Качество воздуха определяется совокупностью физических, химических и
биологических характеристик атмосферы, влияющих на здоровье человека,
функционирование экосистем и устойчивость климатических процессов. В
физике окружающей среды особое внимание уделяется исследованию
физических параметров, которые позволяют количественно описывать уровень
загрязнения и динамику его изменения.
Основные загрязнители
атмосферы
Газообразные примеси:
- Диоксид серы (SO₂) — продукт сгорания ископаемого топлива. Обладает
высокой растворимостью в воде, образует сернистую кислоту, являясь
источником кислотных дождей.
- Оксиды азота (NO, NO₂) — возникают при высокотемпературном сжигании
топлива. NO₂ активно поглощает свет в видимой области спектра, участвует
в фотохимических реакциях, формируя смог.
- Озон (O₃) в тропосфере — вторичный загрязнитель, образующийся под
действием солнечного излучения на оксиды азота и органические
соединения.
- Углекислый газ (CO₂) и метан (CH₄) — парниковые газы, определяющие
тепловой баланс планеты.
Аэрозольные примеси (частицы):
- Твёрдые частицы PM₁₀ и PM₂.₅ — взвешенные в воздухе фракции пыли,
сажи, сульфатов и органических соединений. Их физический эффект
заключается в рассеянии и поглощении солнечного излучения, что изменяет
прозрачность атмосферы.
- Токсичные металлы (ртуть, свинец, кадмий) в составе пыли оказывают
кумулятивное воздействие на биосистемы.
Физические методы
измерения концентраций
1. Оптические методы
- Фотометрия основана на поглощении света
газами-загрязнителями. Для NO₂ используется поглощение в области 400–450
нм, для O₃ — в ультрафиолете.
- Лазерная спектроскопия (LIDAR) применяется для
зондирования атмосферы: лазерный импульс рассеивается на аэрозолях и
молекулах газа, что позволяет строить вертикальные профили
концентраций.
- Нефелометрия измеряет интенсивность рассеянного
света аэрозолями, что связано с их размером и концентрацией.
2. Электрохимические методы Специальные сенсоры
фиксируют ток, возникающий при окислительно-восстановительных реакциях
на электродах, что пропорционально концентрации газа (например, CO или
O₃).
3. Массовые методы
- Гравиметрия аэрозолей: фильтрация воздуха через
пористую мембрану и последующее взвешивание фильтра.
- Кварцевые микровесы: изменение резонансной частоты
кварцевого кристалла при осаждении частиц на его поверхность.
Атмосферная динамика
и перенос загрязнений
Качество воздуха зависит не только от источников выбросов, но и от
физических процессов переноса примесей:
- Диффузия — молекулярное перемешивание газов,
эффективное лишь на малых масштабах.
- Турбулентный перенос — доминирующий механизм
рассеивания загрязнителей в нижней тропосфере, описывается уравнением
адвекции-диффузии.
- Конвекция — вертикальное перемещение масс воздуха,
приводящее к разбавлению примесей в слоях атмосферы.
- Метеорологические условия: температура, влажность и
скорость ветра определяют степень разбавления загрязняющих веществ.
Особенно важна температурная инверсия, когда тёплый воздух удерживает
загрязнения у поверхности земли.
Радиационные эффекты
загрязнителей
- Парниковый эффект: газы с асимметричными
колебаниями молекул (CO₂, CH₄, N₂O) поглощают инфракрасное излучение
Земли, задерживая тепло в атмосфере.
- Аэрозольное рассеяние: мелкие частицы рассеивают
коротковолновое излучение, снижая количество солнечного тепла у
поверхности.
- Абсорбция аэрозолями (например, чёрным углеродом)
усиливает нагрев атмосферы и изменяет циркуляцию воздушных масс.
Моделирование качества
воздуха
Для прогнозирования распределения загрязняющих веществ используются
математические модели, основанные на физических уравнениях:
- Гауссовская модель шлейфа — простая аппроксимация,
учитывающая скорость ветра, высоту источника и коэффициенты турбулентной
диффузии.
- Модели численной метеорологии (например, WRF-Chem)
— учитывают трёхмерные поля температуры, давления, влажности и
химических реакций.
- Химико-транспортные модели — описывают
преобразование примесей под действием солнечного излучения и их
взаимодействие в атмосфере.
Физика санитарных нормативов
Система оценки качества воздуха основана на предельно допустимых
концентрациях (ПДК), которые рассчитываются исходя из:
- физико-химических свойств вещества,
- характера воздействия на организм,
- среднесуточной и среднечасовой экспозиции.
Для PM₂.₅ и PM₁₀ стандарты задаются в массе на кубический метр
воздуха, для газов — в ppm или мг/м³.
Современные
физические технологии мониторинга
- Спутниковая спектроскопия (например, приборы OMI,
TROPOMI) фиксирует поглощение солнечного излучения в атмосфере Земли,
предоставляя глобальные карты концентраций NO₂, SO₂, O₃ и
аэрозолей.
- Наземные станции наблюдения обеспечивают
высокоточную калибровку данных, используя оптические и электрохимические
методы.
- Мобильные лаборатории и дроны позволяют измерять
концентрации в локальных районах с высоким пространственным
разрешением.