CC BY
3
6. Шилина А. И. // Метеорологические аспекты загрязнения атмосферы / Под ред. М. Е. Берлянда.—М., 1981.— Т. 2, —С. 163—169.
7. Larsen R. J. A mathematical Model for relating air quality Messurements to air quality Standards. — North Carolina (USA), 1971.
8. Particulate polycyclic organic matter: Biologic effccts of atmospheric Pollutants: Committee an Biologic effects of atmospheric pollutants. — Washington, 1972.
9. Peters J.. Seifert B.// Atmos. Environm. — 1980. — Vol. 14, N 1, —P. 117—119.
Поступила 05.01.88
УДК 614.79+614.71]:632.951]-07
Е. И. Гончару к, А. В. Чалый, И. Н Филатова
НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ КРИТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ ТОКСИЧНОГО ТУМАНА НА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПОЛЯХ
Киевский медицинский институт им. А. А. Богомольца
В работе [1] был предложен и проверен в экспериментальных условиях новый механизм возникновения токсичного тумана в результате адсорбции испаряющихся с поверхности почвы молекул пестицида на сферических каплях водного аэрозоля. Авторы изучили также некоторые условия образования повышенной концентрации пестицидов в приземном слое атмосферного воздуха на сельскохозяйственных полях [2]. При этом было указано на необходимость установления такого интервала значений метеорологических факторов и физических параметров аэрозоля, при реализации которых создаются наиболее благоприятные условия для образования токсичных туманов на сельскохозяйственных полях, обработанных пестицидами.
Целью настоящей работы явилось научное обоснование метеорологически опасной зоны термодинамических параметров окружающей среды в указанных условиях.
Для определения этой зоны следует в первую очередь установить связь между суммарной поверхностью (Б) образующихся жидких капель и массой водяного пара (Дт), переходящего в жидкую фазу, а также концентрацией (К) капель (или их дисперсностью).
Очевидно, что количество водяного пара Дт, которое конденсируется в капли в единице объема приземного слоя воздуха, полностью опре-
Завксимость массы конденсирующегося водяного пара от температур почвы и воздуха
Содержание подяного пара, г/м*
Темперэ- разность температур почвы и приземного слоя
воздуха, °С
1 2 3 « ь
5 0,43 0,85 1,23 1,60 1,95
10 0,58 1,13 1,62 2,14 2,61
15 0,76 1,48 2,17 2,82 3,43
20 1.00 1,93 2,82 3,67 4,48
25 1,26 2,47 3,63 4,72 5,75
деляется температурой ¿1 подстилающей поверхности (почвы), локальной температурой воздуха (2 на заданной высоте от поверхности и относительной влажностью <р водяного пара. По известной [3] температурной зависимости массы насыщенного водяного пара т(1) в 1 м3 воздуха можно легко рассчитать массу водяного пара (Дт), переходящего в жидкую фазу, при понижении температуры на величину Д/, равную разности I) — В таблице приведены некоторые результаты такого расчета для случая, когда <р равно 100 %. Так, из таблицы следует, что при tь ¿2 и ф, равных соответственно 20°С, 15°С и 100%, в 1 м3 воздуха конденсируется 4,48 г водяного пара (Д/ = 5°С).
Для получения формулы суммарной (посадочной) поверхности 5 образующихся капель, согласно общеизвестным положениям, по соответствующим формулам находим параметры:
а) полный объем V, занимаемый жидкими каплями, при образовании жидкой фазы общей массы Дт и плотности р в 1 м3 воздуха:
К = Дт/р; (I)
б) объем х)\, приходящийся на одну каплю, в предположении монодисперсности капель:
»! = Дт/р/У, (2)
где N — число капель в 1 м3 воздуха (концентрация капель) в приземном слое;
в) радиус г сферической капли объема
Л=(3У1/4П)ГА; (3)
г) поверхность «I одной сферической капли:
= 4 яг«; (4)
д) суммарную поверхность всех сферических капель в 1 м3 воздуха:
5=.91Л/. (5)
На основании формул (1—5) получаем окончательное выражение для суммарной (посадочной) поверхности 5 сферических жидких капель в 1 м3 приземного слоя воздуха:
5 = 4,836р_г/,Дт!/'^'/'- (6)
Из формулы (6) для водяных капель с плотностью, равной 103 кг/м3, имеем:
5 = 4,836-10_2Ат!/^'/з. (7)
Заметим, что при расчете по этой формуле значение Ат следует брать в килограммах, значе-$ ние N — в единицах на 1 м3. Тогда суммарная поверхность 5 дается в квадратных метрах. Так, при Ат 3 г, или 3-10-3 кг, и N 103 ед/см3, или Ю9 ед/м3, из (7) получаем 5, равную 1 м2.
Из полученных формул (6) и (7) следует, что суммарная поверхность 5 образующихся капель растет при увеличении концентрации капель N и массы Дт конденсирующейся в каплях влаги.
Суммарная (посадочная) поверхность образующихся жидких капель может быть рассчитана и по другим формулам в зависимости от того, какие термодинамические свойства окружающей среды и физические параметры аэрозоля измерены и известны врачу-гигиенисту. Так, если зкс-. периментально измеряемой величиной является ' не концентрация капель М, а их дисперсность, т. е. известен средний (модальный) радиус г капель, то при распределении капель по размерам, близким к монодисперсному, величина суммарной поверхности 5 составит:
5=ЗД т/рг. (8)
Отсюда суммарная (посадочная) поверхность водяных капель, для которых плотность равна 103 кг/м3, определяется по следующей формуле: 5 = 0,003Д т/г. (9)
Проиллюстрируем расчет величины 5 по формуле (9) следующим примером. При использованных выше значениях Ат 3-10~3 кг и N 109 ед/м3 значение среднего радиуса капли составит: г= (ЗДт/4лрА0 =8,95 мкм, что соответствует размеру капель тумана средней густоты. Тог-д да из формулы (9) при Ат 3-Ю3 кг и г 8,95Х Х'0~6 м имеем 5«! м2, что, как и следовало ожидать, согласуется с расчетом величины проведенным по формуле (7).
Из формул (8) и (9) следует, что площадь поверхности 5 образующихся капель достаточно резко зависит от величин Ат и г. Так, при уменьшении дисперсности капель на порядок, т. е. при г 0,9 мкм, и значении массы конденсирующегося водяного пара Ат 3 г суммарная площадь 5 поверхности капель оказывается уже равной не 1 м2, а 10 м2. Заметим, что оценка суммарной (посадочной) поверхности капель, проведенная в работе [2], согласуется с выполненными выше расчетами.
Перейдем теперь к нахождению общей массы пестицида М„, адсорбированного на поверхности 5 водяных капель, которые образовались при конденсации водяного пара в результате поки-ф> жения его температуры на величину Аг1, пред-' ставляющую разность — /2.
Предположим, как и ранее в [2], что адсорбированный пестицид образовал мономолекулярный слой на поверхности капли. Тогда толщина
такого сферического слоя /гп имеет следующий порядок диаметра йп молекулы пестицида: /гп~ нм. Так как объем сферического слоя пестицида на поверхности одной капли радиуса г (с учетом очевидного неравенства /гп<Сг) равен:
о1п = 4яг2Лп, (10)
то масса пестицида, адсорбированного на поверхности одной водяной капли, описывается формулой:
т'т = РпЭДп = 4ярпг2Ап, (11)
где р„ — плотность вещества пестицида.
Таким образом, при концентрации водяных капель, равной N. общая масса Мп пестицида, адсорбированного на поверхность всех капель в 1 м3 приземного слоя воздуха, определяется соотношением:
М„ = 4яр „г=/1п/У. (12)
В том случае, когда известной величиной является не концентрация капель Ы, а масса Ат конденсирующегося водяного пара, формула (12) для общей массы пестицида М„, адсорбированного на каплях тумана в 1 м3, может быть записана в другом виде:
Мп = Зрп/1пДт/рл. (13)
Формулы (12) и (13) позволяют рассчитать массу МП пестицида, адсорбированного на водяных каплях, в 1 м3 воздуха. Оказывается, что при определенных условиях эта масса может на несколько порядков превышать ПДК пестицида в атмосферном воздухе (ПДКатм)- Действительно, с учетом близости численных значений плотности воды и вещества пестицида (рп«р=103 кг/м3) при толщине мономолекулярного слоя пестицида на поверхности капли Ю-9 м и массе водяного пара, конденсирующегося в 1 м3 приземного воздуха, равной 3-10-3 кг/м3, для общей массы пестицида, адсорбированного на каплях, имеем следующее значение: М„=1 мг/м3 (при радиусе капель 9 мкм или концентрации их 106 ед/м3). Если радиус капель тумана уменьшится в 10 раз, т. е. при г 109 ед/м3, общая масса пестицида Мп будет составлять уже 10 мг/м3.
Таким образом, из этих расчетов видно, что если в сухом воздухе для таких пестицидов, как алдрин, каптан, хлорпикрин, бутнфос, карбин и др., ПДК.атм составляет 0,01 мг/м3, то при наличии капель тумана и адсорбции пестицида на поверхности этих капель увеличение испарения молекул пестицида из почвы приводит к такому возрастанию концентрации пестицида в 1 м3 воздуха, которая превышает ПДКатм в 100 или 1000 раз в сухом воздухе соответственно. Для гептахлора, у которого ПДКатм находится на уровне 0,001 мг/м3, это увеличение составляет 10 000 и 100 000 раз соответственно при радиусе капель 9 и 0,9 мкм.
Рис. 1. График зависимости коэффициента К превышения ПДКатм от массы конденсирующегося водяного пара Дт в 1 м3 приземного слоя воздуха.
Заштрихованная область соответствует критической зоне. I — г 0.9 мкм, 2 —г 9 мкм. Пэ осн абсцисс •»- Дт (в г/м3); по оси ординат — К.
Для характеристики кратности превышения концентрации пестицида в тумане по сравнению с ПДКатм в сухом атмосферном воздухе вводится коэффициент К, который определяется соотношением Мп/ПДКатм- С помощью формул (12) и (13), подставив значение массы пестицида (Мп) можно вычислить К:
К = 4лрпг2/1пА//ПДКатм (14)
или
К = ЗрпЛпДт|р>ПДКатм- (15)
Формулы (14) и (15) позволяют рассчитать коэффициент К превышения ПДКатм в зависимости от физических и геометрических параметров водяных капель, а также типа пестицида, что дает возможность установить критическую зону параметров, для которой в результате образования токсичного тумана создается реальная опасность для здоровья работающих на сельскохозяйственных полях.
Для удобства определения практическими врачами этой критической зоны на рис. 1 представлен график зависимости коэффициента К превышения ПДКатм от массы Ат конденсирующегося водяного пара, полученный из формулы (15). На рис. 2 показано, как резко зависит коэффициент К превышения ПДКатм от дисперсности (среднего радиуса г) водяных капель. Видно, что при неизменной массе (Дт = сопз1) коэффициент К возрастает с уменьшением дисперсности. Этот результат иллюстрирует следующие значения К при Ат 3 г/м3 и ПДКатм 0,01 мг/м3—102 при г 9 мкм, 1,5-102 при г 6 мкм, 3-Ю2 при г 3 мкм, 103 при г 0,9 мкм.
ю
ю
ю
Дт :
Рис. 2. График зависимости коэффициента К превышения ПДКа тм от среднего
размера капель. По оси абсщ!сс — г (в мкм): но осн ординат — К.
В заключение приведем методику нахождения критической зоны параметров окружающей среды, способствующих образованию токсичного тумана в приземном слое воздуха на сельскохозяйственных полях, обработанных пестицидами.
1. Необходимо знать (измерить) темпера-^ туру почвы t^ и температуру воздуха (2 в приземном слое на высоте 1—2 м.
2. По известной разности этих температур А/ с помощью таблицы находят массу водяного пара Дт, конденсирующегося в капли, в 1 м3 воздуха. Как следует из таблицы, даже при сравнительно небольших значениях Д£—1—5°С (что легко достигается при освещении солнечными лучами влажной почвы в утренние часы или после дождя в весенне-летний период года) величина Дт может оказаться равной 1—3 г/м3.
3. Следует учесть, что проведенные расчеты выполнены при условии штилевой погоды и насыщенности водяного пара, т. е. при относительной влажности ф 100%. В том случае если во-# дяной пар является ненасыщенным (ф<100%), масса конденсирующегося водяного пара оценивается по формуле:
где гп\У) и т2(/)—плотность насыщенного водяного пара при температурах ¿1 и /2 [3].
4. По найденной из таблицы массе конденсирующегося водяного пара Дт (для ненасыщенного пара следует принять во внимание п. 3) и по степени дисперсности аэрозоля (оценка радиуса г водяных капель может быть проведена визуально по типу тумана или с помощью специальных прецизионных методов, развитых в прикладной метеорологии и физике атмосферы) из формул (14), (15) или по рис. 1 и 2 находят коэффициент К превышения ПДКатм пестицида в атмосферном воздухе.
Пример. Пусть температура почвы ¿1 20°С, а температура воздуха ¿2 17 °С. Тогда на основании таблицы имеем: Дт = 2,82 г/м3. При среднем размере капель {г — 0,9 мкм) из формулы (15) и рис. 1 следует, что в результате адсорбции на поверхности таких капель пестицида типа алдрина, хлорпикрина и др. с ПДКатм 0,01 мг/м3 коэффициент К превышения ПДКатм равен 940(103-2,82 : 3). Эффект изменения дисперсности капель учитывается при помощи графика, изображенного на рис. 2. Так, если при /1 20 °С и /2 17 °С средний размер капель увеличился от 0,9 до 3 мкм, то новое значение коэффициента К превышения ПДКатм оказывается равным 28 2(940-3-102-Ю-3).
Таким образом, если значение коэффициента К попадает в заштрихованную область на рис. т. е. в критическую зону, подобные метеороло-ческие условия и физические параметры водного аэрозоля могут оказаться опасными для здоровья работающих на сельскохозяйственных по-
лях из-за возможности образования токсичного тумана с повышенной концентрацией пестицидов, адсорбированных на водяных каплях. Естественно, что в таких условиях должна сработать соответствующая система оповещения о недопу-€ стимости продолжения работ.
Литература
1. Гончару к Е. И., Филатова И. И., Липатова И. Э. // Гиг. и сан,—1987, —№ 6. —С. 15—18.
2. Гончарук Е. И., Липатова Т. Э., Филатова И. Н. // Там же. — 1988. — № 1. — С. 25—27.
3. Кухлинг X. Справочник по физике: Пер. с нем. — М., 1982.
Поступила 14.07.88
УДК 616.62-003.7-02:613.31)-07
10. П. Пивоваров, А. В. Конашинский
Г РОЛЬ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ
В ПРОГНОЗИРОВАНИИ РАСПРОСТРАНЕННОСТИ ЭНДЕМИЧЕСКОГО УРОЛИТИАЗА
Ь II ММИ им. Н. И. Пирогова
Мочекаменная болезнь широко распространена на территории Советского Союза. Случаи ф возникновения данной патологии регистрируют-ся практически повсеместно. В то же время имеется большое число сообщений о неравномерности ее распространения, наличии эндемических очагов поражения данным заболеванием [1]. На территории Амурской области выявлен ряд эндемических заболеваний и в том числе мочекаменная болезнь [7, 8]. Детальный анализ распространения этой патологии в данном регионе показал, что в одном районе уролитиаз регистрируется относительно педко — от 13,47 до 22,68 случая на 10 000 жителей. В то же время в Амурской области обнаружены очаги'с высоким уровнем заболевания — от 69,27 до 191,57 случая на 10 000 населения.
Одной из наиболее длительно существующих и всесторонне изучаемых теорий возникновения эндемического уролитиаза является установле-ние связи его возникновения с макро- и микроэлементным составом питьевой воды. Наличие такой связи имеет теоретическое и экспериментальное подтверждение. Так, большое внимание уделяется основной характеристике питьевой воды — увеличению содержания в ней солей кальция и магния, т. е. ее повышенной жесткости как одному из факторов, способствующих широкому распространению мочекаменной болезни на определенных территориях [2, 4]. В то же время имеются сообщения об отсутствии зависимости между уровнем поражаемости населения уролитиазом и жесткостью питьевой воды [6, 13]. А ряд авторов выявили обратную зависимость: уменьшение числа случаев мочекаменной болезни с увеличением жесткости воды и высокий уровень поражаемости населения на территориях с более мягкой водой [11, 15]. В ряде регионов нашей страны установлена за-* висимость распространения мочекаменной болезни от содержания в питьевой воде стронция: при его увеличении поражаемость населения уролитиазом выше [10, 12].
Анализ работ, в которых рассматривается обусловленность распространения уролитиаза химическим составом питьевой воды, показывает, что их авторы стремятся выявить связь между распространением этой патологии и абсолютным значением содержания макро- и микроэлементов в воде.
По мнению М. А. Бабина и соавт. [3], необходимо изучать синергизм и антагонизм различных химических элементов в парных сочетаниях. Ученые считают, что исследование элементов-биотиков в таком аспекте позволит наиболее полно оценить их биологическую роль. Установлено, например, что при избыточном поступлении в организм стронция увеличивается выведение кальция, а при недостатке кальция стронций способен замещать его, что нарушает обмен веществ [5].
Поскольку данных о влиянии парных соотношений химических элементов, содержащихся в питьевой воде, на распространение мочекаменной болезни в доступной нам литературе не оказалось, мы решили провести такие исследования, избрав территорию Амурской области.
Химический состав питьевой воды изучали в зоне с относительно низким и в очагах с высоким уровнем распространенности мочекаменной болезни. Методом атомной абсорбции определяли содержание в питьевой воде кальция, магния и стронция. Было изучено 115 проб воды и проведено 328 определений. Указанные химические элементы относятся к одной группе — щелочноземельных металлов; кроме того, установлена их связь в обменных процессах организма. Для выявления зависимости между уровнем распространенности мочекаменной болезни и соотношениями химических элементов в питьевой воде, а также их абсолютным содержанием на изучаемых территориях был применен один из методов математической статистики — выявление связи между показателями распространенности уролитиаза и концентрацией химических элементов в питьевой воде путем вычисления
