Чистый воздух – одно из условий существования человечества. Однако на современном этапе воздушная среда планеты сильно загрязнена. Особенно остро стоит проблема загрязнения воздуха в крупных городах и промышленных центрах. Более чем в 200 городах России, где проживает 63 млн. человек (42 % населения страны), среднегодовые концентрации загрязняющих веществ в воздухе превышают ПДК. Основным загрязнителем воздуха в мегаполисах (в Москве, в Санкт-Петербурге, в Новосибирске) является автотранспорт. На его долю приходится 70–90 % выбросов (от общего числа выбросов в атмосферу). ХХ век стал временем торжества автомобильного транспорта. Он прочно занял первое место как по перевозкам грузов, так и по перевозкам пассажиров. Численность мирового парка автомобилей превышает 600 млн. Если существующие на настоящий момент темпы роста числа автомобилей в мире сохранятся, то к 2025 г. на дорогах будет более 1 млрд. автомобилей.
С ростом городского автопарка будет происходить и увеличение объемов выброса загрязняющих веществ в атмосферу. Ведь при работе двигателя внутреннего сгорания автомобиль выбрасывает в окружающую среду более 200 веществ: угарный газ (СО), углекислый газ (СО2), оксиды азота NOх (смесь оксидов NO и NO2), оксид серы (SO2), несгоревшие углеводороды (СхНy), тяжелые металлы (свинец, кадмий и др.), канцерогенные вещества (бенз(а)пирен, формальдегид) и т. д. Почти все эти вещества опасны для здоровья людей.
Степень загрязнения воздуха повышается с ростом числа машин. Поэтому на загруженных автомагистралях экологическая обстановка достигает критического уровня. Например, в Москве на Ленинском проспекте наблюдается превышение ПДК выхлопных газов в 16 раз. В Новосибирске на отдельных «средненапряженных» городских магистралях, как показали исследования, в воздухе присутствуют СО, NОх, формальдегид в концентрациях, превышающих допустимые в 1,2–10 и более раз. Следует помнить, что особенно велики концентрации вредных веществ в приземном (до 1 м) слое воздуха, т. е. на уровне выхлопных труб автомобилей. Поэтому не следует гулять с маленькими детьми и собаками вблизи автомагистралей.
Рост числа автомобилей сопровождается всплеском ряда болезней у людей. В первую очередь увеличивается число горожан, больных бронхиальной астмой, хроническим бронхитом, плевритом. Наблюдения показывают, что в домах, расположенных рядом с автодорогой (до 10 м), жители болеют раком в 3–4 раза чаще, чем в домах, удаленных от автомагистрали (до 50 м). В мегаполисах при большом скоплении автомобилей и неблагоприятных метеорологических условиях загрязненные воздушные массы могут застаиваться над городом, образуя смог (от англ. smoke – дым и fog – туман).
Существует несколько способов снижения негативного влияния автотранспорта на природную среду. Значительно улучшают ситуацию нейтрализаторы, устанавливаемые на выхлопные трубы машин. В отдельных регионах России запрещено использование этилированного бензина. В городах растет число автомобилей, работающих на газе. При его использовании количество вредных выбросов снижается в несколько раз. Конструируются различные виды электроавтомобилей и двигателей, работающих на водородном топливе. Строительство транспортных развязок – тоннелей и эстакад также уменьшает уровень загрязнения магистралей выхлопными газами. Это позволит избежать длительных остановок транспорта.
Задание для самостоятельной работы:
Оценить расчетным способом количество вредных веществ, поступающих в атмосферу от автотранспорта, а также выяснить эффективность использования каталитического нейтрализатора. Работу можно выполнять в группах до 3 человек.
Порядок выполнения работы:
Получение исходных данных:
1. Выбрать участок автотрассы длиной 0,5–1 км, имеющий хороший обзор (можно наблюдение проводить из окна). Обязательно в отчете указать место проведения исследования и вставить его фотографию.
2. Измерить шагами длину участка (l, км), предварительно определив среднюю длину своего шага.
3. Определите количество единиц автотранспорта, проходящего по участку в течение 20 минут (количество единиц автотранспорта за 1 час рассчитывают, умножая на 3).
4. Рассчитайте общий путь (L, км), который прошли все автомобили каждого типа за 1 час по следующей формуле:
Li = Ni × l,
где Ni – количество автомобилей каждого типа за 1 час;
i – обозначение типа автотранспорта;
l – длина участка, км.
Полученный результат занесите в таблицу 1:
Таблица 1
5. Рассчитайте для каждого типа автотранспорта количество топлива (Qi, л), которое сжигается двигателями автомашин по формуле:
Qi = Li × Yi,
где Li – общий путь за 1 час;
i – обозначение типа автотранспорта;
Yi – удельный расход топлива (л) на 1 км (значения взять из соответствующей таблицы).
Определите общее количество сожженого топлива (в литрах) каждого вида (Σ Q бензин, Σ Q диз.топл.). Результаты занесите в таблицу 2.
Таблица 2
6. Рассчитайте количество вредных веществ (в литрах), поступивших в атмосферу в результате сгорания каждого вида топлива и в сумме от бензина и дизельного топлива. Для этого воспользуйтесь вспомогательной таблицей и умножьте полученные данные Σ Q бензин или Σ Q диз. топл. на эмпирический коэффициент. Полученные результаты занесите в таблицу 3.
Таблица 3.
7. Перейдите по всем выхлопным газам от количества (в литрах) к массе (в граммах) по формуле:
m = V × M / 22,4,
где m – масса выделившегося вредного вещества в атмосферу,
V – объем выделившегося вредного вещества в атмосферу, л;
М – молярная масса вредного вещества, г/моль (значения взять из табл. 5.8).
8. Рассчитайте количество чистого воздуха (м3), необходимое для разбавления выделившихся вредных веществ для обеспечения санитарно-допустимых условий окружающей среды по формуле:
V чист. возд. = m / ПДК,
где m – масса выделившегося вредного вещества в атмосферу, перевести граммы в милиграммы;
ПДК – предельно допустимая концентрация вредного вещества, мг/м3 (значения приведены в соответствующей таблице)
9. Произведите расчет эффективности установки на выхлопные трубы автомобилей каталитического нейтрализатора. Для этого умножьте показания, полученные без использования нейтрализатора, на коэффициент эффективности (Кэ). Значения Кэ по всем вредным веществам приведены в соответствующей таблице. Результаты занесите в таблицу 4.
Таблица 4
8. Сделайте вывод об экологической обстановке выбранного вами участка автомагистрали (обязательно укажите название улицы, район, время суток).
Оцените масштабы загрязнения атмосферного воздуха автотранспортом на исследованном участке. Для этого сравните с другими результатами, полученными в вашей группе.