Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор литературы и выбор аппаратуры для исследования дымового аэрозоля .. 8
1.1.Обзор литературы по имеющимся исследованиям характеристик пожаров и свойствам образующихся продуктов горения. 8
1.2. Методы измерения физических, физико-химических и химических характеристик дымового аэрозоля. 27
Глава 2. Дисперсные, конденсационные и льдообразующие свойства дымового аэрозоля 40
2.1 Механизмы образования и дисперсность дымового аэрозоля. 40
2.2. Конденсационные и льдообразующие свойства дымовых частиц. 69
Глава 3. Токсичные вещества при пожарах. 77
3.1. Образование токсичных веществ при горении. 77
3.2. Вынос цезия-137 с дымовыми продуктами пожаров 82
3.3. Влияние летучих продуктов пожаров на образование аэрозольных частиц при радиолизе воздуха 86
Глава 4. Оценка концентраций различных типов аэрозольных продуктов НТП, распространяющихся в приземном слое атмосферы 92
4.1. Геофизические характеристики пожаров 108
4.1.1. Конденсационные и льдообразующие характеристики пожаров 111
4.2, Комплексная оценка концентрации токсичных веществ в приземном слое воздуха в зоне влияния пожара 113
Заключение 118
Список литературы 120
- Методы измерения физических, физико-химических и химических характеристик дымового аэрозоля.
- Конденсационные и льдообразующие свойства дымовых частиц.
- Влияние летучих продуктов пожаров на образование аэрозольных частиц при радиолизе воздуха
- Комплексная оценка концентрации токсичных веществ в приземном слое воздуха в зоне влияния пожара
Введение к работе
Известно, что пожары являются мощными источниками атмосферного аэрозоля. На территории РФ происходят ежегодно десятки тысяч пожаров. При этом в атмосферу с продуктами пожаров поступают миллионы тонн различных веществ. Значительная часть аэрозольных частиц обладает высокими конденсационными и льдообразующими свойствами. В результате дымовые аэрозоли могут влиять на микро- и мезо-метеорологические процессы в атмосфере. Известно также, что в природных пожарах примерно половина горючего материала разлагается в реакциях беспламенного режима горения (низкотемпературного пиролиза, тления) (НТП). При этом коэффициенты генерации частиц дымового аэрозоля при НТП значительно превосходят соответствующие коэффициенты при пламенном горении. То есть, основная масса аэрозольных частиц образуется при пиролизе горючих материалов. Очевидно, что образование аэрозольных дымовых частиц во многом зависит от процессов образования летучих продуктов при термическом разложении горючих материалов под воздействием тепла от сгорающих материалов. Однако в открытой печати практически нет работ, где исследуются процессы образования дымовых частиц в зависимости от выхода летучих продуктов при пиролизе горючих материалов. Это важно для оценки влияния характеристик пожара (вида горючих веществ, темпов нагрева, температуры пиролиза, влияния окислительных процессов и т.д.) на образование дымовых аэрозолей. Кроме того, более полное исследование процессов образования этих частиц и их свойств при пиролизе широко распространенных полимерных и растительных материалов важно также для разработки более качественных аэрозольных пожарных датчиков и средств загцитъг. Из сказанного вытекает актуальность исследований влияния различных внешних факторов и характеристик горючих веществ на коэффициенты образования и дисперсные характеристики дымового аэрозоля^ а также конденсационные и льдообразующие свойства этих аэрозолей.
Пожары также являются мощным источником поступления в атмосферу разнообразных токсичных веществ. Особую важность представляют исследования
выноса радиотоксичных продуктов пожаров с поверхности земли в зонах радиоактивного загрязнения местности, в частности, в Чернобыльской зоне загрязнения. В результате пожаров в приземной атмосфере могут появиться токсичные вещества (в том числе радиоактивные) в опасных для человека концентрациях. Это указывает на актуальность исследований токсичных свойств дымового аэрозоля при пиролизе горючих материалов.
Целью работы является уточнение физико-математических моделей процессов образования аэродисперсных систем - продуктов пиролиза горючих материалов в аэрозольных камерах и натурных условиях во время лесных и городских пожаров; оценка их влияния на геофизические процессы и экологическое состояние окружающей среды.
Для достижения поставленных цепей необходимо было решить следующие задачи:
Проанализировать и выбрать методы экспериментальных исследований низкотемпературного пиролиза широко распространенных искусственных и растительных горючих материалов и провести такие исследования в аэрозольных камерах ИЭМ и натурных условиях.
Проанализировать особенности горения этих материалов и определить коэффициенты дымообразования и функции распределения дымового аэрозоля по размерам частиц при различных условиях их пиролиза.
Исследовать конденсационные и льдообразующие характеристики дымовых частиц.
Исследовать токсичные свойства дымовых частиц, образующихся при пиролизе горючих веществ.
Оценить коэффициенты выноса радиоцезия с поверхности земли в приземный слой атмосферы с летучими продуктами пожаров на загрязненных чернобыльскими радионуклидами территориях.
Методы исследования. В работе для решения конкретных задач использовались современные методы физико-математического моделирования и экспериментальных исследований дымовых продуктов горения.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. В работе впервые получены:
- коэффициенты дымообразования и функции распределения дымового аэрозоля в
диапазоне размеров частиц от 0.01 мкм до 30 мкм, образующихся при пиролизе
широко распространенных полимерных и растительных материалов для различных
характеристик горения и окружающей воздушной среды;
конденсационные характеристики дымового аэрозоля в широких пределах относительной влажности воздуха (от 30% до 105%) для полимерных и растительных материалов и «городской смеси» (60% древесины, 20% бумаги, 15% ткани и 5% полимерных материалов);
зависимости льдообразующей активности дымового аэрозоля для указанных выше веществ от температуры окружающей среды в диапазоне от -5 до - 20С;
коэффициенты генерации токсичных полициклических ароматических углеводородов, образующихся при пиролизе полимерных и растительных материалов и «городской смеси»;
- коэффициенты выноса радионуклидов с подстилающей поверхности в
атмосферу с дымовыми продуктами пожаров в широких пределах степени
радиоактивного загрязнения земной поверхности.
Личный вклад автора.
Основные научные результаты диссертации получены автором лично и при его непосредственном участии. Автором лично проведены анализ и интерпретация всех результатов, вошедших в диссертационную работу, получены физические вьшоды и дано их обоснование.
Достоверность результатов, полученных в работе, определяется калибровкой и сверкой аппаратуры, применяемой для экспериментальных исследований,
повторяемостью полученных экспериментальных результатов и согласуемостью этих результатов с экспериментальными данными, полученными другими авторами.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Полученные в работе данные по коэффициентам дымо образования, функциям распределения по размерам, конденсационной и льдообразующей активностям дымовых частиц могут быть использованы для оценки влияния конкретных пожаров на процессы облако- и осадкообразования.
Полученные данные по образованию при пиролизе и ресуспензии с подстилающей поверхности токсичных веществ позволяют оценивать влияние дымовых продуктов на здоровье населения, проживающего или находящегося в зонах пожаров. Ранжирование продуктов пожаров по степени их токсичности позволяет выбирать оптимальные средства защиты для населения, проживающего в зонах влияния пожаров, и людей, занятых в тушении и локализации пожаров. Полученные данные по поступлению в приземную атмосферу токсичных веществ с летучими продуктами пожаров являются системообразующими параметрами для оценок риска для населения, проживающего/находящегося в зоне влияния пожара.
На защиту выносятся:
Функции распределения частиц дымового аэрозоля по размерам в значительной степени зависят от вида горючего материала.
Коэффициенты дымообразования при НТП для наиболее широко распространенных естественных и искусственных горючих материалов и их «городской смеси» имеют линейную зависимость от температуры пиролиза.
Расчетные формулы температурной зависимости массовой концентрации образующегося дымового аэрозоля от выхода летучих продуктов при пиролизе растительных и полимерных материалов.
Данные о концентрациях ядер конденсации растительных и полимерных материалов и «городской смеси» в диапазоне относительной влажности окружающего воздуха 30-105%.
Активация образующихся при НТП льдообразующих ядер происходит при температуре около -10 С.
Коэффициент выноса цезия-137 с дымовыми частицами для растительных материалов зависит от вида материала и изменяется в пределах 15-60% от содержания в исходном горючем. Удельная активность цезия-137 в золе при сгорании хвойной подстилки, древесины и торфа от трех до десяти раз превышает его удельную активность в исходных материалах.
Апробация работы. Основные результаты диссертации доложены на 7 национальных и международных совещаниях и симпозиумах. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 133 страницы машинописного текста, в том числе 38 рисунков и 20 таблиц. Список литературы содержит 145 наименований. Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ.
Методы измерения физических, физико-химических и химических характеристик дымового аэрозоля.
Остановимся еще на одном важном экологическом аспекте пожаров - на прохождении пожаров по радиоактивно-загрязненной местности. Очевидно, что пожары на радиоактивно-загряненных местностях несут большую опасность, так как способствуют переносу в атмосферу с продуктами горения радиоактивных веществ. Исследование этих процессов стало особенно актуально после чернобыльской аварии, когда большие территории оказались загрязненными радионуклидами. Установлено, даже на значительных расстояниях по ветру от кромки пожара в воздухе появляются радиоактивные аэрозоли в концентрациях многократно превышающих фоновые значения, а в отдельных случаях и превышающие допустимые концентрации (ДК) [2-5]. В работах [14-17] исследовалось влияние пожаров на перераспределение радионуклидов в зоне отчуждения ЧАЭС. Авторы обнаружили, что дисперсный состав аэрозолей пожарного генезиса существенно отличен от состава «фонового» радиоактивного аэрозоля в приземном слое воздуха 30-км зоны вокруг ЧАЭС. Исследования проводились с помощью метода многослойных фильтров, состоящего в анализе распределения активности по слоям пакета из трех фильтрующих материалов ФП и последующем решении обратной задачи поиска параметров априорно заданного логарифмически нормального распределения активности по размерам частиц. Этим методом возможно определить размеры в диапазоне 0.2 - 8 мкм. Для прогнозирования экологической опасности от прохождения пожаров по радиоактивно-загрязненной местности необходимо знание о коэффициентах выноса радионуклидов с подстилающей поверхности с дымовыми продуктами. Указанный диапазон размеров составляет лишь часть диапазона размеров дымовых частиц. Причем основная их часть сосредоточена в субмикронной области размеров. Поэтому, для более точной оценки коэффициентов выноса радионуклидов необходимо провести дополнительные исследования. Результаты по этим исследованиям для широкого диапазона загрязнений местности основным чернобыльским загрязнителем - радиоцезием представлены в разделе 3.
Как показано выше, при пожарах генерируется масса канцерогенных и мутагенных веществ и элементов. На загрязнённых какими-либо токсичными продуктами территориях могут появиться дополнительные факторы воздействия на окружающую среду и человека. Очевидно, что для оценки экологической опасности этих дополнительных факторов их необходимо рассматривать в совокупности с выделяющимися при пожарах загрязняющими продуктами.
Вследствие сложности и практической невозможности проведения исследований влияния отдельных процессов (температуры пиролиза, темпов нагрева и окислительных процессов на образование дымовых частиц, взаимосвязи образования дымовых частиц и летучих продуктов терморазложения горючих веществ) в натурных условиях эти процессы изучались в лабораторных условиях на установке, показанной ниже (см. рис. 1.5). Функции распределения по размерам исследовались как в лабораторных, так и в натурных условиях. Исследования показали, что полученные в лабораторных и натурных условиях функции распределения по размерам практически идентичны.
Как указано в предыдущем разделе, для перекрытия исследуемого интервала размеров дымового аэрозоля (сотые доли — десятки микрон) использование какого-либо одного известного метода измерения не представляется возможным (см. например [70,88]). Поэтому для исследования дымовых аэрозолей были использованы два различньгх метода: электростатический, основанный на зарядке аэрозольных частиц и последующего анализа частиц по подвижностям в электростатическом поле [88] и фотоэлектрический [71], в соответствии с которым измеряется интенсивность излучения, рассеянного аэрозольной частицей. Кроме того, приборы, на основе указанных выше методов, способны работать в режиме реального времени. Измерения дисперсности дымовых аэрозолей в основной массе производилось с помощью электростатического анализатора аэрозоля фирмы Термо-системс модели 3030 (США) [70] и фотоэлектрического счетчика аэрозольных частиц типа «Дельта» разработки ИЭМ [89]. Отдельные эксперименты проводились с помощью аэрозольного измерительного комплекса «Фон» [90], состоящий из фотоэлектрического счетчика «Спектр» и электростатического анализатора аэрозолей ДАЭС [91, 92]. Указанные приборы способны перекрывать необходимый диапазон размеров, работать в лабораторных и полевых условиях в режиме реального времени. Основные характеристики используемого оборудования для определения дисперсности приведены в табл. 1.6.
Для обеспечения надежности получаемых экспериментальных данных были проведены лабораторные и полевые эксперименты по сверке аэрозольной аппаратуры [93-94]. Лабораторная сверка проводилась в большой аэрозольной камере ИЭМ (БАК) объемом 3200 м3 [92, 95]. В качестве аэрозоля использовался дымовой аэрозоль и аэрозоль, полученный возгонкой карбамида. Постоянная времени изменения концентрации аэрозоля в результате осаждения на стенки камеры составляет около 15 часов. Поэтому данную камеру удобно было использовать для качественной сверки аэрозольных приборов и исследования конденсационных характеристик дымового аэрозоля. Результаты сверки показаны на рис. 1,1. Как видно из рисунка, имеется вполне удовлетворительное согласие экспериментальных данных, полученных различными типами датчиков. Относительная ошибка датчиков ТСИ-3030 и «Дельта» в их диапазоне перекрытия (0,2-1.0 мкм) не превышала 20%.
Дымовые частицы, образующиеся при пиролизе различных горючих материалов, имеют разную химическую природу а значит, и различный коэффициент преломления и диэлектрическая проницаемость, что сказывается на работе датчиков аэрозоля. Для исследования влияния этих факторов была проведена сверка различных аэрозольных датчиков в условиях реальной атмосферы с меняющейся относительной влажностью [94], Как показали результаты сверки, показания ТСИ 3030 и «Дельта» изменялись синхронно. Эти датчики оказались значительно менее зависимы от относительной влажности в диапазоне 30-85%, чем, например, широко применяемый датчик фирмы Royco модель PC 241/225 (США) [95]. Сверка датчиков комплекса Фон с ТСИ 3030 и «Дельта» для дымового аэрозоля, образующегося при пиролизе полиэтилена, представлена на рис. 1.2, Как видно из рисунка, имеется хорошее согласие датчиков во всем диапазоне исследований. Кроме сверки приборов проводилась калибровка электростатических датчиков ТСИ 3030 и ДАЭС (датчик комплекса Фон) с помощью сепаратора аэрозольных частиц по подвижностям [96-98] и параллельного анализа аэрозольных частиц при помощи электронной микроскопии. Эксперименты показали удовлетворительное совпадение данных, полученных с помощью электростатических анализаторов и электронной микроскопии (разброс результатов в диапазоне размеров 0,01 -0.2 мкм не превышал 30%). Вышесказанное заставляет предполагать возможность получения достаточно надежных данных по концентрации и дисперсности дымового аэрозоля при помощи используемой аппаратуры.
Конденсационные и льдообразующие свойства дымовых частиц.
Наблюдения [11] показали, что в лесных пожарах при пересыщении 1 и 0.25%, ядрами конденсации служат соответственно 5 и 0.5% частиц. Конденсационная активность частиц растет с увеличением их размера. Поэтому, анализируя функции распределения дымовых аэрозолей (см. рис. 2.1-2.2), получаем, что при пересыщении -1% конденсационно-активными становятся частицы 0.1 мкм. Также известно, что конденсационное равновесие для аэрозольных частиц исследуемых размеров наступает относительно быстро [118, 119] (не более нескольких секунд после начала конденсации), а равновесный размер частиц значительно превышает размер исходной частицы [118]. В этом случае для исследования конденсационных свойств дымовых частиц достаточно исследовать дымовые частицы с размерами больше нескольких десятых долей микрона.
Для исследования конденсационной активности и критических пересыщений от размеров частиц дыма для разных горючих материалов был проведен ряд экспериментов на аппаратуре, описанной в 1 части диссертации. Результаты представлены на рис. 2.18 2.20. Для оценки значений критических пересыщений была использована следующая методика. Как показано выше, для оценки значений критического пересыщения от размеров частиц дымового аэрозоля был исследован относительный прирост концентрации частиц в области размеров D 0.2 мкм. Далее, используя вид функций распределения по размерам (см. рис.2.1 - 2.2.) оценивалось наименьшее значение размера дымового аэрозоля, которое и принималось за значение критического размера дымовых частиц при данном пересыщении (рис. 2.18). Используя эти данные, легко рассчитать количество конденсационно-активньж частиц, проявляющихся при данном значении пересыщения (рис. 2.19). Как видно, доля конденсационно-активных дымовых частиц зависит от вида горючего материала и пересыщения. Так для значений пересьпцений 0.25 и 1 % получаем, что доля конденсационно-активных дымовых частиц при лесных пожарах составляет соответственно « 1 и 6% от общей концентрации образующихся частиц. Это удовлетворительно согласуется со значениями, полученными в работе [11], где показано, что в лесных пожарах при пересыщениях 1 и 0.25%, ядрами конденсации служат соответственно 5 и 0.5% частиц. Возможно, несколько более малые значения концентрации конденсационно-активных частиц, приведенные в указанной работе получаются из - за того, что в реальных пожарах в аэрозольное состояние переходит и часть зольных продуктов горения, имеющих меньшую конденсационную активность.
На практике для прогноза метеорологических последствий пожаров наиболее интересна для исследований по конденсационной активности область малых пересыщений, где как показано, конденсационная активность дымового аэрозоля значительно превышает активность фоновых частиц. Интересно и важно также исследовать активность в области S 0 (области, в которой обычно происходит образование туманов). Подобные исследования были проведены в работе [59], где на основе экспериментальных исследований по влиянию влажности на оптические свойства дымовых частиц сделан вывод, что дымовые частицы начинают обводняться при относительной влажности -82% . Отметим, что, анализируя данные по критическим пересыщениям и функциям распределения (рис.2.1., 2.2., 2.18.) можно получить оценку минимальной влажности, при которой начинаются конденсационные процессы. Это значение для лесных и городских пожаров составляет 85 —90 %, что близко к полученному значению в работе [59]. На рисунке 2.20 показана еще один важный конденсационный параметр -зависимость относительного (по отношению к сухому аэрозолю (при влажности около 30%)) прироста объёма дымового аэрозоля от пересыщения. Как следует из рисунка, это отношение при пересыщении S 0 значительно превышает единицу, т.е. практически определяет водность тумана, образующегося при указанном пересыщении. Так как большая часть городской смеси состоит из целлюлозосодержащих материалов (древесина, бумага, ткань х/б), то кривая зависимости для лесного горючего незначительно отличается от зависимости для городской смеси. Отметим ещё, что при концентрации дымового аэрозоля в очаге пожара 107-108 част./см (см. раздел 1.4) и пересыщении S — 0.5% (см. рис. 1.3) образуется 10u-1012 ядер конденсации на 1м3, что во много раз превышает соответствующие фоновые значения.
Остановимся теперь на процессах льдообразовании. Механизмы образования кристаллов льда на частицах дыма и сажи изучены недостаточно. Имеется лишь несколько работ по льдообразованию на частицах, образующихся при пожарах [11, 74], и лабораторным исследованиям по льдообразующим свойствам сажевьтх частиц [11, 75]. Полученные результаты носили противоречивый характер. Так в работе [11] указывается, что в образцах воздуха, отобранных из конвективных колонок лесных пожаров, концентрация ядер кристаллизации примерно в 100 раз вьппе, чем соответствующая фоновая концентрация, а в [74] получено, что концентрация льдообразующих ядер над очагом возгорания почти не отличается от фоновых значений. В [75] сообщается, что частицы сажи эффективно взаимодействуют с растущими кристаллами льда, а в [11] показано, что образование льда на сажевых частицах идёт неэффективно. Совсем отсутствуют исследования температурных зависимостей льдообразующих активностей городской дымовой смеси, а также дымов естественных и искусственных полимерных материалов.
Влияние летучих продуктов пожаров на образование аэрозольных частиц при радиолизе воздуха
Как показано в работе [126], интенсивная ионизация воздуха (интенсивность ценообразования 103 пар-ионов-см 3-с-1 и выше) может приводить к появлению аэрозольных частиц. Кроме того, адсорбция образующихся веществ и кластеров на поверхности частиц аэрозоля приводит к изменению химических свойств коллекторов. Этот эффект может сказываться на их конденсационных свойствах. Для исследования этих процессов были проведены серии специальных экспериментов.
На рис. 3.5. - 3.7. представлены результаты экспериментов по выявлению влияния концентрации газообразных продуктов пиролиза естественных и искусственных полимеров на образование аэрозоля при радиолизе воздуха. Образование этого аэрозоля осуществлялось в ионизационной камере, в которой с помощью пластин изотопа Ри создавалась равновесная концентрация легких ионов 108 ион/см3 (более подробно установка описана в работах [126-127]). Выбор камеры основывался на том факте, что характерное время изменения концентрации вводимых в нее частиц более 12 час [95]. То есть много больше, чем время проведения каждого эксперимента. Это позволяет уменьшить ошибки, связанные с изменчивостью концентрации и функции распределения дымового аэрозоля. В данную камеру поступал отфильтрованный от дымовых частиц воздух, который в дальнейшем поступал в аэрозольный анализатор. Дымо-газовая среда создавалась в аэрозольной камере объемом 3200 м с температурой 20 С и относительной влажностью 45 %, Как видно из рисунка, концентрация, образующихся при облучении аэрозольных частиц, сильно зависит от концентрации летучих продуктов пиролиза. Причем для отдельных полимерных материалов, таких как лесные горючие вещества и полиметилметакрилат наличие газообразных продуктов пиролиза заметно уменьшает количество образующегося «радиолитического» аэрозоля. Для полиэтилена, поливинилхлорида и резины наоборот повышает. Состав «радиолитического» аэрозоля в фоновых условиях представляет собой, в основном, капельки азотной кислоты [126] поэтому, по-видимому, для территорий с высоким уровнем радиоактивного загрязнения в экологических прогнозах необходимо учитывать отмеченные данные. На рис. 3.8. представлены зависимости среднего размера ядер конденсации, полученных при пиролизе древесины, от ионизации для различных пересыщений. Пиролиз осуществлялся в той же камере объемом 3200 м3, дымовой аэрозоль поступал на ту же ионизационную камеру. Далее он проходил через термодиффузионную камеру (ТДК, см. раздел 1.2.) на анализатор аэрозоля. Как видно из рисунка, средний размер выросших при конденсации водяного пара дымовых частиц при ионизации воздуха выше, чем при ее отсутствии. Вероятно, это происходит из за того, что на поверхность аэрозольных частиц при ионизации осаждается азотная кислота. Это увеличивает конденсационную активность дымового аэрозоля. При увеличении пересыщения (то есть при увеличении степени обводнения частиц) влияние первоначального состава частиц ослабевает.
Как показано в предыдущих разделах диссертации пожары являются мощным источником поступления в атмосферу разнообразных токсичных веществ, как образующихся непосредственно при сгорании материалов, так и ресуспензированных с поверхности земли. Особую важность для России представляет исследование переноса радиоактивных продуктов в зонах радиоактивного загрязнения местности, в частности в Чернобыльской зоне загрязнения. Очевидно, что для оценки экологической опасности в районе прохождения пожара необходимо иметь распределение концентрации токсичных элементов пожара в приземном слое воздуха. Для этого необходимо знание мощности поступления этих веществ в атмосферу с дымовыми продуктами пожара и процессов их атмосферного переноса. Мощность источника определяется скоростью сгорания горючего вещества и концентрацией токсичных элементов в образующемся дыме. В настоящем разделе будут представлены приближенные примеры оценок концентрации продуктов пожаров для характерных метеоусловий.
Приземные источники загрязняющих веществ относят к трем видам: точечные, линейные и площадные. Для приближенной оценки атмосферного переноса летучих продуктов пожаров их источники также можно представить в трех видах: точечные (небольшие пожары и отдельные очаги), линейные (продвижение фронта пожара) и площадные (крупные пожары). Необходимо также отметить, что для развивающегося пожара фронт пламени в грубом приближении можно считать высокотемпературным линейным источником, а основную часть пожара (за фронтом горения) - площадным источником с очагами тлеющего (низкотемпературного) горения. Кроме того, как указано в первой части диссертации, при лесных пожарах примерно половина материала сгорает в пламенном (высокотемпературном) режиме, а половина в беспламенном (низкотемпературном). Очевидно, что при первом режиме продукты горения в результате подъема нагретого воздуха могут подниматься на некоторую эффективную высоту, а низкотемпературный режим, как показывают многочисленные наблюдения за тлеющими и торфяными пожарами, а также горением городских свалок, можно приближенно рассматривать, как приземный источник. Как правило, площадь пожаров не превышает 1 га. Поэтому эти пожары для расчета концентраций дыма на расстояниях много больших их характерных размеров можно считать точечными.
Комплексная оценка концентрации токсичных веществ в приземном слое воздуха в зоне влияния пожара
Перейдем теперь к рассмотрению экологических характеристик пожаров. В разделе 3 исследовалось образование токсичных элементов, образующихся при горении. Оценим теперь на примере пожаров раздела 4.2. концентрации образующихся этих токсичных веществ, В разделе 3 описаны основные характеристики образования токсичных газо- аэрозольных продуктов пожаров. Они попадают в организм человека через его дыхательную систему и оказывают негативное влияние на здоровье человека. Допустимые уровни этого влияния для вредных химических веществ определяются санитарными правилами путем введения их предельно допустимых концентраций - ПДК. При пожарах необходимо учитывать совместное воздействие на здоровье человека различных токсичных веществ. При наличии в атмосферном воздухе нескольких ингредиентов с концентрациями сі, С2,..., Си учитывается их суммарное воздействие [б]: С учетом этих значений ПДК были рассчитаны предельные расстояния от кромки пожара и площади, где суммарное воздействие токсичных продуктов пожара превышает единицу (см. формулу 4.12) для типов гошаров, представленных в разделе Расчет по (4.13), где в качестве элементов с индексом j использовалось значение для аэрозольной фракции продуктов горения, представлен в таблицах 4.9 и 4.10. Как видно из таблиц 4.9-4.10, наиболее значимьши с экологической точки зрения продуктами лесных пожаров являются аэрозольные частицы, оксид углерода и свинец.
Для городских пожаров становится существенным влияние СО и ПАУ и соединений свинца. В существующих нормах радиационной безопасности (НРБ-99) [144] отсутствует понятие предельной допустимой концентрации для радиоактивного загрязнения воздушной среды. Для сравнения эффектов от химического загрязнения и радиоактивного, по-видимому, требуется перейти к сравнению соответствующих рисков, что не является предметом представляемой работы. Необходимо также отметить, что расчет дозовых нагрузок при поступлении радиоактивных аэрозолей в легочную систему человека в НРБ-99 выводится, исходя из логнормального распределения частиц по размерам с медианным диаметром 1 мкм и стандартным геометрическим отклонением 2.5. Однако дисперсность дымового аэрозоля значительно отличается от такого распределения. Поэтому были проведены оценки влияния дисперсности дымового аэрозоля на его эффективность осаждения в легочной системе. Для аэрозолей с распределением по размерам f(D) относительное изменение эффективности осаждения в легочной системе человека по сравнению с указанным логнормальным распределением приближенно можно найти по следующему соотношению: где f(D) - распределение исследуемого аэрозоля, fC[(D) - стандартное распределение, D - диаметр частиц, k(D) - коэффициент осаждения аэрозольных частиц с размерами D в легочной системе человека. Как следует из данных, представленных в разделе 2, модальный размер дымового аэрозоля образуемого при НТП растительных горючих материалов близок к 0.1 мкм. Очевидно, что в этом случае предельные допустимые концентрации должны быть отличными от указанных в табл.4.7. Константу К (см. соотношение 4.13) можно рассчитать по эффективности осаждения в дыхательной системе человека аэрозолей различных размеров [145]. Расчет по 4.13 показал, что эффективность осаждения дымового аэрозоля с учетом изменчивости функции его распределения по размерам (см. раздел 2) в к 1.3 - 1.7 раза выше, чем для аэрозоля, используемого для расчетов в НРБ-99. То есть значения допустимых активностей радионуклидов для дымового аэрозоля необходимо снижать в среднем в 1.5 раза.
