Атмосферный воздух и загрязняющие вещества

Ещё со школьной скамьи мы знаем, что атмосферный воздух - это смесь газов, а не индивидуальное вещество (кислород, O₂). И тот факт, что основными компонентами атмосферного воздуха являются кислород и азот (N2) не отменяет того, что помимо них, атмосферный воздух также содержит и другие химические вещества, например, аргон, гелий, водород и другие. Если посмотреть на химический состав осушенного атмосферного воздуха, то мы увидим следующую картину:

В этой таблице для нас одним из интересных веществ, входящих в состав атмосферного воздуха может быть метан (CH₄). В последнее время, про это вещество говорили много и часто, в основном, в связи с "зеленой повесткой" и борьбой с глобальным потеплением, так как метан относится к основным парниковым газам. Вместе с этим, метан также относится и к загрязняющим веществам. Как так получается: одно и то же вещество (метан) входит в состав чистого атмосферного воздуха и, одновременно с этим, его называют загрязняющим веществом? Давайте разбираться. И, прежде всего, рассмотрим определение "загрязняющее вещество".
Вот как определяет загрязняющее вещество федеральный закон "Об охране атмосферного воздуха":

Определения, которые приводятся в законах, обычно тяжело воспринимаются на слух, поэтому разберем его более подробно. Начнем с самого начала:
"Загрязняющее вещество - это химическое вещество или смесь веществ". Например, из школьного курса химии мы знаем, что есть такое вещество, как озон (O₃) - это химическое вещество, которое относится к веществам загрязняющим атмосферный воздух. И для химика, и для эколога - это конкретное химическое вещество. В свою очередь, в экологии выделяются группы веществ, которые объединяются под термином "загрязняющее вещество", хотя по сути - это несколько веществ. Например, можно встретить вот такое загрязняющее вещество "Смесь предельных углеводородов C₁H₄ - C₅H₁₂". Для химика - это именно смесь веществ (метан, этан, пропан, бутан, пентан), а для эколога - это одно загрязняющее вещество, для которого определены четкие критерии его оценки.

"которые поступают в атмосферный воздух, содержатся и (или) образуются в нем". С первая часть этой фразы нам наиболее понятна, например, в состав чистого атмосферного воздуха не входит диоксид серы (SO2) - это загрязняющее вещество поступает в атмосферу, в основном, при сжигании различных видов топлива - угля, дров, бензина и так далее. Далее в определении мы встречаем фразу "содержатся и (или) образуются в нем". Что касается "содержатся", то тут как раз мы возвращаемся к нашему метану - он входит в состав атмосферного воздуха (содержится в нем). А дальше определение можно прочитать двумя способами:

1. содержатся И образуются в нем. Возьмем два вещества: углекислый газ (CO₂) и оксид углерода (CO). Первое вещество - содержится в атмосферном воздухе, пусть и в небольших концентрациях, а второе, в основном, поступает в атмосферу при неполном сгорании топлива. Но, при этом, CO может образоваться в атмосфере в результате фотодиссоциации, то есть в результате распада молекулы углекислого газа (CO2) под действием солнечного ультрафиолета. Таким образом, даже, если исключить все возможные источники загрязнения атмосферы выбросами оксида углерода, то это вещество все равно будет образовываться в атмосфере нашей планеты.
2. содержатся ИЛИ образуются в нем. В атмосферном воздухе происходит масса различных химических реакций, в том числе, и под воздействием солнечного излучения. И нельзя исключать того факта, что в самой атмосфере могут образовываться новые загрязняющие вещества. Как пример, можно привести такое загрязняющее вещество как формальдегид (CH₂O). Это вещество может как выбрасываться в атмосферу какими-либо источниками загрязнения, так и образовываться в атмосфере из других загрязняющих веществ под воздействием солнечного излучения. Такие вещества, которые могут образовываться в атмосфере, ещё называют вторичными загрязняющими веществами или вторичными загрязнителями.

"в количестве и (или) концентрациях, превышающих установленные нормативы". Для каждого загрязняющего вещества, как в Российской Федерации, так и за рубежом устанавливаются свои нормативы - показатели, по которым мы можем судить о воздействии того или иного загрязняющего вещества на окружающую среду и здоровье человека. Об этих нормативах мы поговорим чуть ниже, а пока перейдем к следующему вопросу связанному с загрязняющими веществами - их классификации.

Существует множество классификаций загрязняющих веществ - по механизму образования (первичные и вторичные), по степени распространенности, по агрегатному состоянию (твердые, жидкие, газообразные) и так далее. В Российской Федерации законодательно закреплена классификация загрязняющих веществ по классам опасности. В соответствии с этой классификацией, все загрязняющие вещества подразделяются на 4 класса:

Указанная классификация загрязняющих веществ имеет под собой четкое научное обоснование, а для отнесения того или иного загрязняющего вещества к классу опасности осуществляется на основании целого ряда критериев. Например, используется такой важный критерий, как предельно допустимая концентрация вещества.

Прежде, чем перейти непосредственно к рассмотрению того, что из себя представляет предельно допустимая концентрация, разберемся с тем, как загрязняющее вещество влияет на организм человека. Степень воздействия вещества на организм человека зависит от двух факторов:

1. концентрации вещества в атмосферном воздухе (мг/м³)
2. времени воздействия вещества на организм (секунды, минуты, часы, годы и т.д.)

В общем случае, воздействие любого загрязняющего вещества на организм человека можно представить в виде следующего графика:

Всё пространство на графике под красной линией можно считать областью безопасного воздействия вещества на организм человека. Вещество может находиться в атмосферном воздухе в таких концентрациях и, при этом, мы не будем ощущать его воздействия на свой организм. Например, в атмосфере крупных городов может находиться такое опасное вещество как сероводород. Если его концентрация находится под красной линией на графике, то мы даже не ощущаем, что вдыхаем сероводород. При этом, чем меньше время воздействия, тем бОльшую концентрацию мы можем перенести без каких-либо вредных для себя последствий.

Как только концентрация вещества попадает в область над красной линией на графике, мы начинаем ощущать какое-либо воздействие на свой организм, например, если в течение короткого промежутка времени концентрация сероводорода резко возрастает, то мы можем ощутить неприятный запах, начать кашлять и так далее, то есть начнутся рефлекторные реакции нашего организма на воздействие загрязняющего вещества. При этом, чем больше время воздействия, тем меньшая концентрация вещества потребуется, чтобы оказать на нас пагубное воздействие. Дело в том, что чем дольше мы находимся в загрязненной атмосфере, тем больше шанс, что мы получим какое-либо хроническое заболевание - рефлекторно мы не будем ничего воспринимать, мы будем прекрасно жить, работать, растить детей в такой атмосфере, однако, в итоге, мы получим "букет" хронических заболеваний.

Именно исходя из такого механизма воздействия загрязняющих веществ на организм человека, в Российской Федерации и устанавливаются такие нормативы качества атмосферного воздуха, как предельно допустимые концентрации.

Стоит особо отметить, что ПДК - это норматив. То есть, это некоторое значение (концентрация), которая устанавливается для вещества на основании исследований воздействия этого вещества на организм человека. Предельно допустимые концентрации могут пересматриваться с течением времени, например, при появлении новых методов исследований, однако, чаще всего, норматив ПДК остается неизменным в течение длительного времени.

Что касается "определенного времени осреднения" о котором говориться в определении, то в Российской Федерации время осреднения концентрации может составлять

1. 20-30 минут. Исходя из этого времени осреднения устанавливаются предельно допустимые максимально разовые предельно допустимые концентрации (ПДК_м.р.)
2. 24 часа. Исходя их этого времени осреднения устанавливаются предельно допустимые среднесуточные концентрации (ПДК_с.с.)
3. 1 год. Исходя из этого времени осреднения устанавливаются предельно допустимые среднегодовые концентрации (ПДК_с.г.)

Таким образом, для одного и того же вещества может быть установлено сразу три предельно допустимые концентрации - максимально разовая, среднесуточная и среднегодовая. Визуально, предельно допустимые концентрации для вещества можно представить следующим образом (на примере формальдегида):

В зависимости от степени изученности того или иного вещества, для разных веществ могут устанавливаться не все предельно допустимые концентрации, а например, только максимально разовая или только среднесуточная и так далее. Чтобы узнать, какие ПДК установлены для загрязняющего вещества, необходимо использовать нормативный документ СанПиН 1.2.3685-21 "Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания".

Если для загрязняющего вещества по каким-либо причинам невозможно установить значения предельно допустимых концентраций, то для такого вещества устанавливается ориентировочно безопасный уровень воздействия (ОБУВ). Смысл норматива ОБУВ точно такой же как и у ПДК, однако, в отличие от ПДК, значения ОБУВ должны регулярно присматриваться (раз в три года). Например, достаточно долгое время ОБУВ был установлен для смеси предельных углеводородов C₁H₄ - C₅H₁₂. Однако, на данный момент, для вещества установлены конкретные значения ПДКм.р. (200 мг/м³) и ПДКс.с. (50 мг/м³).

Чаще всего, большинству людей тяжело воспринимать конкретные численные значения концентраций загрязняющего вещества в атмосферном воздухе. Например, если сказать человеку: "концентрация сероводорода в атмосфере города N составляет 0,001 мг/м³", то какой вывод может сделать человек? Первая реакция, если человек впечатлительный - "Опять нас травят!". Хотя, если посмотреть внимательно на нормативы ПДК для сероводорода, то можно увидеть, что такая концентрация ниже, чем ПДКс.с. в 2 раза и в 8 раз ниже, чем ПДКм.р., то есть никакого вредного воздействия на организм человека не оказывается. Но каждый раз заглядывать в СанПин, чтобы проверить значения ПДК конкретного загрязняющего вещества и сделать обоснованный вывод - дело, скорее, для специалистов, а не для абсолютного большинства населения. Да и специалист вряд ли знает весь СанПин наизусть, чтобы быстро оценивать состояние атмосферного воздуха.

В том числе и для более понятного представления результатов различных исследований и измерений концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, в Российской Федерации активно используется такой критерий качества атмосферного воздуха, как доли ПДК, который выражается следующим образом:

где С - это реальная концентрация загрязняющего вещества в атмосферном воздухе, а ПДК - норматив предельно допустимой концентрации для этого вещества. Например, вернемся к примеру с концентрацией сероводорода и рассчитаем критерий , используя значения максимально разовой ПДК (0,008 мг/м³)

Как видите, значение критерия менее 1, следовательно - вредного воздействия на организм человека нет. Если бы концентрация сероводорода превышала значение ПДКм.р. и составляла, например, 0,009 мг/м³ то значение критерия было бы следующим:

Значение критерия больше 1, следовательно, на организм человека будет оказываться вредное воздействие (как минимум, человек может ощущать неприятный запах).

Таким образом, используя выражение концентрации загрязняющего вещества, мы предоставляем данные о загрязнении атмосферного воздуха конкретным веществом в понятном для широкого круга лиц виде. Вместе с этим, для комплексной оценки степени загрязнения атмосферы города или отдельных его районов, а также для возможности сравнения качества воздуха в различных районах, может использоваться другой критерий - индекс загрязнения атмосферного воздуха (ИЗА).

Наибольшее распространение при комплексной оценке загрязнения атмосферного воздуха получил индекс загрязнения атмосферы по пяти приоритетным веществам (ИЗА₅), который определяется по следующей формуле:

где C_i - среднесуточная концентрация i-го вещества; ПДК_с.с. - среднесуточная предельно допустимая концентрация i-го вещества; К_i-безразмерная константа приведения степени вредности вещества к вредности сернистого газа (SO₂).
Константа Ki определяется, исходя из класса опасности вещества и может принимать следующие значения:

Критерий ИЗА₅ активно используется в тех случаях, когда необходимо быстро и наиболее понятно произвести сравнение качества атмосферного воздуха между несколькими районами города или различными городами или же получить информацию о степени загрязнения атмосферы города. Так, ИЗА5 интерпретируется следующим образом:

Неоспоримым преимуществом ИЗА₅ является то, что с помощью него мы можем легко сравнивать качество атмосферного воздуха в различных районах и даже городах Российской Федерации, так как все концентрации веществ в итоге приводятся, через коэффициент ki к единой форме. Таким образом, даже если в сравниваемых городах приоритетными являются разные вещества, ИЗА₅ решает эту проблему.