Способ определения режимов химического загрязнения атмосферы, способствующих формированию опасных концентраций приземного озона

Изобретение относится к области мониторинга, в частности к мониторингу химически опасных объектов. Способ определения режимов химического загрязнения атмосферы, способствующих формированию опасных концентраций приземного озона, включает определение концентраций опасных веществ. При этом способ заключается в сравнении полученных результатов с предельно допустимыми концентрациями. Причем с целью контроля уровня загрязнения приземного воздуха одновременно измеряются концентрации окислов азота (NO и NO₂), гидроксилов (ОН и НО₂) и углеводородов (СН₄, С₂Н₆, С₂Н₄, С₃Н₈), а также проводятся стандартные метеорологические наблюдения температуры (Т, °С) и влажности воздуха (P_HOx, г/м³). Затем рассчитывают отношение скорости образования озона в цепочке реакций с участием углеводородов к скорости образования озона из окислов азота. Далее, по полученному отношению определяют режим химического загрязнения (азотный, углеводородный или смешанный), существующий в момент измерения в рабочей зоне объекта, и выдается при этом, при необходимости, предупреждение об опасности вероятного превышения предельно допустимых концентраций содержания приземного озона из-за повышенных концентраций азотных составляющих (азотный режим), углеводородных составляющих (углеводородный режим) или как азотных, так и углеводородных составляющих (смешанный режим). Технический результат изобретения - повышение эффективности определения высоких концентраций токсичного загрязнения, формирующегося на урбанизированных территориях в результате химического взаимодействия окислов азота и углеводородов. 1 з.п. ф-лы.

 

Предлагаемое техническое решение относится к области мониторинга, в частности к мониторингу химически опасных объектов.

Известен способ дистанционного обнаружения экологически опасных газов (патент РФ №2158423), используемый для обнаружения и измерения концентрации опасных газов в местах аварийного или несанкционированного их появления. Способ включает последовательное облучение места предполагаемого появления опасных газов лазерным излучением с длиной волны, попадающей в полосу поглощения опасных газов, регистрацию отраженного излучения и формирование видеосигналов. Указанный способ позволяет регистрировать концентрации химически опасных газов, но не позволяет оценивать их совокупное воздействие на экологическую ситуацию с учетом химического взаимодействия между ними.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному способу является способ экологического мониторинга химически опасных объектов (патент РФ №2346302), заключается в определении концентраций опасных веществ в опасных зонах различных объектов, сравнении полученных результатов с предельно-допустимыми значениями, прогнозировании, при необходимости, зону поражения и заражающего действия. При угрожающем прогнозируемом развитии подключают дополнительные технические средства для принятия решения о чрезвычайной ситуации. Причем постоянные посты контроля устанавливают «треугольником» и оперативно определяют координаты выброса опасных веществ.

Однако данный способ не позволяет оценить перспективы изменения концентраций опасных веществ с учетом режима химического загрязнения атмосферы и выделить наиболее опасные для текущего момента и данной местности концентрации загрязняющих веществ.

Задачей изобретения является выявление режима химического загрязнения приземной атмосферы, характеризующего наиболее опасные для данной местности и текущего момента концентрации приземного озона, что позволяет повысить эффективность определения высоких концентраций токсичного загрязнения, формирующегося на урбанизированных территориях в результате химического взаимодействия окислов азота и углеводородов.

Приземный озон является токсичным газом, влияющим на здоровье людей и рост растений. Оценка содержания приземного озона позволяют фиксировать опасный уровень загрязнения воздуха озоном, однако для принятия эффективных мер по предотвращению возникновения опасных для здоровья людей и роста растений концентраций озона необходимо контролировать уровень загрязнений приземного воздуха окислами азота и углеводородами. Зависимость скорости образования озона от содержания окислов азота прямо противоположно в этих двух режимах: в азотном при увеличении содержания окислов азота содержание озона растет, а в углеводородном - при увеличении содержания окислов азота содержание озона уменьшается. Кроме того, приземный озон является наиболее сложным токсичным газом с точки зрения прогнозирования случаев превышения предельно допустимых концентраций (ПДК). Однако концентрация приземного озона не является линейной функцией концентраций загрязняющих веществ, что создает проблемы при разработке стратегии контроля химических загрязнений.

Поэтому в данном способе поставленная задача решается за счет того, что в оперативном режиме 2 раза в сутки (в 12 и 24 ч по местному времени) одновременно измеряют концентрации окислов азота (NO и NO₂), гидроксилов (ОН и НО₁) и углеводородов (СН₄, С₂Н₆, С₂Н₄, С₃Н₈), а также проводят стандартные метеорологические наблюдения температуры (Т, °С) и влажности воздуха (Р_НОх, г/м³), при этом рекомендованное пространственное распределение постов контроля определяется шагом сетки в 100 км.

Затем вычисляют суммарную концентрация углеводородов (RH) по формуле

RH=CH₄+C₂H₆+C₂H₄+C₃H₈

Полученные значения концентраций используют для определения режима химического загрязнения с использованием отношения

$$\text{f}=\frac{{\text{k}}_{\text{4}}\left[\text{RH}\right]\left[\text{OH}\right]}{{\text{k}}_{\text{7}}\left[\text{NO}\right]\left[{\text{HO}}_{\text{2}}\right]}$$

где k₄=2.45·10^-2ехр(-1775/T), k₇=3.2·10^-12 ехр(250/T) - лабораторно измеренные константы химических реакций в атмосфере, Т, °С - измеренная температура воздуха.

Если f больше 10⁴, то режим химического загрязнения является углеводородным, и скорость образования токсичного озона (Р_оз) вычисляется по формуле

$$P_{оз}=\frac{2k_4{P}_{HOx}\left[RH\right]}{k_9\left[N{O}_2\right]}$$

где k₉=7·10^-11(T/300)^0.3 - лабораторная константа химической реакции, а Р_НОх, г/м³ - измеренная в данной точке абсолютная влажность воздуха.

В данном режиме концентрация озона убывает с увеличением концентраций окислов азота и увеличивается при увеличении концентраций углеводородов.

Если f меньше 0.01, то режим химического загрязнения является азотным, а скорость образования озона вычисляется по формуле

$${\text{P}}_{\text{оз}}={\text{2k}}_{\text{7}}\sqrt{\frac{{\text{P}}_{\text{HOx}}}{{\text{k}}_{\text{8}}}}\left[\text{NO}\right]$$

где k₈=3.5·10^-13 ехр(430/Т) - лабораторная константа химической реакции.

В этом режиме скорость образования озона увеличивается с увеличением концентраций окислов азота и не зависит от концентраций углеводородов.

При значениях f в диапазоне между 0.01 и 10⁴, режим является смешаным и увеличение концентрации озона пропорционально увеличению концентраций как окислов азота, так и углеводородов.

Далее, при необходимости, выдают предупреждение об опасности вероятного превышения предельно допустимых концентраций содержания приземного озона из-за повышенных концентраций азотных составляющих (азотный режим), углеводородных составляющих (углеводородный режим) или как азотных, так и углеродных составляющих (смешанный режим).

Заявляемая последовательность операций и связей позволяет решить поставленную задачу.

При изучении известных технических решений в данной области техники, совокупность признаков, отличающих заявляемый объект, не была выявлена. Данное решение отличается от известных.

Разработанное техническое решение позволяет реализовать новый метод оценки высоких концентраций озона в приземном воздухе, формирующихся в результате химического взаимодействия окислов азотов и углеводородов и может быть эффективно использовано для обеспечения экологической безопасности урбанизированных территорий, характеризующихся, с одной стороны, высоким уровнем эмиссии окислов азота (автотранспорт), с другой стороны, высоким уровнем выбросов углеводородов (сжигание биомассы, испарение топлива, химическое производство).

1. Способ определения режимов химического загрязнения атмосферы, способствующих формированию опасных концентраций приземного озона, заключающийся в определении концентраций опасных веществ, сравнении полученных результатов с предельно допустимыми концентрациями, отличающийся тем, что, с целью контроля уровня загрязнения приземного воздуха, одновременно измеряются концентрации окислов азота (NO и NO₂), гидроксилов (ОН и HO₂) и углеводородов (СН₄, С₂Н₆, С₂Н₄, С₃Н₈), а также проводятся стандартные метеорологические наблюдения температуры (Т, °С) и влажности воздуха (P_HOx, г/м³), рассчитывается отношение скорости образования озона в цепочке реакций с участием углеводородов к скорости образования озона из окислов азота; далее, по полученному отношению, определяется режим химического загрязнения (азотный, углеводородный или смешанный), существующий в момент измерения в рабочей зоне объекта, и выдается, при необходимости, предупреждение об опасности вероятного превышения предельно допустимых концентраций содержания приземного озона из-за повышенных концентраций азотных составляющих (азотный режим), углеводородных составляющих (углеводородный режим) или как азотных, так и углеводородных составляющих (смешанный режим).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в оперативном режиме проводятся измерения концентрации окислов азота и углеводородов 2 раза в сутки (в 12 и 24 ч по местному времени), при этом рекомендованное пространственное распределение постов контроля определяется шагом сетки в 100 км.