксид азота. Из инструментальных методов используют кулонометрию, флуоресцентную спектроскопию, пламенную фотометрию. На этих методах основаны и современные автоматические газоанализаторы.

Оксиды азота. Определяются суммарно или раздельно. Хемилюминесцентный метод основан на измерении излучения в видимой области, возникавшего при взаимодействии оксида азота (II) с озоном. Для определения оксида азота (IV) его предварительно переводят в оксид азота (II). Химический метод Зальцмана сводится к фотометрическому определению нитрит - ионов, образующихся при пропускании воздуха через реактив Зальцмана. Мешающее влияние диоксида серы устраняется добавкой перекиси водорода.

Тяжелые металлы. При анализе различных сред тяжелые металлы обычно концентрируют методами жидкостной экстракции, сорбции на неорганических или органических сорбентах, с помощью других специальных приемов (например, ртуть накапливается в амальгаматоре - кварцевой трубке, наполненной посеребренными стеклянными шариками).

 Для  количественного определения используют  нейтронную активацию, атомно-абсорбционную  спектрофотомерию, эмиссионную спектрофотомерию, рентгено-флюоресцентный анализ и другие инструментальные методы. В связи с широким перечнем тяжелых металлов, требующих определения в объектах окружающей среды, не представляется возможным останавливаться здесь на каждом из них.

3,4 - бенз(а)пирен, другие ПАУ. Из природных объектов они обычно экстрагируются органическими растворителями при комнатной либо повышенной температуре, оба эти варианта имеют как свои преимущества, так и недостатки. Затем может потребоваться очистка адсорбцией в тонком слое или другим методом. Для аналитического определения используются инструментальные методы: газовая хроматография, жидкостная хроматография с разными детекторами, люминесцентная спектроскопия при комнатной температуре или температуре жидкого азота и др.

Хлорорганические пестициды. Концентрируются и очищаются экстракцией при комнатной температуре. Наиболее перспективным методом определения является газо-жидкостная хроматография. Заслуживают также внимания, разрабатываемые в последние десятилетия иммунохимические методы.

Диоксины. В настоящее время систематически при проведении фонового мониторинга диоксины не определяются. Их фоновые концентрации в воздухе и воде могут быть на уровне десятых долей пикограмм на кубометр или литр соответственно. Из разных природных сред диоксины концентрируются экстракцией диметилсульфоксидом, дополнительно очищаются сорбцией на оксидах кремния и алюминия. Определение проводится хромато-масс-спектрометрическим методом. Из-за низких концентраций определяемого вещества этот анализ является очень сложным и трудоемким, поэтому стоимость одного определения может составлять до 3000 долларов.

Рассмотрим некоторые косвенные методы фонового мониторинга.

Метод, основанный на измерении ослабления солнечной радиации. Ослабление солнечной радиации определяется при длине волны 0,5 мкм и выражается через коэффициент мутности Шюппа (В), непосредственно измеряемый приборами. По данным наблюдений в 1972 г. в Северной Америке В = 0,125, в Евразии В = 0,136, в СССР В = 0,104, в Англии, Ирландии, на Тайване и Филиппинах В = 0,138, в горной местности на высоте 1000 м над уровнем моря В = 0,052 (во всех случаях приведены средние значения коэффициента В по соответствующей территории). В то же время в СССР на региональных фоновых станциях коэффициент Шюппа лежал в пределах 0,02 - 0,17, а на Кавказе - 0,01 - 0,04. Величина В характеризует среднюю фоновую загрязненность атмосферного воздуха.

Метод парных станций. Этот метод позволяет изучать влияние урбанизированных районов на региональный уровень фонового загрязнения атмосферы. Он заключается в проведении параллельных измерений конкретных загрязнителей в крупном городе и на региональной фоновой станции, расположенной в небольшом городе (или вблизи от него), удаленном от первого на 100 - 200 км и не имеющем мощных источников промышленных выбросов в атмосферу. «Разность» определенных величин загрязненности - локальная составляющая фонового загрязнения воздуха, обусловленная влиянием близлежащего крупного города. Подобные исследования были проведены, например, в сентябре 1979 г. в Венгрии. Первая станция была расположена в пригороде Будапешта, вторая - в городе Сарваши, находящемся в сельскохозяйственном районе в 160 км от первой. Оказалось, что среднесуточные концентрации оксида азота (IV) в Будапеште всегда выше, чем в Сарваши, однако максимумы и минимумы этих «пилообразных» кривых часто не совпадают по датам, что связано, видимо, с воздействием локальных источников, имеющихся в каждом из двух районов и различающихся по мощности. Изменения же среднесуточных концентраций сульфатов в этих двух районах имеют сходный характер, хотя в отдельные дни концентрации сульфатов в Сарваши были несколько выше, чем в Будапеште. Общее же сходство в этом случае говорит о наличии общего регионального фона по этому соединению, а его большее содержание в воздухе пригорода Будапешта вызвано окислением диоксида серы антропогенного происхождения. Использование метода парных станций позволяет находить районы с минимальным антропогенным воздействием, в которых и целесообразно располагать станции фонового мониторинга.

Оценить фоновый уровень загрязнения можно также на основе расчета дальнего переноса загрязняющих воздух веществ от группы источников с использованием различных моделей.

Из практики известно, что максимальная концентрация серной кислоты достигается на расстоянии 200 - 250 км от группы источников, выбрасывающих диоксид серы, а максимальная концентрация сульфатов - соответственно на расстоянии 600 км. При этом если вблизи источника концентрация диоксида серы примерно равна ПДК, то максимальная концентрация серной кислоты будет составлять около 0,3 ПДК.

Для городов с населением до 250 тыс. человек при отсутствии в них значительных промышленных выбросов, если в них не проводятся регулярные наблюдения за загрязнением атмосферы, значения фоновых концентраций принимаются по диоксиду серы - 0,1 мг/м3, по оксиду азота (IV) - 0,03 мг/м3, по оксиду углерода (II) - 1,5 мг/м3, по пыли - 0,2 мг/м по аналогии с другими подобными городами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 5. Глобальное фоновое загрязнение окружающей среды

Фоновое загрязнение районов, удаленных от мест интенсивной антропогенной деятельности, зависит от их географического положения и постепенно возрастает за счет дальнего атмосферного переноса загрязняющих веществ. Поэтому для изучения тенденций изменения фонового загрязнения необходима информация о его уровнях в среднем в фоновых районах мира.

5.1. Фоновое загрязнение атмосферы

Взвешенные частицы (пыль). По данным 80-х годов XX в.- 5-50 мкг/м3. Наиболее чистые районы - высокогорье, океаны (6,5-12 мкг/м3). Западная Европа - 50 мкг/м3. Европейская часть СССР - в среднем 31 мкг/м3.

Диоксид серы. По данным 80-х годов XX в. в непромышленных районах Земли - от 0,05 до 14 мкг/м3. Западная Европа и Северная Америка - более 4 мкг/м3. Минимальные концентрации (0,05-4 мкг/м3) отмечены над океанами, в Антарктиде, в биосферных заповедниках.

Сульфаты. В воздухе в виде аэрозолей содержится от 0,3 до 10 мкг/м3 (80-е годы). Над океанами в 200-500 км от берега - около 2 мкг/м3. Минимальные концентрации (0,3 мкг/м3) зафиксированы над восточным побережьем Канады, Гренландией, севером Швеции. Для Европы средние концентрации - 5-15 мкг/м3. В растворенном виде в атмосферных осадках в среднем от 1 до 5 мг/л.

Сероводород. В 80-х годах в приземной атмосфере летом в среднем 1-100 мкг/м3.

Оксид азота (IV). Среднесуточные концентрации в 80-х годах 0,1-18 мкг/м3. Концентрации над океанами ниже, чем над континентами.

Озон. Среднесуточные концентрации в фоновых районах изменялись в пределах 4-115 мкг/м3 (80-е годы).

Свинец. По данным 80-х годов - в среднем от 0,05 до 136 нг/м3 в воздухе. В Западной Европе - до 100 нг/м3. В горных районах (более 3000 м над уровнем моря) 2-6 нг/м3 (Европа), 4,6-21 нг/м3 (Северная Америка). В атмосферных осадках - 0,3-40 мкг/л.

Ртуть. По данным 80-х годов содержание аэрозольной ртути в воздухе над континентами составляет 0,02-0,5 нг/м3, на юге Норвегии и в Швейцарии - до 1,3-3,4 нг/м3.

Концентрация газообразной ртути выше аэрозольной и составляет 2-49 нг/м3, в СССР - 5-15 нг/м 3. В атмосферных осадках концентрация ртути - до 0,5 мкг/л.

Кадмий. В воздухе фоновых районов - 0,02-1,6 мг/м3. Максимум - в Западной Европе, минимум - в районе Южного полюса. В СССР - 0,2-0,3 нг/м3. В атмосферных осадках - до 1,2 мкг/л.

Мышьяк. В воздухе (80-е годы) - 0,2-3 нг/м3. Минимум - над океанами. В атмосферных осадках - до 1,6 мкг/л.

3,4 - бенз(а)пирен. В воздухе неурбанизированных районов (80-е годы XX в.) - 0,1-0,5 нг/м3, над территориями национальных парков США -0,01-1,9 нг/м3, в СССР - до 0,8 нг/м3. Над океанами в среднем - 0,01 нг/м3, по мере приближения к портам концентрация 3,4 - без(а)пирена возрастает до 3,5 нг/м3. В атмосферных осадках сельской местности США в среднем содержится 2 нг/л 3,4 - бенз(а)пирена, что характерно и для других сельскохозяйственных районов мира.

Пестициды. Содержание ДДТ и ГХЦГ в воздухе над континентами (80-е годы) составляло 0,5-1 нг/м3. В СССР оно было равно 0,05-1 нг/м3, над океанами - ниже на 2-3 порядка. В атмосферных осадках над континентами содержалось в среднем ДДТ - 0,002-0,2 мкг/л, ГХЦГ - 0,001-0,1 мкг/л.

5.2. Фоновое загрязнение поверхностных  вод, почв и растительности

Содержание загрязняющих веществ, контролируемых в первую очередь в поверхностных водах, почвах и растительности фоновых континентальных районов по мировым данным 80-х годов (Ровинский, 1988) приведено в табл. 5-1. Там же дано содержание этих веществ в атмосфере, не всегда строго совпадающее с соответствующими значениями, приведенными в предыдущем разделе, из-за использования материалов различных публикаций. Однако данные столбцы в табл. 5-1 полезны для сравнения содержания отдельных веществ во всех природных средах.

Фоновое загрязнение почв другими металлами характеризуется следующими величинами (мг/кг): ванадий - 50, кобальт - 10, марганец - 850, медь - 20, молибден - 2, никель - 40, олово -10, хром - 200, цинк - 50.

 

 

 

 

 

 

Таблица 5 – 1

Содержание загрязняющих веществ в природных средах фоновых континентальных районов по мировым данным 80-х годов XX. В. (Ровинский, 1988)

Вещество	Воздух, нг/м3	Атмосферные осадки	Поверхностные воды	Почва	Растительный материал
		мкг/л		мг/кг (сухого вещества)
Свинец	0,2-40	0,03-40	0,3-4	1-70	0,2-50
Кадмий	0,02-1,5	0,01-1,5	0,01-0,9	0,01-2	0,1-1
Мышьяк	0,1-10	0,02-10	0,05-10	0,1-9,6	0,1-1
Ртуть	0,03-50	0,01-0,5	0,01-0,5	0,001-0,5	0,001-0,5
3,4 –  бенз(а)пирен	0,01-0,8	0,001-0,03	0,001-0,005	0,0001-0,1	0,002-0,07
ДДТ	0,01-2	0,01-0,2	0, 001-0,1	0,003-0,1	0,015-0,2
ГХЦГ	0,005-3	0,01-0,04	0,001-0,05	0,001-0,1	0,01-0,15

 

5.3. Фоновое радиоактивное загрязнение

Природный радиационный фон слагается из космического излучения и излучения природных радиоактивных изотопов. Доза, обусловленная космическим излучением, зависит от географического положения местности и ее высоты над уровнем моря. Так, вблизи экватора на уровне моря она доставляет около 35 мрад/год, в Москве, Лондоне, Нью-Йорке - примерно 50 мрад/год, а на высоте 4500 м над уровнем моря - порядка 300 мрад/год.

Из природных радиоактивных изотопов основную долю радиационного фона определяют изотопы урана и тория (и продукты их распада) и изотоп калий-40.

В целом природный радиационный фон на высоте 1 м над уровнем моря составляет 11,7-74 мрад/год, в Москве - 53-131 мрад/год. Однако в ряде регионов Земли за счет повышенного содержания урана и тория в местных горных породах природный радиационный фон может быть много выше, например, во Франции в некоторых районах - до 1,75 рад/год, в Бразилии - до 2,8 рад/год, в Индии - до 0,5 рад/год.

Из антропогенных причин увеличения радиационного фона наиболее опасной следует считать испытания ядерного оружия. В 1963 г. по этой причине фон возрос на 66 мрад/год, т.е. примерно вдвое. Однако после достижения в том же году между основными ядерными державами соглашения о прекращении испытаний в атмосфере, под водой и в космосе эта величина стала падать, и на сегодня она составляет лишь около 1 мрад/год. Нормальная работа АЭС увеличивает фон на 0,02 мрад/год. А вот при прохождении медицинских рентгеновских обследований можно получить до 300 мрад одноразово. Просмотр телепередач (цветных) дает до 0,7 мрад/год. ТЭС, работающая на угле, повышает облучение на 0,5 мрад/год.

На региональном, а иногда и на континентальном уровне (пример Чернобыльская АЭС) резкое возрастание радиационного фона бывает вызвано радиационными катастрофами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 6. Фоновое загрязнение отдельных регионов и стран

Часть информации, относящейся к данному разделу, была приведена ранее в табл. 3-1, 3-3, 3-9, 3-10 и 3-13 при обсуждении факторов, влияющих на формирование фонового загрязнения, и будет использоваться по мере необходимости.

6.1. Фоновое загрязнение в 70-80-х  годах XX века

Средние концентрации взвешенных частиц в атмосфере в 1971-1980 гг. колебались в довольно широких пределах и составили (мкг/м3): в Бельгии 50, в Венгрии - 114, в Чехословакии - 47, в СССР (Березинский БЗ) 31, в Норвегии - 7,8, в Швейцарии (Альпы) - 6,5, в Боливии (5300 м над уровнем моря) - 10, что хорошо согласуется с расположением этих стран  относительно антропогенных источников пыли. Средние концентрации пыли над морскими акваториями были примерно одинаковы (также мкг/м3): Тихий океан - 9, Индийский океан -11, Южно-Китайское море -8 и Средиземное море - 11,5.