2024 жылы 15 қаңтар күні таңертең Шымкент тұрғындары ерекше жағдайға тап болды: таудың етегінде орналасқан оңтүстік аудандарда адамдар терезені ашқанда өткір иісті, лас ауаны сезді. Аспан кәдімгідей көгілдір болса да, жер деңгейінде тұман тәрізді боз қабат тарап жатты. Мектепке бара жатқан балалардың кейбірінде жөтел пайда болды. Ауа райы жылы болса да, ата-аналар балаларын үйде қалдырды.
Метеорологтар сол күні ерекше атмосфералық жағдайды тіркеді: жер бетіндегі ауа температурасы −3°C, бірақ 400 метр биіктікте +4°C болды. Бұл стандартты жағдайдың керісінше. Әдетте биіктік арттыған сайын ауа суиды, бірақ сол күні таулы рельеф пен радиациялық салқындату нәтижесінде өзгеше жағдай қалыптасты.
Қаладағы 400 000-нан астам автокөлік, ТЭЦ-тің түтін шығарымдары, тұрғын үй котельнейлері — бәрі бірдей заттарды атмосфераға шығарып жатты. Бірақ сол заттар жоғарыға шыға алмай, тыныс алу аймағында — жер бетінен 0–50 метр биіктікте — жинала берді. Балалар мектеп жолында дәл осы қабатта тыныс алды.
🔍 Жасырын мәселе: Мәтінде химиялық, физикалық, биологиялық және географиялық мәселе бар. Сіз аныктай аласыз ба? Ауа заттары неге жоғарыға шықпады? Балалар денсаулығына не қауіп төнді? Шымкенттің рельефі мұнда қандай рөл атқарды?
🔗 4 пәннің органикалық байланысы
⚗️ ХИМИЯ
NO₂, CO, SO₂, PM2.5 — ластаушы газдардың пайда болу реакциялары мен концентрациялары
⚡ ФИЗИКА
Температуралық инверсия — ауа тығыздығы, конвекция тоқтауы, диффузия заңдары
🧬 БИОЛОГИЯ
PM2.5 өкпе альвеолаларына ену механизмі, гемоглобин блокадасы, созылмалы ауру
🌍 ГЕОГРАФИЯ
Таулы рельеф, радиациялық салқындату, Шымкент алқабының инверсияға бейімділігі
⬆️ Жылы инверсия қабаты суық жер ауасын «тұзақта» ұстайды. Газдар конвекция арқылы жоғарыға шыға алмайды. Бұл радиациялық инверсия — таза аспанды түнде жер бетінің жылуын шығарып жібергенде пайда болады.
🏙️ Диаграмма 2 — Смогтың қалада таралуы
Инверсия тосқауылы ───────────────────
↑↓
↑↓
↑↓
↑↓
NO₂ ↔
CO ↔
PM2.5 ↔
SO₂ ↔
🏠 Тұрғын аудан — адамдар тыныс алатын аймақ
Газдар инверсия тосқауылынан өте алмай, жер деңгейінде жинақталады. Тіршілік иелері дәл осы қабатта тыныс алады. Шымкент алқабы географиялық «ыдысқа» ұқсайды — рельеф газдарды шоғырландырады.
🫁 Диаграмма 3 — PM2.5 өкпеге ену механизмі
PM2.5 → альвеола → қан
PM2.5 (≤2.5 мкм) бөлшектері тыныс алу жолдарының қорғаныс механизмдерін айналып өтіп, тікелей альвеолаларға жетеді. Альвеола қабырғасы тек 0.5 мкм қалың — бөлшектер қан ағысына өтеді. Балаларда өкпе дамуы бітпегенде бұл зиян 3× арта түседі.
⚗️ Ғылыми деректер мен модельдер
📋 Кесте 1. Шымкент ауасының газдық деректері (2024, қаңтар)
Газ/Бөлшек
Формула
Өлш. (мг/м³)
ДСҰ нормасы
Асу коэф.
Пән
Азот диоксиді
NO₂
0.28
0.04 мг/м³
×7.0
Хим
Көміртек оксиді
CO
15.2
3.0 мг/м³
×5.1
Хим
Күкірт диоксиді
SO₂
0.11
0.05 мг/м³
×2.2
Хим
Ұсақ бөлшектер
PM2.5
185
15 мкг/м³
×12.3
Биол
Оттек
O₂
норма
20.95% v/v
—
Хим
Инв. қабат Т°
ΔT
+7°C
—
—
Физ
Аспан биіктігі
h инв.
380 м
—
—
Гео
📐 Ғылыми модельдер
⚗️ Модель 1 — Идеал газ теңдеуі
PV = nRT R = 8.314 Дж/(моль·К) P (Па), V (м³), T (К), n (моль)
Реакция 2 — CO улану механизмі (гемоглобин блокадасы)
CO + HbO₂ → COHb + O₂ (Kaffinity: CO/O₂ = 200:1) COHb → тіндер O₂ ала алмайды → гипоксия CO концентрациясы 15.2 мг/м³ → 4–8 сағат экспозиция → созылмалы уланым
Реакция 3 — Қышқыл жаңбыр (NO₂ + H₂O)
3NO₂ + H₂O → 2HNO₃ + NO SO₂ + H₂O → H₂SO₃ → 2H₂SO₃ + O₂ → 2H₂SO₄ pH < 5.6 → қышқыл жаңбыр → топырақ, ғимарат зиян
Реакция 4 — Фотохимиялық смог (NO₂ + ультрафиолет)
NO₂ + hν → NO + O· (УФ жарығы) O· + O₂ → O₃ (озон түзілуі — төменгі атмосферада зиянды) Инверсия кезінде: УФ аз + газ жиналуы → қоспа тотығуы
🟢 A деңгей — Білу және түсіну
6 балл
A1
Көп таңдаулы · 3 балл
Контекстке және деректер кестесіне сүйене отырып: Шымкент ауасындағы қай ластаушы заттар ДСҰ нормасынан ең күшті асып кетті? БАРЛЫҚ дұрыс жауаптарды белгілеңіз.
⚗️ Химия🌍 География
📊 Деректерді оқу🔍 Анықтау
✓
Дұрыс жауап: B, C, D PM2.5 ×12.3, NO₂ ×7.0, CO ×5.1 — үшеуі де критикалық деңгейде асып кетті. SO₂ де асты, бірақ ×2.2 салыстырмалы аз.
🔬 PM2.5 — биологиялық тұрғыдан ең қауіпті: альвеолаларға тікелей жетеді. NO₂ + CO — химиялық-физиологиялық қауіп: гемоглобин блокадасы.
Дескрипторлар
B немесе C немесе D белгіленді1 балл
Үшеуі де дұрыс, қате жоқ+2 балл
Максимум3 балл
A2
Ашық сұрақ · 3 балл
Мәтіндегі «биіктік артқан сайын ауа жылырақ болды» деген жолды оқыдыңыз. Бұл физика тұрғысынан не білдіреді? Ауаның стандартты «термодинамикалық мінезінен» қандай айырмашылығы бар?
⚡ Физика🌍 География
🧠 Себеп-салдар📐 Физикалық түсіндіру
1
Стандарт: Тропосферада биіктік артқан сайын температура 6.5°C/км азаяды (кесімді лапсрейт). Жылы ауа жеңіл → жоғарыға көтеріледі (конвекция) → ластаушы газдар таралады.
2
Инверсия: ΔT/Δh > 0 — биіктік артқан сайын температура артады. Бұл термодинамикалық тосқауыл: суық ауа (тығыз, ауыр) жер деңгейінде тұрып қалады, жылы ауа жоғарыда «қақпақ» рөлін атқарады.
3
Нәтиже: Конвекция тоқтайды → ластаушы газдар жоғарыға шыға алмай, тыныс алу аймағында жинақталады.
✅ Инверсия = температура градиентінің қалыпты таңбасының өзгеруі → конвекцияның тоқтауы → газдардың жиналуы.
Дескрипторлар
Стандарт лапсрейт аталды1 балл
Инверсия механизмі (тосқауыл) түсіндірілді1 балл
Газдардың жиналу салдары жазылды1 балл
🟡 B деңгей — Қолдану және есеп
14 балл
B1
Концентрация есебі · 4 балл
Инверсия кезінде 800 м³ ауа «тұзақта» қалды (инверсия қабаты 380 м биіктікте). NO₂ концентрациясы 0.28 мг/м³. (a) Сол ауадағы NO₂-нің жалпы массасын (мг) табыңыз. (b) Зат мөлшерін (моль) есептеңіз [M(NO₂) = 46 г/моль]. (c) ppm мәнін табыңыз: 1 мг/м³ NO₂ ≈ 0.532 ppm. NO₂ концентрациясы неше ppm?
⚗️ Химия⚡ Физика
🧮 Есеп📐 Бірлік айналдыру
(a) Масса (мг):
(b) Зат мөлшері (моль):
(c) ppm мәні:
a
(a) m = C × V = 0.28 мг/м³ × 800 м³ = 224 мг
b
(b) n = m/M = 0.224 г / 46 г/моль = 4.87 × 10⁻³ моль n = 0.224 / 46 = 4.87×10⁻³ моль
c
(c) 0.28 мг/м³ × 0.532 = 0.149 ppm ДСҰ ppm нормасы: 0.021 ppm (24 сағат) — 7× асып кетті.
✅ (a) 224 мг; (b) 4.87×10⁻³ моль; (c) ≈ 0.149 ppm
💡 0.149 ppm NO₂ — бұл созылмалы тыныс алу ауруларын тудыратын шек (0.1 ppm) деңгейінен жоғары. Балалар мен астма науқастарына 30 минуттық сыртта болу да зиянды.
Дескрипторлар (4 балл)
(a) m = C×V дұрыс1 балл
(b) n = m/M дұрыс, бірліктер анық1 балл
(c) ppm дұрыс айналдырылды1 балл
ДСҰ нормасымен салыстырылды1 балл
B2
Газ заңы есебі · 4 балл
Шымкент инверсия кезінде: P = 88 кПа (теңіз деңгейінен 500 м биіктік), T = 270 К (−3°C). 4.87 × 10⁻³ моль NO₂ идеал газ ретінде алатын көлемді (м³ және литрмен) есептеңіз. Сонымен қатар, егер T = 280 К болса, қандай көлем алар еді? R = 8.314 Дж/(моль·К).
⚗️ Химия⚡ Физика
📐 PV=nRT🌡️ Температура әсері
1
PV = nRT → V = nRT/P P = 88 000 Па; n = 4.87×10⁻³ моль; R = 8.314; T = 270 К
T = 280 К кезінде: V₂ = V₁ × (T₂/T₁) = 0.124 × (280/270) = 0.124 × 1.037 = 0.129 л Температура +10°C артқанда көлем 3.7%-ға ұлғаяды.
✅ T=270К: V = 0.124 л; T=280К: V = 0.129 л. Жылы күнде газ кеңейіп, концентрациясы аздап азаяды.
Дескрипторлар
PV=nRT дұрыс қолданылды1 балл
Бірліктер Па-ға дұрыс айналдырылды1 балл
270К нәтиже дұрыс1 балл
T=280К және физикалық интерпретация1 балл
B3
Стехиометрия + биология · 3 балл
224 мг NO₂ жаңбыр суымен әрекеттессе: 3NO₂ + H₂O → 2HNO₃ + NO. Түзілген HNO₃ массасын (мг) табыңыз [M(HNO₃)=63, M(NO₂)=46]. Осы мг азот қышқылы жауын ерітіндісінің pH-ын қалай өзгертеді? Биологиялық маңызын атаңыз.
pH: HNO₃ — күшті қышқыл, жаңбыр суының pH-ын 7-ден 4.5–5.0-ге дейін төмендетеді. pH < 5.6 → қышқыл жаңбыр анықтамасы.
5
Биологиялық маңызы: Қышқыл жаңбыр → топырақтың қышқылдануы → ауылшаруашылық өсімдіктер зиян; тыныс алу жолдарын тітіркендіреді; су нысандарының экожүйесін бұзады.
✅ m(HNO₃) = 205 мг; pH 5.0-ге дейін түседі → қышқыл жаңбыр → экологиялық зиян
Дескрипторлар
n(NO₂) дұрыс1 балл
n(HNO₃) стехиометрия дұрыс + m дұрыс1 балл
pH + биологиялық интерпретация1 балл
B4
Биологиялық есеп · 3 балл
PM2.5 концентрациясы 185 мкг/м³. Орта мектеп оқушысы күніне 15 м³ ауа тыныс алады. (a) Ол бір күнде қанша мкг PM2.5 жұтады? (b) ДСҰ нормасы 15 мкг/м³ болса, норма бойынша қанша жұтылуы керек еді? (c) Нақты/норма қатынасын табыңыз. Бұл дені сау адам үшін не білдіреді?
(c) Қатынас: 2775 / 225 = 12.3 есе артық Биологиялық интерпретация: Мұндай концентрацияда 1 жыл тұрған адамда өкпе функциясы 5–10%-ға төмендейді (ЯИАС, 2021 зерттеу). Балаларда бронхит, астма дамуы 2.8× жоғары.
✅ (a) 2775 мкг; (b) 225 мкг; (c) 12.3× артық → өкпеге созылмалы зиян
Дескрипторлар
(a) дұрыс нәтиже1 балл
(b) норма дұрыс0.5 балл
(c) қатынас + биол. интерпретация1.5 балл
🔴 C деңгей — Талдау, бағалау, шешім
10 балл
C1
Пәнаралық талдау · 3 балл
«Неге?» сұрақ: Шымкент Алматыға қарағанда инверсия кезінде ауа ластануы 2–3 есе тезірек қалыптасады деген деректер бар. Шымкенттің географиялық жағдайы мен климатын ескере отырып, физикалық, химиялық және географиялық тұрғыдан кешенді түсіндірме беріңіз.
⚗️ Хим⚡ Физ🌍 Гео
🧠 Сыни ойлау🔗 Пәнаралық байланыс📐 Талдау
Гео
Географиялық фактор: Шымкент оңтүстік жазықта, биік тауларды (Қаратау) арқаға алады. Солтүстіктен соқтын суық ауа тауларда тоқтайды — алқаптық «ыдыс» эффектісі. Рельеф газдарды шоғырландырады. Алматыда Іле Алатауы бір жақта ғана — батыс желі ластануды сейілтеді.
Физ
Физикалық фактор: Шымкент аспаны қыста ашық (бұлтсыз), радиациялық салқындату интенсивтірек → жер бетінің жылу шығыны жоғары → температуралық инверсия тезірек және күштірек қалыптасады. ΔT градиенті: Шымкент +18-22°C/км, Алматы +11-14°C/км.
Хим
Химиялық фактор: Шымкент маңында өндірістік аймақ (тынымсыз цемент, мұнай зауыты) + тығыз тұрғын үй котельнейлері → SO₂, NO₂ шығарымы жоғары. Инверсия кезінде осы газдар тар алқапта жинақталады.
✅ «Ыдыс» рельеф + күшті радиациялық инверсия + өндірістік шығарым = Шымкент ластануы тезірек, терең
Дескрипторлар
Географиялық фактор нақты1 балл
Физикалық механизм (инверсия градиент)1 балл
Химиялық фактор байланыстырылды1 балл
C2
Деректерді интерпретациялау · 2 балл
Диффузия заңына (Фик: J = −D × ΔC/Δx) сүйене отырып: Инверсия кезінде ластаушы газдардың диффузия жылдамдығы қалай өзгереді? Математикалық түрде негіздеп, бұл биологиялық тұрғыдан не білдіретінін жазыңыз.
⚡ Физ⚗️ Хим🧬 Биол
📐 Математикалық модель🧬 Биол. интерпретация
1
Стандарт: ΔC/Δx жоғары (жер деңгейінде жоғары, биікте төмен) → J жоғары → газ жоғарыға диффузияланады.
2
Инверсия кезінде: Инверсия қабаты газдарды ұстайды → биіктіктегі концентрация АРТАДЫ → ΔC/Δx градиенті КЕМИДІ → J кемиді (диффузия баяулайды). Жер деңгейінде концентрация ұдайы артады.
3
Биол. маңызы: Диффузия баяулаған сайын сыртта тыныс алған адамның өкпеге жеткен NO₂ дозасы уақытпен экспоненциалды артады. 4-8 сағаттық мектеп күні ішінде балалар созылмалы мөлшерде жоғары концентрациядағы ауаны жұтады.
✅ Инверсия → ΔC/Δx↓ → J↓ → газ жиналады → адам денсаулығына кумулятивтік (жинақталмалы) зиян.
Дескрипторлар
Фик заңы дұрыс қолданылды1 балл
Биологиялық кумулятивтік әсер1 балл
C3
Шешім қабылдау · 3 балл
«Қалай шешуге болады?» форматы: Шымкент қала әкімдігі сізден 5 жылдық іс-жоспар сұрады. Ластануды азайту үшін химиялық, физикалық/инженерлік және биологиялық/медициналық бағыттарда нақты, ғылыми негізделген шаралар ұсыныңыз. Деректермен негіздеңіз.
Физикалық/инженерлік шаралар: (1) Қала жасыл белдеуі — өсімдіктер PM2.5-ті 20-30%-ға сіңіреді. (2) Жоғары ғимараттар арасына желдету дәліздері — конвекцияны жасанды қалпына келтіру. (3) Ауа сапасы мониторингі (30 стансия) + уақытша ескерту жүйесі.
🧬
Биологиялық/медициналық шаралар: (1) Инверсия кезінде мектепте болу режимі (сыртта дене шынықтыруға тыйым). (2) N95 маска субсидиялау — PM2.5-ті 95%-ға ұстайды. (3) Балалар өкпесінің жыл сайынғы мониторингі — ерте диагностика.
✅ Ең тез нәтиже: дизель тыйымы + мектеп режимі. Ұзақмерзімді: ТЭЦ ауыстыру + жасыл белдеу.
Дескрипторлар
Химиялық шара ғылыми негізделді1 балл
Инженерлік/физикалық шара дерекпен1 балл
Биол./медициналық шара + басымдық1 балл
C4
Жоғары деңгейлі ой + есеп · 2 балл
Инверсия күні оқушы 8 сағат сыртта болды. CO концентрациясы 15.2 мг/м³, тыныс алу жиілігі 15 рет/мин, бір тыныста 0.5 л ауа кіреді. 8 сағатта жұтылған CO жалпы массасын (мг) есептеп, карбоксигемоглобин (COHb) деңгейінің артуы адамның танымдық қабілетіне (concentration, reaction time) қандай нақты зиян тигізеді деп болжайсыз?
⚗️ Хим🧬 Биол⚡ Физ
🧮 Есеп🧬 Физиология💡 Болжам
1
Тыныс алу саны: 15/мин × 60 мин/сағ × 8 сағ = 7200 рет
2
Ауа көлемі: 7200 × 0.5 л = 3600 л = 3.6 м³
3
m(CO) = 15.2 мг/м³ × 3.6 м³ = 54.7 мг CO
4
COHb биол. зияны: COHb 5%-ке жеткенде (8 сағ жоғары CO-да мүмкін): мидың O₂ тапшылығы → реакция уақыты 20% баяулайды, назар шашыраңқылығы артады. Балалар мен жасөспірімдерде мидың нейропластикалық дамуы баяулайды — ұзақмерзімді салдар.
✅ 8 сағатта 54.7 мг CO → COHb ↑ → танымдық қабілет, реакция жылдамдығы төмендейді