Твердые частицы - также известные как частицы атмосферных аэрозолей , атмосферные твердые частицы , твердые частицы ( ТЧ ), или взвешенные твердые частицы ( SPM ) - являются микроскопическими частицами из твердого или жидкого вещества взвешенного в воздухе . Термин аэрозоль обычно относится к смеси твердых частиц / воздуха , а не только к твердым частицам. [3] Источники твердых частиц могут быть естественными или антропогенными . [4]Они оказывают воздействие на климат и осадки, которое отрицательно сказывается на здоровье человека , помимо прямого вдыхания.
Типы атмосферных частиц включают взвешенные твердые частицы; грудные и респирабельные частицы; [5] ингаляционная грубые частицы, обозначенный ПМ 10 , которые являются грубыми частицами с диаметром 10 микрометров (мкм) или менее; мелкие частицы, обозначенные PM 2,5 , диаметром 2,5 мкм или менее; [6] сверхмелкозернистые частицы ; и копоть .
IARC и ВОЗ назначают в воздухе частиц , как группа 1 канцероген . [7] Твердые частицы являются наиболее опасной формой загрязнения воздуха [8] из-за их способности проникать глубоко в легкие, кровоток и мозг, вызывая проблемы со здоровьем, включая сердечные приступы , респираторные заболевания и преждевременную смерть . [9] В 2013 году исследование с участием 312 944 человек в девяти европейских странах показало, что не существует безопасного уровня твердых частиц и что при каждом увеличении концентрации PM 10 на 10 мкг / м 3 частота рака легких возрастает на 22% [95% ДИ 1 · 03–1 · 45]. ТЧ 2,5 меньшего размера были особенно смертоносными, поскольку на 5 мкг / м 3 количество рака легких увеличивалось на 18% ([ДИ 95% 0 · 96–1 · 46]), поскольку они могут проникать глубже в легкие. [10] Воздействие ТЧ 2,5 во всем мире привело к 4,1 миллиона смертей от болезней сердца и инсульта, рака легких, хронических заболеваний легких и респираторных инфекций в 2016 году. [11] В целом, твердые частицы в окружающей среде занимают шестое место по значимости среди факторов риска преждевременной смерти. глобально. [12]
Источники атмосферных твердых частиц
Некоторые твердые частицы образуются в естественных условиях из-за вулканов , пыльных бурь , лесных и пастбищных пожаров, живой растительности и морских брызг . В результате деятельности человека, например сжигания ископаемого топлива в транспортных средствах [13], сжигания стерни , электростанций , дорожной пыли , мокрых градирен в системах охлаждения и различных промышленных процессах, также образуются значительные количества твердых частиц. Сжигание угля в развивающихся странах является основным методом отопления домов и энергоснабжения. Поскольку соляные брызги над океанами являются наиболее распространенной формой твердых частиц в атмосфере, антропогенные аэрозоли - созданные в результате деятельности человека - в настоящее время составляют около 10 процентов от общей массы аэрозолей в нашей атмосфере. [14]
Состав
Состав и токсичность аэрозолей, включая частицы, зависят от их источника и химического состава атмосферы и широко варьируются. Выносимая ветром минеральная пыль [15], как правило, состоит из минеральных оксидов и других материалов, выдуваемых из земной коры ; эти частицы поглощают свет . [16] Морская соль [17] считается вторым по величине источником глобального аэрозольного баланса и состоит в основном из хлорида натрия, образующегося из морских брызг; другие составляющие морской соли в атмосфере отражают состав морской воды и, таким образом, включают магний , сульфат , кальций , калий и т. д. Кроме того, аэрозоли морских брызг могут содержать органические соединения, которые влияют на их химический состав.
Некоторые вторичные частицы образуются в результате окисления первичных газов, таких как оксиды серы и азота, в серную кислоту (жидкость) и азотную кислоту (газообразную) или в результате биогенных выбросов. Прекурсоры этих аэрозолей, то есть газы, из которых они происходят, могут иметь антропогенное происхождение (от любого сжигания ископаемого топлива ) и естественное биогенное происхождение. В присутствии аммиака вторичные аэрозоли часто принимают форму солей аммония ; т.е. сульфат аммония и нитрата аммония (оба могут быть сухими или в водном растворе ); в отсутствие аммиака вторичные соединения принимают кислую форму в виде серной кислоты (жидкие аэрозольные капли) и азотной кислоты (атмосферный газ), которые, вероятно, способствуют воздействию твердых частиц на здоровье. [18]
Вторичные аэрозоли сульфатов и нитратов - сильные светорассеиватели . [19] Это происходит главным образом потому, что присутствие сульфата и нитрата вызывает увеличение аэрозолей до размеров, которые эффективно рассеивают свет.
Органические вещества (ОВ), содержащиеся в аэрозолях, могут быть первичными или вторичными, причем последняя часть образуется в результате окисления летучих органических соединений (ЛОС); Органический материал в атмосфере может быть биогенным или антропогенным . Органическое вещество влияет на поле атмосферного излучения как за счет рассеяния, так и за счет поглощения. Предполагается, что некоторые аэрозоли содержат материал, сильно поглощающий свет, и, как считается, вызывают большое положительное радиационное воздействие . Некоторые вторичные органические аэрозоли (SOA), образующиеся в результате сгорания в двигателях внутреннего сгорания, были признаны опасными для здоровья. [20] Было обнаружено, что токсичность твердых частиц варьируется в зависимости от региона и источника, что влияет на химический состав частиц.
Химический состав аэрозоля напрямую влияет на то, как он взаимодействует с солнечным излучением. Химические составляющие аэрозоля изменяют общий показатель преломления . Показатель преломления определяет, сколько света рассеивается и поглощается.
Состав твердых частиц, которые обычно вызывают визуальные эффекты, дымку, состоит из диоксида серы, оксидов азота, оксида углерода, минеральной пыли и органических веществ. Частицы гигроскопичны из-за присутствия серы, а SO 2 превращается в сульфат при высокой влажности и низких температурах. Это приводит к ухудшению видимости и желтому цвету. [21]
Распределение частиц по размерам
Карты в искусственных цветах на карте распределения аэрозольных частиц на этой странице показывают, где ежемесячно находятся естественные аэрозоли, антропогенное загрязнение или их сочетание.
Среди наиболее очевидных закономерностей, которые показывают временные ряды распределения по размерам, является то, что в самых южных широтах планеты почти все аэрозоли имеют большие размеры, но в высоких северных широтах более мелкие аэрозоли очень распространены. Большая часть Южного полушария покрыта океаном, где крупнейшим источником аэрозолей является природная морская соль из высушенных морских брызг. Поскольку земля сконцентрирована в Северном полушарии, количество небольших аэрозолей от пожаров и деятельности человека там больше, чем в Южном полушарии. На суше пятна аэрозолей большого радиуса появляются над пустынями и засушливыми регионами, в первую очередь над пустыней Сахара в Северной Африке и на Аравийском полуострове, где пыльные бури являются обычным явлением. В местах, где обычна антропогенная или естественная пожарная активность (например, пожары, вызванные расчисткой земель в Амазонии с августа по октябрь или вызванные молнией пожары в лесах северной Канады летом в Северном полушарии), преобладают более мелкие аэрозоли. Загрязнение, вызванное деятельностью человека (ископаемое топливо), в значительной степени является причиной чрезмерно освоенных территорий с малыми аэрозолями, таких как восток Соединенных Штатов и Европы, особенно летом. [22] [ нужен лучший источник ]
Спутниковые измерения аэрозолей, называемые оптической толщиной аэрозолей, основаны на том факте, что частицы изменяют способ отражения и поглощения атмосферой видимого и инфракрасного света. Как показано на седьмом изображении на этой странице, оптическая толщина менее 0,1 (бледно-желтый) указывает на кристально чистое небо с максимальной видимостью, тогда как значение 1 (красновато-коричневый) указывает на очень туманные условия. [23] [ нужен лучший источник ]
Процессы осаждения
Как правило, чем меньше и легче частица, тем дольше она остается в воздухе. Более крупные частицы (более 10 микрометров в диаметре) имеют тенденцию оседать на землю под действием силы тяжести в считанные часы, тогда как самые мелкие частицы (менее 1 микрометра) могут оставаться в атмосфере в течение нескольких недель и в основном удаляются с помощью осадков . Больше всего твердых частиц в дизельном топливе находится рядом с источником выбросов. [24] Любая информация относительно DPM и атмосферы, флоры, высоты и расстояния от основных источников полезна для определения воздействия на здоровье.
Технологии управления
Сложная смесь твердых и жидких частиц приводит к образованию твердых частиц, и эти выбросы твердых частиц строго регулируются в большинстве промышленно развитых стран. Из-за экологических проблем в большинстве отраслей промышленности требуется использовать какую-либо систему сбора пыли для контроля выбросов твердых частиц. [25] Эти системы включают инерционные коллекторы ( циклонные сепараторы ), тканевые фильтры (рукавные фильтры) , электростатические фильтры, используемые в лицевых масках, [26] мокрые скрубберы и электростатические пылеуловители .
Циклонные сепараторы полезны для удаления крупных и крупных частиц и часто используются в качестве первой ступени или «предварительной очистки» для других более эффективных коллекторов. Хорошо спроектированные циклонные сепараторы могут быть очень эффективными при удалении даже мелких частиц и могут работать непрерывно, не требуя частых остановок для обслуживания.
В общей промышленности чаще всего используются тканевые фильтры или рукавные фильтры . [27] Они работают, пропуская запыленный воздух через тканевый фильтр в форме мешка, оставляя частицы собираться на внешней поверхности мешка и позволяя теперь чистому воздуху проходить через него, чтобы либо выбрасываться в атмосферу, либо, в некоторых случаях. рециркулирует в объект. Обычные ткани включают полиэстер и стекловолокно, а обычные тканевые покрытия включают ПТФЭ (обычно известный как тефлон). Затем излишки пыли удаляются из мешков и удаляются из коллектора.
Влажные скрубберы пропускают грязный воздух через промывочный раствор (обычно смесь воды и других соединений), позволяя твердым частицам присоединяться к молекулам жидкости. Электростатические фильтры заряжают загрязненный воздух по мере его прохождения. Затем заряженный воздух проходит через большие электростатические пластины, которые притягивают заряженные частицы в воздушном потоке, собирая их и оставляя теперь чистый воздух для выпуска или рециркуляции.
Помимо удаления твердых частиц из источника загрязнения, его также можно очищать на открытом воздухе.
Климатические эффекты
Атмосферные аэрозоли влияют на климат Земли, изменяя количество поступающей солнечной радиации и исходящей земной длинноволновой радиации, сохраняющейся в земной системе. Это происходит через несколько различных механизмов, которые подразделяются на прямые, непрямые [28] [29] и полупрямые аэрозольные эффекты. Воздействие аэрозолей на климат - самый большой источник неопределенности в будущих прогнозах климата. [30] В Третьем докладе об оценке Межправительственной группы экспертов по изменению климата говорится: Хотя радиационное воздействие парниковых газов может быть определено с достаточно высокой степенью точности ... неопределенности, связанные с радиационным воздействием аэрозолей, остаются значительными и зависят от во многом это связано с оценками глобального моделирования, которые трудно проверить в настоящее время . [31]
Радиационные эффекты аэрозолей
