Как загрязняют воздух частицы пыли?

IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Как загрязняют воздух частицы пыли?

Целуйко Г.А. 1
1МБОУ Барвихинская СОШ
Исаева Г.К. 1
1МБОУ Барвихинская СОШ
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

 

ВВЕДЕНИЕ

Недавно я был в гостях у прабабушки в Москве. Она живёт на 11-м этаже, и возле её окна летало много птиц. Я решил покормить их семечками. Но когда открыл окно, удивился, как много чёрной сажи было на раме снаружи. Бабушка сказала, что окно пачкается очень быстро, хотя его регулярно моют. Эта сажа оседает из воздуха. Я с родителями живу за городом, в посёлке, в Одинцовском районе и у нас такого нет.

Все мы дышим воздухом, и давно известно, что от его качества сильно зависит наше здоровье. Но, что такое воздух? Как определить, полезный он или нет?

Из статьи на сайте Аэролайф vozdyx.ru я узнал, что за все время существования человечества состав земной атмосферы практически не менялся. Наши предки дышали воздухом, который на 78 % состоял из азота и на 21 % – из кислорода. Еще один процент – аргон и углекислый газ. Остальные газы составляли лишь 0,0004 %.

Что такое остальные газы? Оказывается, это неон, криптон, метан, гелий, ксенон, окислы азота, оксид углерода (угарный газ), водород, аммиак, окислы серы, сероводород, углеводороды. И пусть на долю этих веществ приходится всего около четырех десятитысячных процента, когда их концентрация в воздухе современного мегаполиса превышает предельно допустимую, они существенно отравляют нам жизнь.

Сегодня состав воздуха качественно не отличается от того, чем дышали наши предки, однако в нем появились «добавки», которые значительно влияют на наше здоровье1. К первой группе опасных для здоровья человека загрязнителей экологии относятся все видимые загрязнения: взвешенные частицы (пыль и аэрозоли)2.

В своей работе я хочу произвести оценку загрязнения воздуха взвешенными частицами.

Гипотеза: правда ли, что воздух за городом чище, чем в городе?

Цель исследования: оценить состояние воздуха, которым мы дышим.

Задачи исследования:

понять, что является источником загрязнения воздуха;

узнать, вредно ли загрязнение воздуха для человека;

изготовить установку для измерения запылённости воздуха;

измерить концентрацию взвешенных частиц в воздухе в городе Москве, Одинцово, посёлках Барвиха и д/х Жуковка;

обобщить, проанализировать, оформить полученную информацию и представить результаты исследовательской работы.

Методы исследования:

работа с литературой;

поиск информации в сети Интернет;

исследование запылённости.

Объект исследования: экологическая обстановка в городе Москве, Одинцово и поселках Барвиха и д/х Жуковка.

Предмет исследования: степень запылённости воздуха

Актуальность проектной работы: загрязнённость окружающей среды один из важных вопросов, который сейчас стоит перед человечеством. Загрязненный воздух является одной из главный угроз для здоровья человека и причиной возникновения различных заболеваний.

Практическая значимость: независимая оценка экологической обстановки тех мест, где я, моя семья и друзья чаще всего проводим время.

ГЛАВА I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

Что такое экология?

Экология (от др.-греч. - жилище, дом и — учение, наука) — наука о взаимодействиях живых организмов между собой и с их средой обитания. Термин впервые предложил немецкий биолог Эрнст Геккель в 1866 году3

Уже с давних времён люди стали замечать различные закономерности во взаимодействии животных друг с другом и с окружающей средой. Первые описания экологии можно отнести к индийским и древнегреческим трактатам.

Современная экология — сложная, разветвлённая наука. Полагают, что вклад в теоретические основы современной экологии внёс американский биолог и эколог Барри Коммонер, сформулировавший основные 4 закона экологии:

Всё связано со всем

Ничто не исчезает в никуда

Природа знает лучше

Ничто не даётся даром.

Человек и природа.

Красоту окружающего мира поэты, художники и писатели воспевали во все времена. Природе посвящены сотни тысяч стихов и песен. Сложно найти прозу, где отсутствовало бы описание пейзажа. В живописи изображения природы и животных выделены в отдельные жанры, и очень многие художники выбрали для себя именно эти направления. Эмоционально человек восхищается природой, а практически — относится к ней потребительски.

Воздействие человека на окружающую среду принимает глобальные масштабы. Ухудшается экологическая ситуация, все чаще происходят природные катастрофы. Судьба дальнейшего развития человечества зависит от того, насколько быстро будут найдены пути решения экологических проблем.

Загрязнение воздуха в Москве — повышенное содержание вредных примесей в воздухе, вызвано выбросами промышленных предприятий, выхлопными газами автотранспорта и другими факторами. Каждый год только от грязного воздуха в Москве умирают 3—3,5 тысячи горожан. Выбросы автотранспортных средств особенно опасны, потому что осуществляются в непосредственной близости от тротуаров в зоне активного пешеходного движения.

В воздухе Москвы повышено содержание бензпирена, диоксида азота, фенола и формальдегида. Бензпирен является сильным канцерогеном, в частности, вызывает лейкозы, врождённые заболевания. Механизм действия связан с встраиванием его молекул в молекулы ДНК4.

Рисунок 1. Загрязнение воздуха в Москве.

Мы, как и все другие живые существа на планете, до сих пор неотделимы от биосферы. Рамки окружающей природной среды, в которых мы можем существовать, достаточно узкие. Нам нужна определенная температура воздуха, солнечный свет, состав атмосферы, почвы и воды — именно та экологическая среда, в которой проходила эволюция на протяжении всей нашей истории.

Все мы должны понять, что состояние нашей природы зависит от каждой мелочи, от каждого нашего шага. Научиться смотреть на природу не с точки зрения потребителя, а с точки зрения благодарного партнера 5.

Взвешенные частицы в воздухе.

Взвешенные частицы (или РМ — particulate matter) представляют собой широко распространенный загрязнитель атмосферного воздуха, включающий смесь твердых и жидких частиц, находящихся в воздухе во взвешенном состоянии.

Бытовая пыль - крупные частицы пыли, парящие в воздухе, которые можно увидеть в ярких лучах солнечного света, падающего из окна, быстро оседают и не проникают глубоко в легкие. Но пыль в воздухе далеко не всегда заметна невооруженным глазом.

Более серьёзную опасность для здоровья представляют собой частицы размером менее 10 мкм (их обозначают PM10) и частицы размером менее 2,5 мкм (PM2,5) их ещё называют мелкодисперсными.

Взвешенные частицы диаметром от 0,1 мкм до 1 мкм могут находиться в атмосферном воздухе в течение многих дней и недель и, переносятся по воздуху на большие расстояния. Их физические и химические характеристики меняются в зависимости от местонахождения. Часто встречающиеся частицы это: сажа, табачный дым, городской смог, цементная и различная производственная пыль. В составе РМ также встречаются биологические компоненты, такие как аллергены, вирусы, бактерии, споры грибков и плесени (см. Рисунок 2).

Рисунок 2. Виды взвешенных частиц, загрязняющих воздух.6

Источники частиц.

На сайте испытательного центра МГУ опубликована статья «Микроскопическая угроза» 7 из которой я узнал, что причин запыленности воздуха дома, в школе, на улице – бесконечное множество. И если пыль природного происхождения чаще всего неопасна, то выбросы транспорта и промышленных предприятий – являются причиной появления в воздухе пыли, содержащей множество вредных веществ – тяжелых металлов, углеводородов, бенз(а)пирена.

Воздействие на здоровье человека.

Взвешенные частицы сами по себе и в комбинации с другими загрязнителями представляют очень серьезную угрозу для здоровья человека. Из этой же статьи я узнал, что частицы размером до 2,5 мкм составляют 40–70% всех взвешенных частиц и являются наиболее опасными для здоровья людей. Эти частицы способны проникать глубоко в легкие и оседать там.

Рисунок 3. Взвешенные частицы

Воздействие РМ10 и РМ2,5 на здоровье человека доказано многими исследованиями. Фактических данных, свидетельствующих о наличии безопасного уровня, ниже которого не наступают никакие последствия для здоровья, нет.

Но положительные эффекты можно наблюдать практически при любом снижении концентрации РМ. Я узнал из статьи, что загрязнение воздуха взвешенными частицами может быть уменьшено с помощью имеющихся технологий (например, снижение потребления энергии, особенно энергии, вырабатываемой путем сжигания топлива, изменение способов передвижения).

Предельно допустимые концентрации пыли в воздухе.

Нормы8 Предельно-допустимых концентраций (ПДК) взвешенных частиц PM10 и PM2.5 в воздухе были установлены в России только в 2010 году:

Таблица 1. Предельно допустимые концентрации пыли и аэрозолей в воздухе.

Показатель

Максимальная разовая

Среднесуточная

Среднегодовая

Взвешенные частицы PM2.5

0,16 мг/м3

0,035 мг/м3

0,025 мг/м3

Взвешенные частицы PM10

0,3 мг/м3

0,06 мг/м3

0,04 мг/м3

Взвешенные частицы (общая пыль)

0,5 мг/м3

0,15 мг/м3

Сажа (углерод)

0,15 мг/м3

0,05 мг/м3

Нормативы Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ) по запылённости воздуха (PM10, PM2.5)

Всемирная организация здравоохранения считает частицы пыли в воздухе одной из серьезнейших опасностей и причин множества заболеваний дыхательных путей и сердечно-сосудистой системы. Предельные концентрации частиц PM10 и PM2.5 в воздухе установлены в документе под названием «Руководство по качеству воздуха».

Таблица 2. Рекомендации ВОЗ по целевым уровням концентраций твердых частиц PM10 и PM2.5 9

Показатель

Среднесуточная

Среднегодовая

Твердые частицы PM2.5

0,025 мг/м3

0,01 мг/м3

Твердые частицы PM10

0,05 мг/м3

0,02 мг/м3

По мнению экспертов ВОЗ, только достижение таких уровней концентраций пыли в воздухе может позволить снизить смертность от легочных и сердечных заболеваний, связанных с качеством воздуха. Руководство ВОЗ по качеству воздуха появилось в 2005 году, и, как видим, российские нормативы, принятые в 2010 году, к моему сожалению, менее требовательны к качеству воздуха. Однако надо понимать, что приведенные рекомендации ВОЗ – это всего лишь «идеал, к которому следует стремиться».

Методы измерения загрязнения воздуха.

Из статьи «Пыль в воздухе» с сайта www.academlab.ru я узнал, что существует несколько основных методов измерения концентрации взвешенных частиц в воздухе.

Наиболее распространенный метод – гравиметрия, при котором пробы воздуха прокачиваются через фильтр, и по разности массы фильтра до и после отбора пробы, измеряется концентрация пыли в воздухе. Метод имеет как преимущества, так и недостатки. Он требует очень длительного отбора проб для анализа атмосферного воздуха, но при этом обладает высокой точностью.

Другой метод анализа воздуха – оптический. Для анализа используется анализатор пыли, позволяющий в режиме реального времени измерять концентрацию частиц.

Главным достоинством данного метода является возможность быстро и с приемлемой точностью измерять низкие концентрации частиц в воздухе, поэтому при анализе атмосферного воздуха и воздуха в помещениях используется именно оптический метод.

Устройство измерительной установки

В своей работе мы будем использовать оптический метод. Для измерения применим лазерный датчик наличия взвешенных частиц в воздухе.

С помощью папы я попытался разобраться в принципе его работы.

Так, на Рисунке 4 мы видим как воздух из окружающей среды засасывается вентилятором и поступает в датчик через вход для приема пробы воздуха (1). Проба воздуха проходит через луч лазера, который проецируется объективом на фотодиод (2). Фотодиод передает информацию в фотоэлектрический преобразователь (3), где определяются размеры и частота следования взвешенных в пробе воздуха частиц. Эти данные поступают в блок с микроконтроллером (4), где по запрограммированному алгоритму обрабатываются и выводятся в виде цифрового значения в мкг/м3.

Далее, эти значения от датчика через специальный преобразователь подаются в компьютер, и сохраняются в файл. Мы обрабатываем его с помощью программы Microsoft Excel.

Рисунок 4. Лазерный датчик частиц.10

ГЛАВА II. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Подготовка измерительной установки

Перед началом измерений необходимо собрать установку согласно рисунку 5. Данные, переданные датчиком в компьютер, обрабатываются с помощью специальной программы.

Подключить датчик к компьютеру и настроить его мне помогли родители.

Рисунок 5. Схема измерительной установки

Выбор мест для измерения чистоты воздуха.

Большую часть времени я провожу дома, в школе и на улице, в районе детской площадки. Мне нравится отдыхать в новом парке Раздолье, так же я катаюсь на лыжах в Одинцовском парке культуры спорта и отдыха, поэтому чистота воздуха в этих местах для меня наиболее актуальна.

Для получения более полной картины измеряем запылённость в Одинцово. Так же для сравнения произведём замеры в Москве, поскольку этот город является крупным мегаполисом, и мы получим возможность сравнить экологическую обстановку с нашей.

Измерение запылённости воздуха у меня дома

Сначала мы измерили количество пыли у нас дома. Полученные данные разместили в таблице 3. А так же сравнили их с российскими требованиями Предельно Допустимой Концентрации частиц (ПДК) и рекомендациями Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ).

Таблица 3. Массовая концентрация частиц в воздухе

Параметр

Количество пыли

мкг/м3

ПДК РФ

(среднесуточная)

Рекоменд. ВОЗ

(среднесуточная)

PM 1.0 мкг/м3

11

-

-

PM 2.5 мкг/м3

13

35

25

PM 10 мкг/м3

16

60

50

Эти же измерения на графиках:

   

Рисунок 6. Сравнение концентрации частиц с нормами.

Вывод: как видно из графика, количество пыли у нас дома удовлетворяет и российским требованиям, и более строгим рекомендациям Всемирной Организации Здравоохранения.

Мама была очень довольна!

Измерение запылённости воздуха на детской площадке в посёлке дачного хозяйства Жуковка

В нашем посёлке есть детская площадка, где мы с друзьями проводим большую часть времени во время прогулок.

Таблица 4. Массовая концентрация частиц в воздухе

Параметр

Количество пыли

мкг/м3

ПДК РФ

(среднесуточная)

Рекоменд. ВОЗ

(среднесуточная)

PM 1.0 мкг/м3

12

-

-

PM 2.5 мкг/м3

19

35

25

PM 10 мкг/м3

23

60

50

   

Рисунок 7. Сравнение концентрации частиц с нормами.

Вывод: концентрация пыли оказалась немного выше, чем дома, но соответствует нормам.

Измерение запылённости воздуха возле Барвихинской школы

Таблица 5. Массовая концентрация частиц в воздухе

Параметр

Количество пыли

мкг/м3

ПДК РФ

(среднесуточная)

Рекоменд. ВОЗ

(среднесуточная)

PM 1.0 мкг/м3

15

-

-

PM 2.5 мкг/м3

24

35

25

PM 10 мкг/м3

28

60

50

   

Рисунок 8. Сравнение концентрации частиц с нормами.

Вывод: концентрация больше, чем в посёлке Жуковка, но удовлетворяет даже строгим рекомендациям ВОЗ.

Измерение запылённости воздуха на детской площадке в посёлке санатория Барвиха

Таблица 6. Массовая концентрация частиц в воздухе

Параметр

Количество пыли

мкг/м3

ПДК РФ

(среднесуточная)

Рекоменд. ВОЗ

(среднесуточная)

PM 1.0 мкг/м3

13

-

-

PM 2.5 мкг/м3

22

35

25

PM 10 мкг/м3

26

60

50

   

Рисунок 9. Сравнение концентрации частиц с нормами.

Вывод: результаты измерений на детской площадке и у школы близкие. Они так же соответствуют нормам.

Измерение запылённости воздуха в Одинцовском парке культуры, спорта и отдыха

Я люблю заниматься спортом. Зимой я катаюсь на лыжах на лыжероллерной трассе. Поэтому мне было интересно узнать, чистый ли там воздух?

Таблица 7. Массовая концентрация частиц в воздухе

Параметр

Количество пыли

мкг/м3

ПДК РФ

(среднесуточная)

Рекоменд. ВОЗ

(среднесуточная)

PM 1.0 мкг/м3

13

-

-

PM 2.5 мкг/м3

23

35

25

PM 10 мкг/м3

27

60

50

   

Рисунок 10. Сравнение концентрации частиц с нормами.

Вывод: чистота воздуха здесь так же соответствует нормам.

Измерение запылённости воздуха в Одинцово на площади перед зданием администрации

Мы живём в Одинцовском районе, поэтому решили измерять запылённость воздуха на нашей главной площади.

Таблица 8. Массовая концентрация частиц в воздухе

Параметр

Количество пыли

мкг/м3

ПДК РФ

(среднесуточная)

Рекоменд. ВОЗ

(среднесуточная)

PM 1.0 мкг/м3

15

-

-

PM 2.5 мкг/м3

24

35

25

PM 10 мкг/м3

29

60

50

   

Рисунок 11. Сравнение концентрации частиц с нормами.

Вывод: не смотря на то, что Одинцово большой город, воздух здесь соответствует нормам, так как здесь мало промышленных предприятий.

Измерение запылённости воздуха в парке Раздолье

В прошлом году в Раздорах открылся новый парк «Раздолье». Мне там очень нравится. И конечно мы решили измерить на сколько там чистый воздух.

Таблица 9. Массовая концентрация частиц в воздухе

Параметр

Количество пыли

мкг/м3

ПДК РФ

(среднесуточная)

Рекоменд. ВОЗ

(среднесуточная)

PM 1.0 мкг/м3

11

-

-

PM 2.5 мкг/м3

16

35

25

PM 10 мкг/м3

20

60

50

   

Рисунок 12. Сравнение концентрации частиц с нормами.

Вывод: замеры показали, что воздух здесь самый чистый.

Измерение запылённости воздуха на Проспекте Мира в Москве

Мы измерили запылённость воздуха в Москве на Проспекте Мира.

Таблица 10. Массовая концентрация частиц в воздухе

Параметр

Значение

ПДК нормы РФ

(среднесуточная)

ПДК нормы ВОЗ

(среднесуточная)

PM 1.0 мкг/м3

34

-

-

PM 2.5 мкг/м3

58

35

25

PM 10 мкг/м3

72

60

50

   

Рисунок 13. Сравнение концентрации частиц с нормами.

Вывод: предельно допустимая концентрация частиц пыли сильно превышена, как по Российским требованиям, так и по требованиям ВОЗ.

Измерение запылённости воздуха на детской площадке в Москве на улице Маршала Жукова.

Так же мы измерили чистоту воздуха на одной из детских площадок в Москве. Она находится на улице Маршала Жукова.

Таблица 11. Массовая концентрация частиц в воздухе

Параметр

Значение

ПДК нормы РФ

(среднесуточная)

ПДК нормы ВОЗ

(среднесуточная)

PM 1.0 мкг/м3

17

-

-

PM 2.5 мкг/м3

31

35

25

PM 10 мкг/м3

39

60

50

   

Рисунок 14. Сравнение концентрации частиц с нормами.

Вывод: запылённость воздуха оказалась близкой к предельно допустимой, хотя измерения мы проводили утром в воскресенье, когда автомобилей на дорогах мало.

Измерение запылённости воздуха в машине

Прежде, чем уехать, там же мы измерили концентрацию пыли внутри нашей машины. Было интересно проверить как влияет воздушный фильтр, установленный в салоне на чистоту воздуха.

Таблица 12. Массовая концентрация частиц в воздухе

Параметр

Значение

ПДК нормы РФ

(среднесуточная)

ПДК нормы ВОЗ

(среднесуточная)

PM 1.0 мкг/м3

8

-

-

PM 2.5 мкг/м3

13

35

25

PM 10 мкг/м3

20

60

50

   

Рисунок 15. Сравнение концентрации частиц с нормами.

Вывод: оказалось, что концентрация всех измеряемых частиц уменьшилась примерно в 2 раза. Можно рекомендовать устанавливать воздушный фильтр в салоне автомобиля.

Но всё же у нас за городом дышится легче!

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведя исследовательскую и практическую работу, я узнал много нового и интересного о науке экологии, и влиянии человека на природу.

Я достиг цели проекта, используя изготовленную нами установку на основе оптического датчика пыли, измерил чистоту воздуха в городе Москве, Одинцово и поселках Барвиха и д/х Жуковка.

Выполнил все задачи, которые поставил перед собой в начале работы:

узнал, что источником загрязнения воздуха в городах чаще всего является промышленность и автомобильный транспорт

я узнал, что загрязнение воздуха микроскопическими взвешенными частицами очень опасно для здоровья человека и ведёт к заболеваниям дыхательной, сердечно-сосудистой систем, онкологии и врождённым заболеваниям

с помощью родителей я изготовил установку для определения концентрации пыли

измерил чистоту воздуха в городах Москве, Одинцово, посёлках Барвиха и д/х Жуковка

обобщил, проанализировал, оформил полученную информацию и представил результаты исследовательской работы

Моя гипотеза о том, что воздух за городом чище, чем в городе оправдалась. При выполнении исследования я пришёл к выводу, что уменьшение промышленных выбросов в атмосферу и снижение количества автомобилей с двигателями внутреннего сгорания на дорогах позволяет сделать воздух значительно чище даже в городе. После введения режима самоизоляции в Москве и области к 30 марта 2020 года по данным ГПБУ «Мосэкомониторинга» снизилась интенсивность уличного движения, за счёт этого средняя концентрация взвешенных частиц PM10 в центре города уменьшилась в 5.8 раз, что тоже подтверждает мою гипотезу.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Чем мы дышим? // URL: https://vozdyx.ru/page/what-are-we-breath/

Вред загрязнителей экологии для здоровья человека // URL: http://www.dishisvobodno.ru/ehkologiya-i-zdorove.html

Википедия: Экология // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Экология

Человек и природа: нерушимая взаимосвязь, постоянное взаимодействие // URL: https://www.kp.ru/guide/chelovek-i-priroda.html

Вестник электроники №1 (61) 2018 (с. 56-58)

Микроскопическая угроза: частицы PM10 и PM2,5 // URL: https://www.msulab.ru/knowledge/air/microscopic-threat-particles-pm10-and-pm2&5/

ГН 2.1.6.3492-17 Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе городских и сельских поселений

Пыль в воздухе. Измерение запыленности // URL: http://www.academlab.ru/services/air-analysis/pyil-v-vozduhe/

Воздух в Москве стал в пять раз чище из-за режима самоизоляции
// URL: https://news.mail.ru/society/41217843/?frommail=1

1 Чем мы дышим? // URL: https://vozdyx.ru/page/what-are-we-breath/

2 Вред загрязнителей экологии для здоровья человека // URL: http://www.dishisvobodno.ru/ehkologiya-i-zdorove.html

3 Википедия: Экология // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Экология

4 Загрязнение воздуха в Москве // URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Загрязнение_воздуха_в_Москве

5 Человек и природа: нерушимая взаимосвязь, постоянное взаимодействие // URL: https://www.kp.ru/guide/chelovek-i-priroda.html

6Вестник электроники №1 (61) 2018 (с. 56-58)

7 Микроскопическая угроза: частицы PM10 и PM2,5 // URL: https://www.msulab.ru/knowledge/air/microscopic-threat-particles-pm10-and-pm2&5/

8 ГН 2.1.6.3492-17 Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе городских и сельских поселений

9 Пыль в воздухе. Измерение запыленности // URL: http://www.academlab.ru/services/air-analysis/pyil-v-vozduhe/

10 Вестник электроники №1 (61) 2018 (с. 56-58)

Просмотров работы: 74