Атмосферный воздух является самой важной жизнеобеспечивающей природной средой и представляет собой смесь газов и аэрозолей приземного слоя атмосферы, сложившуюся в ходе эволюции Земли, деятельности человека и находящуюся за пределами жилых, производственных и иных помещений. Результаты экологических исследований, как в России, так и за рубежом, однозначно свидетельствуют о том, что загрязнение приземной атмосферы - самый мощный, постоянно действующий фактор воздействия на человека, пищевую цепь и окружающую среду. Атмосферный воздух имеет неограниченную емкость и играет роль наиболее подвижного, химически агрессивного и всепроникающего агента взаимодействия вблизи поверхности компонентов биосферы, гидросферы и литосферы.
В последние годы получены данные о существенной роли для сохранения биосферы озонового слоя атмосферы, поглощающего губительное для живых организмов ультрафиолетовое излучение Солнца и формирующего на высотах около 40 км тепловой барьер, предохраняющий охлаждение земной поверхности. Воздух жилищ и рабочих зон имеет важное значение из-за того, что человек проводит здесь значительную часть времени.
Атмосфера оказывает интенсивное воздействие не только на человека и биоту, но и на гидросферу, почвенно-растительный покров, геологическую среду, здания, сооружения и другие техногенные объекты. Поэтому охрана атмосферного воздуха и озонового слоя является наиболее приоритетной проблемой экологии и ей уделяется пристальное внимание во всех развитых странах.
Загрязненная приземная атмосфера вызывает рак легких, горла и кожи, расстройство центральной нервной системы, аллергические и респираторные заболевания, дефекты у новорожденных и многие другие болезни, список которых определяется присутствующими в воздухе загрязняющими веществами и их совместным воздействием на организм человека. Результаты специальных исследований, выполненных в России и за рубежом, показали, что между здоровьем населения и качеством атмосферного воздуха наблюдается тесная положительная связь.
Основные агенты воздействия атмосферы на гидросферу - атмосферные осадки в виде дождя и снега, в меньшей степени смога, тумана. Поверхностные и подземные воды суши имеют главным образом атмосферное питание и вследствие этого их химический состав зависит в основном от состояния атмосферы.
Отрицательное влияние загрязненной атмосферы на почвенно-растительный покров связано как с выпадением кислотных атмосферных осадков, вымывающих кальций, гумус и микроэлементы из почв, так и с нарушением процессов фотосинтеза, приводящих к замедлению роста и гибели растений. Высокая чувствительность деревьев (особенно березы, дуба) к загрязнению воздуха выявлена давно. Совместное действие обоих факторов приводит к заметному уменьшению плодородия почв и исчезновению лесов. Кислотные атмосферные осадки рассматриваются сейчас как мощный фактор не только выветривания горных пород и ухудшения качества несущих грунтов, но и химического разрушения техногенных объектов, включая памятники культуры и наземные линии связи. Во многих экономически развитых странах в настоящее время реализуются программы по решению проблемы кислотных атмосферных осадков.
Задавайте вопросы нашему консультанту, он ждет вас внизу экрана и всегда онлайн специально для Вас. Не стесняемся, мы работаем совершенно бесплатно!!!
Также оказываем консультации по телефону: 8 (800) 600-76-83, звонок по России бесплатный!
В рамках Национальной программы по оценке влияния кислотных атмосферных осадков, учрежденной в 1980 году многие федеральные ведомства США начали финансировать исследования атмосферных процессов, вызывающих кислотные дожди, с целью оценки влияния последних на экосистемы и выработки соответствующих природоохранных мер. Выяснилось, что кислотные дожди оказывают многоплановое воздействие на окружающую среду и являются результатом самоочищения (промывания) атмосферы. Основные кислотные агенты - разбавленные серная и азотная кислоты, образующиеся при реакциях окисления оксидов серы и азота с участием пероксида водорода.
Процессы и источники загрязнения приземной атмосферы многочисленны и разнообразны. По происхождению они подразделяются на антропогенные и природные. Среди антропогенных, к наиболее опасным процессам относятся: сгорание топлива и мусора, ядерные реакции при получении атомной энергии, испытаниях ядерного оружия, металлургия и горячая металлообработка, различные химические производства, в том числе переработка нефти и газа, угля.
При процессах сгорания топлива наиболее интенсивное загрязнение приземного слоя атмосферы происходит в мегаполисах и крупных городах, промышленных центрах ввиду широкого распространения в них автотранспортных средств, ТЭЦ, котельных и других энергетических установок, работающих на угле, мазуте, дизельном топливе, природном газе и бензине. Вклад автотранспорта в общее загрязнение атмосферного воздуха достигает здесь 40-50 %. Мощным и чрезвычайно опасным фактором загрязнения атмосферы являются катастрофы на АЭС (Чернобыльская авария) и испытания ядерного оружия в атмосфере. Это связано как с быстрым разносом радионуклидов на большие расстояния, так и с долговременным характером загрязнения территории.
Высокая опасность химических и биохимических производств заключается в потенциальной возможности аварийных выбросов в атмосферу чрезвычайно токсичных веществ, а также микробов и вирусов, которые могут вызвать эпидемии среди населения и животных.
Главный природный процесс загрязнения приземной атмосферы - вулканическая и флюидная активность Земли. Специальными исследованиями установлено, что поступление загрязняющих веществ с глубинными флюидами в приземной слой атмосферы имеет место не только в областях современной вулканической и газо-термальной деятельности, но и в таких стабильных геологических структурах, как Русская платформа. Крупные извержения вулканов приводят к глобальному и долговременному загрязнению атмосферы, о чем свидетельствуют летописи и современные наблюдательные данные (извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах). Это обусловлено тем, что в высокие слои атмосферы мгновенно выбрасываются огромные количества газов, которые на большой высоте подхватываются движущимися с высокой скоростью воздушными потоками и быстро разносятся по всему земному шару. Продолжительность загрязненного состояния атмосферы после крупных вулканических извержений достигает нескольких лет. В ряде случаев из-за наличия в воздухе большой массы рассеянных тонкодисперсных твердых аэрозолей здания, деревья и другие предметы на поверхности Земли не давали тени. Необходимо отметить, что в снеговых выпадениях многих районов Европейской России эколого-геохимическим картированием выявлены аномально высокие концентрации фтора, лития, сурьмы, мышьяка, ртути, кадмия и других тяжелых металлов, которые приурочены к узлам сочленения активных глубинных разломов и имеют, вероятно, природное происхождение. В случае сурьмы, фтора, кадмия, такие аномалии имеют значительный размер.
Малоизученным, но важным в экологическом отношении природным процессом глобального масштаба являются фотохимические реакции в атмосфере и на поверхности Земли. Особенно это касается сильно загрязненной приземной атмосферы мегаполисов, крупных городов и промышленных центров, в которых часто наблюдаются смоги.
Следует учитывать воздействие на атмосферу космических тел в виде комет, метеоритов, болидов и астероидов. Тунгусское событие 1908 года показывает, что оно может быть интенсивным и иметь глобальный масштаб.
Природные загрязнители приземной атмосферы представлены главным образом оксидами азота, серы, углерода, метаном и другими углеводородами, радоном, радиоактивными элементами и тяжелыми металлами в газообразной и аэрозольной формах. Твердые аэрозоли выбрасываются в атмосферу не только обычными, но и грязевыми вулканами.
Специальными исследованиями установлено, что интенсивность аэрозольных потоков грязевых вулканов Керченского полуострова не уступает таковой "спящих" вулканов Камчатки. Результатом современной флюидной активности Земли могут быть сложные соединения типа предельных и непредельных полициклических ароматических углеводородов, сульфида карбонила, формальдегида, фенолов, цианидов, аминов. Метан и его гомологи зафиксированы в снеговом покрове над месторождениями углеводородов в Западной Сибири, Приуралье, на Украине. В урановой провинции Атабаска (Канада) по высоким концентрациям урана в хвое черной канадской ели обнаружена Уолластоунская биохимическая аномалия размером 3000 кв. км, связанная с поступлением в приземной слой атмосферы урансодержащих газовых эманаций по глубинным разломам.
При фотохимических реакциях образуются озон, серная и азотная кислоты, разнообразные фотооксиданты, сложные органические соединения и эквимолярные смеси сухих кислот и оснований, атомарный хлор. Фотохимическое загрязнение атмосферы заметно возрастает в дневное время и в периоды солнечной активности.
В настоящее время в приземной атмосфере находятся многие десятки тысяч загрязняющих веществ антропогенного происхождения. Ввиду продолжающегося роста промышленного и сельскохозяйственного производства появляются новые химические соединения, в том числе сильно токсичные. Главными антропогенными загрязнителями атмосферного воздуха кроме крупнотоннажных оксидов серы, азота, углерода, пыли и сажи являются сложные органические, хлорорганические и нитросоединения, техногенные радионуклиды, вирусы и микробы. Наиболее опасны широко распространенные в воздушном бассейне России диоксин, бензапирен, фенолы, формальдегид, сероуглерод. Тяжелые металлы, находящиеся в приземной атмосфере Подмосковья, преимущественно в газообразном состоянии, и поэтому их нельзя уловить фильтрами. Твердые взвешенные частицы представлены главным образом сажей, кальцитом, кварцем, гидрослюдой, каолинитом, полевым шпатом, реже сульфатами, хлоридами. В снеговой пыли специально разработанными методами обнаружены окислы, сульфаты и сульфиты, сульфиды тяжелых металлов, а также сплавы и металлы в самородном виде.
В Западной Европе приоритет отдается 28 особо опасным химическим элементам, соединениям и их группам. В группу органических веществ входят акрил, нитрил, бензол, формальдегид, стирол, толуол, винилхлорид, а неорганических - тяжелые металлы (As, Cd, Cr, Pb, Mn, Hg, Ni, V), газы (угарный газ, сероводород, оксиды азота и серы, радон, озон), асбест. Преимущественно токсическое действие оказывают свинец, кадмий. Интенсивный неприятный запах имеют сероуглерод, сероводород, стирол, тетрахлорэтан, толуол. Ореол воздействия оксидов серы и азота распространяется на большие расстояния. Вышеуказанные 28 загрязнителей воздуха входят в международный реестр потенциально токсичных химических веществ.
Основные загрязнители воздуха жилых помещений - пыль и табачный дым, угарный и углекислый газы, двуокись азота, радон и тяжелые металлы, инсектициды, дезодоранты, синтетические моющие вещества, аэрозоли лекарств, микробы и бактерии. Японские исследователи показали, что бронхиальная астма может быть связана с наличием в воздухе жилищ домашних клещей.
По данным изучения пузырьков газа во льдах Антарктиды, содержание метана в атмосфере увеличилось за последние 200 лет. Измерения содержания угарного газа в воздушном бассейне штата Орегон (США) в течение 3,5 лет показали, что оно возрастало в среднем на 6 % в год. Имеются сообщения о тенденции повышения в атмосфере Земли концентрации углекислого газа и связанной с ней угрозы парникового эффекта и потепления климата. В ледниках вулканического района Камчатки обнаружены как современные, так и древние канцерогены (ПАУ, бензапирен и др.). В последнем случае они имеют, по-видимому, вулканическое происхождение. Закономерности изменений во времени атмосферного кислорода, имеющего наиболее важное значение для обеспечения жизнедеятельности, изучены слабо.
Обнаружено возрастание в атмосфере оксидов азота и серы зимой в связи с увеличением объемов сжигания топлива и более частым образованием смогов в этот период.
Результаты режимного опробования снеговых выпадений в Подмосковье свидетельствуют как о синхронных региональных изменениях их состава во времени, так и о локальных особенностях динамики химического состояния приземной атмосферы, связанных с функционированием местных источников пылегазовыбросов. В морозные зимы в снеговом покрове увеличивалось содержание сульфатов, нитратов и соответственно кислотности снеговой воды. Снеговая вода начального периода зимы отличалась повышенным содержанием сульфат-, хлор - и аммоний - ионов. По мере выпадения снега к середине зимнего периода оно заметно (в 2 - 3 раза) снижалось, а затем снова и резко (до 4 - 5 раз для хлор - иона) увеличивалось. Такие особенности изменения химического состава снеговых выпадений во времени объясняются повышенной загрязненностью приземной атмосферы при первых снегопадах. По мере усиления ее "промытости" загрязненность снегового покрова уменьшается, снова увеличиваясь в периоды, когда снега выпадает мало.
Для атмосферы характерна чрезвычайно высокая динамичность, обусловленная как быстрым перемещением воздушных масс в латеральном и вертикальном направлениях, так и высокими скоростями, разнообразием протекающих в ней физико-химических реакций. Атмосфера рассматривается сейчас как огромный "химический котел", который находится под воздействием многочисленных и изменчивых антропогенных и природных факторов. Газы и аэрозоли, выбрасываемые в атмосферу, характеризуются высокой реакционной способностью. Пыль и сажа, возникающие при сгорании топлива, лесных пожарах, сорбируют тяжелые металлы и радионуклиды и при осаждении на поверхность могут загрязнить обширные территории, проникнуть в организм человека через органы дыхания. Аэрозоли разделяются на первичные (выбрасываются из источников загрязнения), вторичные (образуются в атмосфере), летучие (переносятся на далекие расстояния) и нелетучие (отлагаются на поверхности вблизи зон пылегазовыбросов). Устойчивые и тонкодисперсные летучие аэрозоли - (кадмий, ртуть, сурьма, йод-131 и др.) имеют тенденцию накапливаться в низинах, заливах и других понижениях рельефа, в меньшей степени на водоразделах.
Выявлена тенденция совместного накопления в твердых взвешенных частицах приземной атмосферы Европейской России свинца и олова; хрома, кобальта и никеля; стронция, фосфора, скандия, редких земель и кальция; бериллия, олова, ниобия, вольфрама и молибдена; лития, бериллия и галлия; бария, цинка, марганца и меди. Литий, мышьяк, висмут часто не сопровождаются повышенными содержаниями других микроэлементов. Высокие концентрации в снеговой пыли тяжелых металлов обусловлены как присутствием их минеральных фаз, образовавшихся при сжигании угля, мазута и других видов топлива, так и сорбцией сажей, глинистыми частицами газообразных соединений типа галогенидов олова. Выявленные особенности пространственно-временного распределения загрязняющих веществ следует учитывать при интерпретации наблюдательных данных о загрязнении воздуха.
Время "жизни" газов и аэрозолей в атмосфере колеблется в очень широком диапазоне (от 1 - 3 минут до нескольких месяцев) и зависит в основном от их химической устойчивости размера (для аэрозолей) и присутствия реакционно-способных компонентов (озон, пероксид водорода и др.). Поэтому в трансграничных переносах загрязняющих веществ участвуют главным образом химические элементы и соединения в виде газов, не способных к химическим реакциям и термодинамически-устойчивых в условиях атмосферы. Вследствие этого борьба с трансграничными переносами, являющимися одной из наиболее актуальных проблем защиты качества воздуха, сильно затруднена.
Оценка и тем более прогноз состояния приземной атмосферы являются очень сложной проблемой. В настоящее время ее состояние оценивается главным образом по нормативному подходу. Величины ПДК токсических химических веществ и другие нормативные показатели качества воздуха приведены во многих справочниках и руководствах. В таком руководстве для Европы кроме токсичности загрязняющих веществ (канцерогенное, мутагенное, аллергенное и другие воздействия) учитываются их распространенность и способность к аккумуляции в организме человека и пищевой цепи. Недостатки нормативного подхода - ненадежность принятых значений ПДК и других показателей из-за слабой разработанности их эмпирической наблюдательной базы, отсутствие учета совместного воздействия загрязнителей и резких изменений состояния приземного слоя атмосферы во времени и пространстве. Стационарных постов наблюдения за воздушным бассейном мало, и они не позволяют адекватно оценить его состояние в крупных промышленно - урбанизированных центрах. В качестве индикаторов химического состава приземной атмосферы можно использовать хвою, лишайники, мхи. На начальном этапе выявления очагов радиоактивного загрязнения, связанных с чернобыльской аварией, изучалась хвоя сосны, обладающая способностью накапливать радионуклиды, находящиеся в воздухе. Широко известно покраснение игл хвойных деревьев в периоды смогов в городах.
Наиболее чутким и надежным индикатором состояния приземной атмосферы является снеговой покров, депонирующий загрязняющие вещества за сравнительно длительный период времени и позволяющий установить местоположение источников пылегазовыбросов по комплексу показателей. В снеговых выпадениях фиксируются загрязнители, которые не улавливаются прямыми измерениями или расчетными данными по пылегазовыбросам. Снегохимическая съемка дает возможность оценить запасы загрязнителей в снеговом покрове, а также "мокрую" и "сухую" нагрузки на окружающую среду, которые выражаются в определении количества (массы) выпадений загрязняющих веществ в единицу времени на единицу площади. Широкому применению съемки способствует то, что основные промышленные центры России находятся в зоне устойчивого снегового покрова. К перспективным направлениям оценки состояния приземной атмосферы крупных промышленно - урбанизированных территорий относится многоканальное дистанционное зондирование.
Преимущество этого метода заключается в способности быстро, неоднократно и в "одном ключе" охарактеризовать большие площади. К настоящему времени разработаны способы оценки содержания в атмосфере аэрозолей. Развитие научно-технического прогресса позволяет надеяться на выработку таких способов и в отношении других загрязняющих веществ. Прогноз состояния приземной атмосферы осуществляется по комплексным данным. К ним, прежде всего, относятся результаты мониторинговых наблюдений, закономерности миграции и трансформации загрязняющих веществ в атмосфере, особенности антропогенных и природных процессов загрязнения воздушного бассейна изучаемой территории, влияние метеопараметров, рельефа и других факторов на распределение загрязнителей в окружающей среде. Для этого в отношении конкретного региона разрабатываются эвристичные модели изменения приземной атмосферы во времени и пространстве. Наибольшие успехи в решении этой сложной проблемы достигнуты для районов расположения АЭС. Конечный результат применения таких моделей - количественная оценка риска загрязнения воздуха и оценка его приемлемости с социально-экономической точки зрения.
Источники загрязнения атмосферы
К природным источникам загрязнения относятся: извержения вулканов, пыльные бури, лесные пожары, пыль космического происхождения, частицы морской соли, продукты растительного, животного и микробиологического происхождения. Уровень такого загрязнения рассматривается в качестве фонового, который мало изменяется со временем.
Главный природный процесс загрязнения приземной атмосферы – вулканическая и флюидная активность Земли Крупные извержения вулканов приводят к глобальному и долговременному загрязнению атмосферы, о чем свидетельствуют летописи и современные наблюдательные данные (извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах). Это обусловлено тем, что в высокие слои атмосферы мгновенно выбрасываются огромные количества газов, которые на большой высоте подхватываются движущимися с высокой скоростью воздушными потоками и быстро разносятся по всему земному шару. Продолжительность загрязненного состояния атмосферы после крупных вулканических извержений достигает нескольких лет.
Антропогенные источники загрязнения обусловлены хозяйственной деятельностью человека. К ним следует отнести:
1. Сжигание горючих ископаемых, которое сопровождается выбросом 5 млрд. т. углекислого газа в год. В результате этого за 100 лет (1860 – 1960 гг.) содержание СО2 увеличилось на 18 % (с 0,027 до 0,032%). За последние три десятилетия темпы этих выбросов значительно возросли. При таких темпах к 2000 г. количество углекислого газа в атмосфере составит не менее 0,05%.
2. Работа тепловых электростанций, когда при сжигании высокосернистых углей в результате выделения сернистого газа и мазута образуются кислотные дожди.
3. Выхлопы современных турбореактивных самолетов с оксидами азота и газообразными фторуглеводородами из аэрозолей, которые могут привести к повреждению озонового слоя атмосферы (озоносферы).
4. Производственная деятельность.
5. Загрязнение взвешенными частицами (при измельчении, фасовке и загрузке, от котельных, электростанций, шахтных стволов, карьеров при сжигании мусора).
6. Выбросы предприятиями различных газов.
7. Сжигание топлива в факельных печах, в результате чего образуется самый массовый загрязнитель – монооксид углерода.
8. Сжигание топлива в котлах и двигателях транспортных средств, сопровождающееся образованием оксидов азота, которые вызывают смог.
9. Вентиляционные выбросы (шахтные стволы).
10. Вентиляционные выбросы с чрезмерной концентрацией озона из помещений с установками высоких энергий (ускорители, ультрафиолетовые источники и атомные реакторы) при ПДК в рабочих помещениях 0,1 мг/м3. В больших количествах озон является высокотоксичным газом.
При процессах сгорания топлива наиболее интенсивное загрязнение приземного слоя атмосферы происходит в мегаполисах и крупных городах, промышленных центрах ввиду широкого распространения в них автотранспортных средств, ТЭЦ, котельных и других энергетических установок, работающих на угле, мазуте, дизельном топливе, природном газе и бензине. Вклад автотранспорта в общее загрязнение атмосферного воздуха достигает здесь 40-50 %. Мощным и чрезвычайно опасным фактором загрязнения атмосферы являются катастрофы на АЭС (Чернобыльская авария) и испытания ядерного оружия в атмосфере. Это связано как с быстрым разносом радионуклидов на большие расстояния, так и с долговременным характером загрязнения территории.
Высокая опасность химических и биохимических производств заключается в потенциальной возможности аварийных выбросов в атмосферу чрезвычайно токсичных веществ, а также микробов и вирусов, которые могут вызвать эпидемии среди населения и животных.
В настоящее время в приземной атмосфере находятся многие десятки тысяч загрязняющих веществ антропогенного происхождения. Ввиду продолжающегося роста промышленного и сельскохозяйственного производства появляются новые химические соединения, в том числе сильно токсичные. Главными антропогенными загрязнителями атмосферного воздуха кроме крупнотоннажных оксидов серы, азота, углерода, пыли и сажи являются сложные органические, хлорорганические и нитросоединения, техногенные радионуклиды, вирусы и микробы. Наиболее опасны широко распространенные в воздушном бассейне России диоксин, бенз(а)пирен, фенолы, формальдегид, сероуглерод. Твердые взвешенные частицы представлены главным образом сажей, кальцитом, кварцем, гидрослюдой, каолинитом, полевым шпатом, реже сульфатами, хлоридами. В снеговой пыли специально разработанными методами обнаружены окислы, сульфаты и сульфиты, сульфиды тяжелых металлов, а также сплавы и металлы в самородном виде.
В Западной Европе приоритет отдается 28 особо опасным химическим элементам, соединениям и их группам. В группу органических веществ входят акрил, нитрил, бензол, формальдегид, стирол, толуол, винилхлорид, а неорганических – тяжелые металлы (As, Cd, Cr, Pb, Mn, Hg, Ni, V), газы (угарный газ, сероводород, оксиды азота и серы, радон, озон), асбест. Преимущественно токсическое действие оказывают свинец, кадмий. Интенсивный неприятный запах имеют сероуглерод, сероводород, стирол, тетрахлорэтан, толуол. Ореол воздействия оксидов серы и азота распространяется на большие расстояния. Вышеуказанные 28 загрязнителей воздуха входят в международный реестр потенциально токсичных химических веществ.
Основные загрязнители воздуха жилых помещений – пыль и табачный дым, угарный и углекислый газы, двуокись азота, радон и тяжелые металлы, инсектициды, дезодоранты, синтетические моющие вещества, аэрозоли лекарств, микробы и бактерии. Японские исследователи показали, что бронхиальная астма может быть связана с наличием в воздухе жилищ домашних клещей.
Для атмосферы характерна чрезвычайно высокая динамичность, обусловленная как быстрым перемещением воздушных масс в латеральном и вертикальном направлениях, так и высокими скоростями, разнообразием протекающих в ней физико-химических реакций. Атмосфера рассматривается сейчас как огромный «химический котел», который находится под воздействием многочисленных и изменчивых антропогенных и природных факторов. Газы и аэрозоли, выбрасываемые в атмосферу, характеризуются высокой реакционной способностью. Пыль и сажа, возникающие при сгорании топлива, лесных пожарах, сорбируют тяжелые металлы и радионуклиды и при осаждении на поверхность могут загрязнить обширные территории, проникнуть в организм человека через органы дыхания.
Выявлена тенденция совместного накопления в твердых взвешенных частицах приземной атмосферы Европейской России свинца и олова; хрома, кобальта и никеля; стронция, фосфора, скандия, редких земель и кальция; бериллия, олова, ниобия, вольфрама и молибдена; лития, бериллия и галлия; бария, цинка, марганца и меди. Высокие концентрации в снеговой пыли тяжелых металлов обусловлены как присутствием их минеральных фаз, образовавшихся при сжигании угля, мазута и других видов топлива, так и сорбцией сажей, глинистыми частицами газообразных соединений типа галогенидов олова.
Время «жизни» газов и аэрозолей в атмосфере колеблется в очень широком диапазоне (от 1 – 3 минут до нескольких месяцев) и зависит в основном от их химической устойчивости размера (для аэрозолей) и присутствия реакционно-способных компонентов (озон, пероксид водорода и др.).
Оценка и тем более прогноз состояния приземной атмосферы являются очень сложной проблемой. В настоящее время ее состояние оценивается главным образом по нормативному подходу. Величины ПДК токсических химических веществ и другие нормативные показатели качества воздуха приведены во многих справочниках и руководствах. В таком руководстве для Европы кроме токсичности загрязняющих веществ (канцерогенное, мутагенное, аллергенное и другие воздействия) учитываются их распространенность и способность к аккумуляции в организме человека и пищевой цепи. Недостатки нормативного подхода – ненадежность принятых значений ПДК и других показателей из-за слабой разработанности их эмпирической наблюдательной базы, отсутствие учета совместного воздействия загрязнителей и резких изменений состояния приземного слоя атмосферы во времени и пространстве. Стационарных постов наблюдения за воздушным бассейном мало, и они не позволяют адекватно оценить его состояние в крупных промышленно – урбанизированных центрах. В качестве индикаторов химического состава приземной атмосферы можно использовать хвою, лишайники, мхи. На начальном этапе выявления очагов радиоактивного загрязнения, связанных с чернобыльской аварией, изучалась хвоя сосны, обладающая способностью накапливать радионуклиды, находящиеся в воздухе. Широко известно покраснение игл хвойных деревьев в периоды смогов в городах.
Наиболее чутким и надежным индикатором состояния приземной атмосферы является снеговой покров, депонирующий загрязняющие вещества за сравнительно длительный период времени и позволяющий установить местоположение источников пылегазовыбросов по комплексу показателей. В снеговых выпадениях фиксируются загрязнители, которые не улавливаются прямыми измерениями или расчетными данными по пылегазовыбросам.
К перспективным направлениям оценки состояния приземной атмосферы крупных промышленно – урбанизированных территорий относится многоканальное дистанционное зондирование. Преимущество этого метода заключается в способности быстро, неоднократно и в «одном ключе» охарактеризовать большие площади. К настоящему времени разработаны способы оценки содержания в атмосфере аэрозолей. Развитие научно-технического прогресса позволяет надеяться на выработку таких способов и в отношении других загрязняющих веществ.
Прогноз состояния приземной атмосферы осуществляется по комплексным данным. К ним, прежде всего, относятся результаты мониторинговых наблюдений, закономерности миграции и трансформации загрязняющих веществ в атмосфере, особенности антропогенных и природных процессов загрязнения воздушного бассейна изучаемой территории, влияние метеопараметров, рельефа и других факторов на распределение загрязнителей в окружающей среде. Для этого в отношении конкретного региона разрабатываются эвристичные модели изменения приземной атмосферы во времени и пространстве. Наибольшие успехи в решении этой сложной проблемы достигнуты для районов расположения АЭС. Конечный результат применения таких моделей – количественная оценка риска загрязнения воздуха и оценка его приемлемости с социально-экономической точки зрения.
Основные загрязнения атмосферы
Огромное число вредных веществ находится в воздухе, которым мы дышим. Это и твердые частицы, например частицы сажи, асбеста, свинца, и взвешенные жидкие капельки углеводородов и серной кислоты, и газы, такие, как оксид углерода, оксиды азота, диоксид серы. Все эти загрязнения, находящиеся в воздухе, оказывают биологическое воздействие на организм человека: затрудняется дыхание, осложняется и может принять опасный характер течение сердечно-сосудистых заболеваний. Под действием одних содержащихся в воздухе загрязнителей (например, диоксида серы и углерода) подвергаются коррозии различные строительные материалы, в том числе известняк и металлы. Кроме того, может измениться облик местности, поскольку растения также чувствительны к загрязнению воздуха.
Смог (от англ. smoke – дым и fog – туман), нарушающий нормальное состояние воздуха многих городов, возникает в результате реакции между содержащимися в воздухе углеводородами и оксидами азота, находящимися в выхлопных газах автомобилей.
К основным загрязнителям атмосферы, которых, по данным ЮНЕП (Программа ООН по окружающей среде), ежегодно выделяется до 25 млрд. т, относят:
• диоксид серы и частицы пыли – 200 млн. т/год;
• оксиды азота (NxOy) – 60 млн. т/год;
• оксиды углерода (СО и СО2) – 8000 млн. т/год;
• углеводороды (СxНу) – 80 млн. т/год.
Оксид серы IV SO2. При растворении в воде образует кислотные дожди: Н2О + SO2 = H2SO3. Выделяется в атмосферу в основном в результате работы теплоэлектростанций (ТЭС) при сжигании бурого угля и мазута, а так же серосодержащих руд - PbS, ZnS, Cus, NiS, MnS и т.д.
Россия входит в конвенцию по SO2 и участвует во всех процессах, способствующих снижению выбросов окислов серы в атмосферу. В основном это строительство заводов по производству серной кислоты по схеме: диоксид серы – триоксид серы – серная кислота. Используя оксиды серы как вторичное сырье, человечество для производства такого необходимого ему во многих отраслях промышленности продукта, как серная кислота, перестанет извлекать из недр ограниченные запасы серы.
Даже при среднем содержании оксидов серы в воздухе порядка 100 мкг на кубометр, что нередко имеет место в городах, растения приобретают желтоватый оттенок. Отмечено, что заболевания дыхательных путей, например, бронхиты, учащаются при повышении уровня оксидов серы в воздухе.
Разработано большое число методов для улавливания двуокиси серы из отходящих дымовых газов. Весьма привлекательными оказались скрубберные установки, дающие отходы в виде продуктов, имеющих спрос на рынке: один из таких скрубберов производит серу высокой чистоты, другой – разбавленную серную кислоту. Последнюю невыгодно перевозить на большие расстояния, но высокочистая сера, которая находит применение при производстве лекарственных препаратов, промышленных реагентов, удобрений в развитых странах привлекает и потребителей из-за рубежа.
В России пока удалось решить эту проблему на большей части европейской территории. В азиатской части, где трудно решить вопросы с транспортировкой серной кислоты, например, огромные массы SO2 комбината «Норильский никель», которые выбрасывают высокие (до 100 м) трубы, достигают Канады через Северный полюс. Эта проблема в разных регионах России требует срочного решения. В Москве, например, на единственном нефтеперерабатывающем заводе в Капотне запрещено использовать серосодержащие нефтепродукты.
Оксиды азота (NxOy). В природе оксиды азота образуются при лесных пожарах. Высокие концентрации оксидов азота в городах и окрестностях промышленных предприятий связаны с деятельностью человека. В значительном количестве оксиды азота выделяют ТЭС и двигатели внутреннего сгорания. Выделяются оксиды азота и при травлении металлов азотной кислотой. Производство взрывчатых веществ и азотной кислоты – еще два источника выбросов оксидов азота в атмосферу.
Загрязняют атмосферу:
• N2 O – оксид азота I (веселящий газ), обладает наркотическими свойствами, используется при хирургических операциях;
• NO – оксид азота II, действует на нервную систему человека, вызывает паралич и судороги, связывает гемоглобин крови и вызывает кислородное голодание;
• NO2, N2 O4 – оксиды азота V (N2 О4 = 2NО2), при взаимодействии с водой образуют азотную кислоту 4NO2 + 2Н2О + О2 = 4HNО3. Вызывают поражение дыхательных путей и отек легких.
Уровни фотохимического загрязнения воздуха тесно связаны с режимом движения автотранспорта. В период высокой интенсивности движения утром и вечером отмечается пик выбросов в атмосферу оксидов азота и углеводородов. Именно эти соединения, вступая в реакции друг с другом, обусловливают фотохимическое загрязнение воздуха.
Оксид углерода II (СО). Концентрация оксида углерода II в городском воздухе больше, чем любого другого загрязнителя. Однако поскольку этот газ не имеет ни цвета, ни запаха, ни вкуса, наши органы чувств не в состоянии обнаружить его. Самый крупный источник оксида углерода в городах – автотранспорт.
Оксид углерода IV (СО2 ). Влияние углекислого газа (СО2) связано с его способностью поглощать инфракрасное излучение (ИК) в диапазоне длин волн от 700 до 1400 нм. Земля, как известно, получает практически всю свою энергию от Солнца в лучах видимого участка спектра (от 400 до 700 нм), а отражает в виде длинноволнового ИК-излучения.
С 1850 г. содержание СО2 в атмосфере возросло с 0,027 до 0,033% в связи с техногенной деятельностью. Человечество сожгло в XX в. ископаемых видов топлива столько, сколько за весь период своего существования до XX в. Поглощая ИК-излучение, СО2 действует как парниковая пленка.
Механизмом вывода углекислого газа из атмосферы является поглощение его в результате фотосинтеза растений, а также связывание его в океанских водах по реакции: СО2 +Н2 О+ Са2+ = =СаСО3 +2Н+.
Пыль. Причины основных выбросов пыли в атмосферу – это пыльные бури, эрозия почв, вулканы, морские брызги. Около 15– 20% общего количества пыли и аэрозолей в атмосфере – дело рук человека: производство стройматериалов, дробление пород в горнодобывающей промышленности, производство цемента, строительство. Промышленная пыль часто включает также оксиды различных металлов и неметаллов, многие из которых токсичны (оксиды марганца, свинца, молибдена, ванадия, сурьмы, теллура).
Пыль и аэрозоли не только затрудняют дыхание, но и приводят к климатическим изменениям, поскольку отражают солнечное излучение и затрудняют отвод тепла от Земли. Например, так называемые смоги в очень населенных южных городах (Мехико – 22 млн. жителей и др.) снижают прозрачность атмосферы в 2–5 раз.
Кислород (О2). Главным продуцентом кислорода на Земле служат зеленые водоросли поверхности океана (60%) и тропические леса суши (30%). Тропические леса Амазонки называют легкими планеты Земля. Ранее в литературе высказывались опасения, что возможно уменьшение количества кислорода на Земле вследствие увеличения объема сжигаемого ископаемого топлива. Но расчеты показывают, что использование всех доступных человеку залежей угля, нефти и природного газа уменьшит содержание кислорода в воздухе не более чем на 0,15% (с 20,95 до 20,80%). Другая проблема – вырубка лесов, приводящая к возникновению кислородных «паразитов» – стран, которые живут за счет чужого кислорода. Например, США за счет своих растений имеет только 45% кислорода, Швейцария – 25%.
Озон (О3). Наиболее распространенной количественной оценкой состояния озона в атмосфере является толщина озонного слоя Х – это толщина слоя озона, приведенного к нормальным условиям, которая в зависимости от сезона, широты и долготы колеблется от 2,5 до 5 относительных мм. Области с уменьшенным содержанием на 40–50% озона в атмосфере называют «озоновыми дырами».
Около 90% озона находится в стратосфере. Долгое время считалось, что основной причиной истощения озонного слоя являются полеты космических кораблей и сверхзвуковых самолетов, а также извержения вулканов и другие природные явления.
Разрушительное действие хлорфторуглеродных соединений (ХФУ) на стратосферный озон было открыто американскими учеными – специалистами в области химии атмосферы Ш. Роулендом и М. Молина (в 1996 г. за открытия в этой области им присуждена Нобелевская премия). С тех пор не раз предпринимались попытки ограничить выброс ХФУ в атмосферу, и тем не менее сейчас во всем мире ежегодно производится около миллиона тонн газообразных веществ, способных разрушить озонный слой.
ХФУ, часто встречающиеся в быту и в промышленном производстве, – это пропелленты в аэрозольных упаковках, хладоагенты (фреоны) в холодильниках и кондиционерах. Они применяются и при производстве вспененного полиуретана, и при чистке электронной техники.
Постепенно ХФУ поднимаются в верхний слой атмосферы и разрушают озонный слой – щит атмосферы, спасающий от УФ-излучения. Время жизни двух самых опасных фреонов – Ф-11 и Ф-12 – от 70 до 100 лет. Этого вполне достаточно, чтобы в ближайшее время ощутить на себе последствия сегодняшней экологической неграмотности. Если, сохранятся современные темпы выброса ХФУ в атмосферу, то в ближайшие 70 лет количество стратосферного озона уменьшится на 90%.
При этом весьма вероятно, что:
• рак кожи примет эпидемический характер;
• резко сократится количество планктона в океане;
• исчезнут многие виды животных, например, ракообразные;
• УФ-излучение неблагоприятно скажется на сельскохозяйственных культурах.
Все это нарушает равновесие во многих экосистемах Земли, из-за фотохимического смога ухудшится общее состояние атмосферы, усилится «парниковый эффект».
Основные санитарные требования к качеству атмосферного воздуха. Основным критерием контроля качества атмосферного воздуха является ПДК токсичных веществ. При санитарной оценке качества атмосферного воздуха принято выражать содержание загрязняющих веществ в мг на м3 воздуха. Это выражение концентрации применимо для любого агрегатного состояния примесей.
Критерием оценки влияния выбросов предприятий на окружающую среду является уровень практических концентраций примесей в атмосфере, полученных в результате рассеивания выбросов, по сравнению с предельно допустимыми.
Для атмосферного воздуха установлены соответствующие значения ПДК.
Концентрация вредных веществ в воздухе производственных помещений не должна превышать ПДКр.з., в воздухе для вентиляции производственных помещений – 0,3 ПДКр.з.; в атмосферном воздухе населенных пунктов – ПДК м.р.; в зоне отдыха и курортов - 0,8 ПДК м.р..
Нормы ПДК служат исходной базой для проектирования и экспертизы новых машин и механизмов, технологических линий, промышленных сооружений и предприятий, а также для расчета вентиляционных, газопылеулавливающих и кондиционирующих систем, контролирующих приборов и систем сигнализации.
Основные организации, контролирующие выбросы предприятий в атмосферный воздух, – санитарно-эпидемиологические станции (СЭС); территориальные управления Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды; Государственная инспекция по контролю за работой газоочистных и пылеулавливающих установок.
Для предотвращения загрязнения атмосферы введены нормативы на выбросы вредных веществ непосредственно из каждого источника (труба, шахта и т.д.). Государственным стандартом установлены величины предельно допустимых выбросов (ПДВ) вредных веществ в атмосферу:
ПДВ – количество вредных веществ, выбрасываемых в единицу времени (г/с), которое в сумме с выбросами из других источников загрязнения не создает приземной концентрации примеси, превышающей значение ПДК. Это научно-технический норматив для конкретного источника загрязнения, обязательный для данного предприятия.
Если в воздухе населенных мест концентрация превышает ПДК, а величина ПДВ по объективным причинам не может быть достигнута, то фактический выброс называется временно согласованным выбросом (ВСВ).
Нормативные выбросы вредных веществ устанавливают для каждого источника загрязнения в г/с и для всего предприятия в целом (т/год). При установлении ПДВ или ВСВ необходимо учитывать фоновые концентрации, значения которых определяются для предприятия территориальными организациями Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Для городов с населением меньше 250 тыс. человек приняты следующие нормы фоновых концентраций основных токсикантов:
Методика для расчета ПДВ основана на применении модели, которая учитывает индивидуальные свойства загрязнителя (ПДКм.р.); фоновую концентрацию Сф; геометрические размеры источника загрязнения (h – высота, м; D – диаметр устья, м); условия выхода газового потока из источника (Т – разность температур выбрасываемой смеси и окружающего воздуха, V – средняя скорость выхода смеси из устья источника, м/с); W, f – условия вертикального и горизонтального рассеивания вредного вещества в атмосферном воздухе; А, – показатель относительной агрессивности; F – коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в воздухе; п – коэффициент, учитывающий рельеф местности.
Физико-химические методы очистки атмосферы от газообразных загрязнителей. Основное направление защиты воздушного бассейна от загрязнений вредными веществами – создание новой безотходной технологии с замкнутыми циклами производства и комплексным использованием сырья.
Многие действующие предприятия используют технологические процессы с открытыми циклами производства. В этом случае отходящие газы перед выбросом в атмосферу подвергаются очистке с помощью скрубберов, фильтров и т.д. Это дорогая технология, и только в редких случаях стоимость извлекаемых из отходящих газов веществ может покрыть расходы на строительство и эксплуатацию очистных сооружений.
Наиболее распространены при очистке газов адсорбционные, абсорбционные и каталитические методы.
Санитарная очистка промышленных газов включает в себя очистку от СО2, СО, оксидов азота, 8O2, от взвешенных частиц. Все процессы очистки осуществляются с помощью специальных фильтров, скрубберов.
Последствия загрязнения атмосферы
Загрязнение атмосферы влияет на все природные компоненты, обусловливает изменение озонового слоя, парниковый эффект, образование кислотных дождей и смогов. Рассмотрим указанные последствия загрязнения в отдельности.
Парниковый эффект – это разогревание нижних слоев атмосферы благодаря парниковым газам. К парниковым газам относятся двуокись углерода (СО2), метан (СН4), окислы азота (NхO), фреоны. Относительный вклад в парниковый эффект газов следующий: СО2 – 60%, СН4 – 15%, N2О – 5%, О3 – 8%, ХФУ – 12%. Антропогенные источники углекислого газа – сжигание топлива, цементное производство, вырубка лесов, изменение подстилающей поверхности. Антропогенные источники метана – скотоводство, рисосеяние, твердые отходы, угольные карьеры, газовые и нефтяные скважины, утечка из газопроводов – 300 – 109 кг в год. Источники оксидов азота – сельское хозяйство, сжигание биомассы, промышленность, производящая азотсодержащие вещества.
Истощение озонового слоя. Содержание озона в атмосфере определяется естественными и антропогенными факторами. Около 85-90% общего количества озона находится в стратосфере, небольшая часть – в тропосфере. Если весь озон привести к нормальному атмосферному давлению (760 мм рт.ст.) и температуре 0о C, то его толщина составит в среднем 3 мм. Количество озона изменяется при вулканических извержениях, изменении солнечной активности, температуры воздуха. В максимуме одиннадцатилетнего цикла солнечной активности содержание озона в высоких и средних широтах оказалось на несколько процентов выше, чем в минимуме. После крупных вулканических извержений содержание озона в стратосфере понижается. Связь общего содержания озона с температурой в тропосфере отрицательная, в стратосфере – положительная. При понижении температуры зимой до – 50оС в районе Сибирского максимума общее содержание озона возрастало до 600.10 –3 см. В тропосфере плотность озона перед грозой и при грозе может возрастать в 10 раз.
Основным фактором, уменьшающим содержание озона в стратосфере, является антропогенная деятельность. К разрушению озонового слоя приводят фреоны (фтор– и хлорпроизводные метана, этана, циклобутана), бромсодержащие соединения, оксиды азота и др. Фреоны широко используются при производстве холодильников и кондиционеров, аэрозольных упаковок. Основными поставщиками хлорфторуглеродов (фреонов) является США (30,85%), Япония (12,42%), Великобритания(8,62%), Россия (8%). Бромсодержащие соединения выбрасываются в атмосферу при сжигании биомассы, работе двигателей внутреннего сгорания, в результате хозяйственной деятельности и т.д. Хлор- и бромсодержащие соединения способны оставаться в атмосфере 50 – 150 лет. Источниками поступления оксидов азота являются атомные взрывы в атмосфере, полеты самолетов в стратосфере, использование минеральных удобрений и сжигание топлива.
Содержание озона в северном полушарии снижается севернее 40ос.ш. на 5-20 %, над Антарктикой уменьшение количества озона превышает указанную величину на 30-40%. Образованию озоновых дыр над Антарктикой способствует режим общей циркуляции атмосферы. В зависимости от интенсивности антарктического вихря глубина озоновой дыры изменяется. При интенсивном полярном вихре происходит изоляция холодных воздушных масс над Антарктикой, температура в стратосфере минимальна (–80оС), развиваются условия, способствующие разрушению озона. В северном полушарии частый обмен воздухом между полярными и умеренными широтами препятствует формированию мощного вихря. Поэтому температура стратосферы выше и разрушение озона существенно меньше.
Уменьшение содержания озона в атмосфере увеличивает интенсивность и дозы ультрафиолетового излучения. При уменьшении общего содержания озона на 10% интенсивность прямого солнечного излучения с длиной волны 0,292 мкм увеличивается в 6 раз, интенсивность излучения с длиной волны 0,287 мкм возрастает в 50 раз. Снижение количества озона на 1% увеличивает интенсивность эффективного излучения на 2%. Поглощение солнечного излучения озоном приводит к значительному нагреванию атмосферы на высотах от 30 до 75 км.
Увеличение количества ультрафиолетового излучения разрушает важнейшие биологические элементы – белки и нуклеиновые кислоты. У человека появляются ожоги на коже, при длительном действии этого излучения повышенной интенсивности развивается рак кожи.
Кислотные дожди. Кислотные дожди – дожди, подкисленные (рН ниже 5,6) из-за растворения в атмосферной влаге промышленных выбросов (SO2, NOх, НCl и др.). В Западной Европе максимальная зарегистрированная кислотность осадков рН=2,3. Двуокись серы поступает из теплоэлектростанций и других стационарных источников при сжигании ископаемого топлива (88%), при переработке сульфидных руд (5%), нефтепродуктов, производстве серной кислоты и др.(7%). Для оксидов азота среди стационарных источников топливно-энергетический комплекс дает 85% выбросов, производство цемента, извести, стекла, металлургические процессы и др.- 12%. Аммиак поступает от животноводческих комплексов и предприятий по производству удобрений. Основные источники летучих органических соединений – химические производства, нефтехранилища и т.д.
Первым экономически ощутимым следствием выпадения кислотных дождей была утрата рыбных ресурсов. Сотни озер Скандинавии и Британских островов стали безрыбными. Исследование донных отложений показало снижение рН на единицу в первой половине 19в. Среди факторов, воздействующих на популяции рыб в связи с подкислением, называют нехватку кальция, осаждение алюминия на жабрах и др.
Подкисление водоемов происходит также и за счет вымывания анионов серной и азотной кислот из почвы. Подкисление почвы приводит к изменению Al/Ca и Al/Mg, которые в Центральной Европе за 20 лет (1970-1990гг.) возросли почти в 2 раза. Кислотные дожди выщелачивают и уносят из почвы такие питательные вещества, как Са, Мg, К.
Подкисление почв – одна из основных причин усыхания лесов умеренной зоны северного полушария. Больше всего пострадали елово-пихтовые и дубовые леса. Эффекты подкисления можно подразделить на химические и биологические. Химические эффекты заключаются в изменении катионного обмена растений, в результате чего растения страдают от недостатка магния и избытка алюминия, в котором видят главную причину пожелтения хвои. Кислотные дожди снижают интенсивность фотосинтеза. Биологические эффекты многообразны. В частности, кислотная среда подавляет рост корней. Повышенное содержание азота и свободных нуклеиновых кислот стимулирует развитие лесных вредителей. Косвенные воздействия выражаются в пролонгации (продлении) летнего роста и повышенной чувствительности к первым заморозкам.
Смог. В результате антропогенной деятельности образуется смог. Смог – это сочетание пылевых частиц и капель тумана. Выделяют два типа смогов: лондонский и лос-анджелесский. Лондонский смог представляет собой сочетание газообразных загрязнителей (в основном сернистого ангидрида), пылевых частиц и капель тумана. Смог лос-анджелесский – это вторичное загрязнение воздуха, возникающее в результате разложения загрязняющих веществ солнечными лучами, особенно ультрафиолетовыми. Главный ядовитый компонент смога – озон. Под действием ультрафиолетового излучения NО2 распадается на NО и О. О + О2 = О3.На образование и устойчивость этого типа смога влияют атмосферная инверсия, солнечное излучение и степень загрязнения воздуха выбросами транспорта и промышленности.
Химическое загрязнение атмосферы непосредственно влияет на состояние здоровья человека. Установлена четкая корреляционная связь между загрязнением атмосферы и заболеваниями органов дыхания: бронхитами, трахеитами, астмой, пневмониями, раком легких. Смертность от рака легких в последние 10 лет удвоилась. Наиболее чувствительны к воздействию загрязненного воздуха люди пожилого возраста, дети и люди, страдающие хроническими заболеваниями органов дыхания.
Под воздействием угарного газа, оксидов азота и серы повышается риск заболевания ОРЗ, появляются конюктивиты и другие заболевания. Оксид углерода вызывает головокружение, тошноту, сонливость, потерю сознания, общую слабость. Оксид углерода способен прочно связываться с гемоглобином крови, образуя карбоксигемоглобин. Гемоглобин – это железосодержащий белок, выполняющий роль переносчика кислорода в крови. Способность СО связываться с гемоглобином крови человека в 216 раз выше, чем у О2 . Человек, вдыхающий в течение несколько часов воздух, содержащий 0,1% СО, на 60% снижает нормальную способность крови переносить кислород.
Пыль, содержащая диоксид кремния, вызывает такое заболевание легких, как силикоз. Свинец влияет на кровеносную, нервную систему людей. Некоторые углеводородные соединения, в частности формальдегид и бензопирен, являются токсичными канцерогенными веществами. Эти вещества, попадая в организм, вызывают раковые заболевания.
Шумовое загрязнение отрицательно влияет на нервную систему. Оно не только ведет к потере слуха, но и вызывает психические расстройства. Опасность шумового воздействия усугубляется свойством человеческого организма накапливать акустические раздражения. Под воздействием шума определенной интенсивности возникают изменения в циркуляции крови, работе сердца и желез внутренней секреции, снижается мышечная выносливость. Статистические данные свидетельствуют о том, что процент нервно-психических заболеваний выше среди лиц, работающих в условиях повышенного уровня шума. Реакция на шум зачастую выражается в повышенной возбудимости и раздражимости. Люди, подвергающиеся постоянному воздействию шума, часто становятся трудными в общении.
Шум оказывает вредное влияние на зрительный и вестибулярный аппарат, снижает устойчивость ясного видения и рефлекторную деятельность. Чувствительность сумеречного зрения ослабевает, снижается чувствительность дневного зрения к оранжево-красным лучам.
Загрязнение атмосферы наносит значительный экономический ущерб хозяйству. Наиболее значительные потери возникают от увеличения заболеваемости населения, в жилищно-коммунальном, сельском и лесном хозяйстве. На здравоохранение и коммунальное хозяйство приходится 80% ущерба. Выявлена зависимость затрат на ремонт городских жилых зданий от концентрации вредных веществ в воздухе. Так, наибольшие затраты несут коммунальные хозяйства в районах химических и нефтехимических предприятий. Здесь капитальные затраты на ремонт превышают затраты чистого района в 135 раз.
Одно из наиболее заметных воздействий загрязняющих веществ в атмосфере – это разрушение строительных материалов. В первую очередь к таким материалам относятся известняк, мрамор, шифер и известковые растворы, в которых карбонат кальция переходит в сульфат. Особенно опасны подобные реакции для известкового раствора, поскольку они приводят к объемному расширению и связанным с ним смещением элементов конструкций, соединенных этим раствором. Изделия из мрамора также нестойки к агрессивному действию загрязняющих веществ. Под действием кислотных дождей кальций в мраморе превращается в гипс. Гипс отличается от кальцита большей растворимостью, большей мягкостью, в связи с чем он легче поддается разрушительному действию дождей. Например, в некоторых городах Англии менее чем за два столетия надгробные плиты разрушились до такой степени, что прочитать надписи на могилах совершенно невозможно.
В городах с высокоразвитой промышленностью железо ржавеет в 3 раза быстрее, чем в городах с меньшим загрязнением воздуха, и в 20 раз быстрее, чем в сельской местности. Скорость коррозии алюминия в городе в 100 раз больше, чем в сельской местности. Сера, содержащаяся в воздухе в 25 раз усиливает коррозию никеля, в 15 раз – цинка, в 8 раз – меди, в 30 раз – стали. Из-за коррозии возникают структурные и механические поломки в конструкциях, несет потери химическая промышленность. Годовые экономические потери в хозяйстве Северной Америки от пожаров, ураганов, торнадо и землетрясений вместе взятых не больше минимальных оценок потерь от коррозии.
Проблема загрязнения атмосферы
Проблема загрязнения атмосферного воздуха - одна из серьезнейших глобальных проблем, с которыми столкнулось человечество. Опасность загрязнения атмосферы - не только в том, что в чистый воздух попадают вредные вещества, губительные для живых организмов, но и в вызываемом загрязнениями изменении климата Земли.
Загрязнение воздуха (атмосферы) в результате деятельности человека привело к тому, что за последние 200 лет концентрация двуокиси углерода выросла почти на 30%. Тем не менее, человечество продолжает активно сжигать ископаемое топливо и уничтожать леса. Процесс настолько масштабен, что приводит к глобальным экологическим проблемам. Загрязнение воздуха происходит и в результате других видов человеческой деятельности. Сжигание топлива на тепловых электростанциях сопровождается выбросом двуокиси серы. С выхлопными газами автомобилей в атмосферу поступают оксиды азота. При неполном сгорании топлива образуется угарный газ. Кроме того, не следует забывать и о мелкодисперсных твердых загрязнителях, таких как копоть и пыль.
Основной причиной загрязнения воздуха является попадание в него нехарактерных физических, химических и биологических веществ, а также изменение их естественной концентрации. Это происходит в результате как природных процессов, так вследствие деятельности человека. Причем именно человек играет все большую роль в загрязнении атмосферы.
Причиной большой части химических и физических загрязнений является сжигание углеводородного топлива при производстве электрической энергии и при работе двигателей транспортных средств. Один из наиболее токсичных газов, поступающих в атмосферу в результате человеческой деятельности - озон. Ядовит и свинец, содержащийся в выхлопных газах автомобилей. Среди других опасных загрязнителей - угарный газ, оксиды азота и серы, а также мелкая пыль. Ежегодно в результате промышленной деятельности человека (при выработке электроэнергии, производстве цемента, выплавке чугуна и т.п.) в атмосферу поступает 170 миллионов тонн пыли.
В качестве основы для классификации загрязнений атмосферы берутся различные свойства: происхождение загрязнений, их природа, типы и виды источников.
Природа загрязнений может быть физической. К таким загрязнениям относятся твердые частицы (пыль), радиоактивное излучение и изотопы, различные виды электромагнитных волн, громкие звуки и низкочастотные колебания, а также выбросы тепла.
К химическим загрязнениям относят попадание в атмосферу газов и аэрозолей. Среди основных видов загрязнений атмосферы подобного рода - выбросы оксида углерода, оксидов азота, диоксида серы, углеводородов, альдегидов, тяжёлых металлов, аммиака, радиоактивных изотопов.
Биологическое загрязнение имеет, в основном, микробную природу. Это, прежде всего, споры бактерий и грибов, вирусы, а также продукты жизнедеятельности живых организмов.
Другой способ классификации - по источникам и составу загрязнения атмосферы. Источники антропогенных загрязнений делятся на транспортные, промышленные и бытовые. По составу их принято разделять на механические (пыль, твердые частицы), химические (газы и аэрозоли, способные вступать в химические реакции), и радиоактивные - представляющие опасность из-за излучения.
Загрязнение атмосферы воздуха
Загрязнение атмосферного воздуха непосредственно влияет на здоровье человека, а загрязнение атмосферы (на глобальном уровне) – лишь косвенно через климатические изменения, разрушение озонового экрана биосферы, кислотные дожди и др. Наиболее распространенные группы загрязнителей воздуха: атмосферные газы (окислы азота, серы, углерода, например, углекислый газ), углеводороды, фенолы, аэрозоли тяжелых металлов и другие органические и минеральные соединения. Аэрозоли – взвешенные в газообразной среде частички твердых или жидких веществ как органического, так и неорганического происхождения. Аэрозоли могут содержать сложные комплексы химических веществ, в том числе обладающих высокой степенью токсичности и представляющих опасность для здоровья человека и жизнестойкости растений.
Очень большую группу загрязнителей образуют углеводороды, в составе которых наиболее опасны для человека и животных хлор-, фтор-, азот-, фосфорсодержащие соединения, большинство из которых являются ядовитыми веществами и обладают канцерогенным действием, т.е. могут вызывать онкологические заболевания. В эту группу входят и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), среди которых наиболее опасны бензапирен и фенантрен, также вызывающие онкологические заболевания.
Источники загрязнения воздуха. Наиболее значительный источник загрязнения воздуха – автотранспорт, поставляющий в атмосферу свинец, окись углерода и упоминаемые выше ПАУ. Принято считать, что в большинстве стран мира более половины загрязнения воздуха связано с работой автотранспорта. В среднем по территории России выхлопные газы автотранспортных средств определяют 40–45% загрязнения воздуха, но в городах они дают больше 50% загрязнения воздуха, причем в крупных городах (от 0,5 млн. до 1–1,5 млн. жителей) на их долю приходится 55–70%, а в очень крупных (несколько млн. жителей) городах – более 85% от общего объема загрязнения атмосферного воздуха. В России по транспортным выбросам лидируют Москва и Петербург, объемы которых в атмосферу соответственно достигают 800 и 250 тыс. т в год.
Значительную долю загрязнения воздуха составляют также выбросы тепловых электростанций, содержащие окислы серы и азота, золу, тяжелые металлы, ПАУ, связанные со сжиганием топлива. Причем первенство здесь принадлежит электростанциям, работающим на угле, меньше всего выбросов дают станции, использующие природный газ.
Предприятия химической промышленности выбрасывают в атмосферу углеводороды, фенолы, органические фториды и хлориды, карбоновые кислоты, альдегиды, органические соединения серы, хлора, фтора, азота, двуокись серы, сероводород, окислы азота, соляную кислоту, другие кислоты, соединения фтора, тяжелые металлы, карбиды и др. Металлургические предприятия выбрасывают в воздух пыль в больших объемах, окислы серы, углерода и азота, фтористые газы и металлы. О составе этой пыли можно судить по тому факту, что из тонны пыли, выделяемой при плавке меди, можно извлечь около 100 кг меди и немного меньше цинка и свинца, известных своей токсичностью. Выбросы нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих предприятий содержат углеводороды, сероводород, дурнопахнущие газы (стирол, ацетон, толуол и др.), а при сжигании попутных газов в факельных установках – в больших объемах сажу, окись углерода, диоксид азота, углеводороды.
Воздействие загрязнений воздуха на природную среду. Перечисленные выше химические вещества, присутствующие в атмосферном воздухе, оказывают воздействие не только на здоровье людей, которое будет рассматриваться в следующем разделе, но и на состояние природной среды. Это воздействие в природных экосистемах многообразно и еще недостаточно изучено. Некоторые из атмосферных газов (например, окислы углерода) в небольших концентрациях могут оказывать благотворное действие на рост и развитие растений. Но большинство из загрязнителей, особенно в значительных концентрациях, могут угнетать деятельность биоты. Вредное действие на растения оказывает диоксид серы. Поступая внутрь листа при дыхании он угнетает жизнедеятельность клеток, листья сначала покрываются бурыми пятнами, а потом высыхают. Аналогичное воздействие на лиственные породы деревьев оказывает и диоксид азота. Сажа, считающаяся не очень вредным для здоровья человека загрязнителем воздуха, забивая дыхательные устьица хвоинок, приводит к гибели хвойные деревья. С выбросами сажи при сжигании газа в факелах, разбросанных на бескрайних просторах Сибири, экологи связывают усыхание лесов на некоторых территориях нефтедобычи.
Загрязнение атмосферы человеком
Проблема чистоты атмосферы не нова. Она возникла вместе с появлением промышленности и транспорта, работающих на угле, а затем на нефти. В течение практически двух столетий задымление воздуха носило местный характер. Дым и копоть сравнительно редких заводских, фабричных и паровозных труб почти полностью рассеивались на большом пространстве. Однако быстрый и повсеместный рост промышленности и транспорта в ХХ в. привёл к такому увеличению объёмов и токсичности выбросов, которые уже не могут быть «растворены» в атмосфере до безвредных для природной среды и человека концентраций.
Загрязнение атмосферы имеет природное и антропогенное происхождение.
К природным источникам загрязнения относятся: извержения вулканов, пыльные бури, лесные пожары, пыль космического происхождения, частицы морской соли, продукты растительного, животного и микробиологического происхождения. Уровень такого загрязнения рассматривается в качестве фонового, который мало изменяется со временем.
Главный природный процесс загрязнения приземной атмосферы - вулканическая и флюидная активность Земли. Крупные извержения вулканов приводят к глобальному и долговременному загрязнению атмосферы. Это обусловлено тем, что в высокие слои атмосферы мгновенно выбрасываются огромные количества газов, которые на большой высоте подхватываются движущимися с высокой скоростью воздушными потоками и быстро разносятся по всему земному шару. Продолжительность загрязнённого состояния атмосферы после крупных вулканических извержений достигает нескольких лет.
На долю природных факторов в конце ХХ в. приходилось 75% общего загрязнения атмосферы. Остальные 25% возникали в результате деятельности человека.
Антропогенные источники загрязнения обусловлены хозяйственной деятельностью человека. К ним следует отнести:
1. Сжигание горючих ископаемых, которое сопровождается выбросом 5млрд.т. углекислого газа в год.
2. Работа тепловых электростанций, когда при сгорании высокосернистых углей в результате выделения сернистого газа и мазута образуются кислотные дожди.
3. Выхлопы современных турбореактивных самолётов с оксидами азота и газообразными фтор углеводородами из аэрозолей, которые могут привести к повреждению озонового слоя атмосферы.
4. Выбросы вредных веществ от автомобилей.
5. Производственная деятельность.
6. Загрязнение взвешенными частицами (при измельчении, фасовке и загрузке, от котельных, электростанций, шахтных стволов, карьеров при сжигании мусора).
7. Выбросы предприятиями различных газов.
8. Сжигание топлива в котлах, сопровождающееся образованием оксидов азота, которые вызывают смог.
9. Вентиляционные выбросы с чрезмерной концентрацией озона из помещений с установками высоких энергий (ускорители, ультрафиолетовые источники и атомные реакторы).
При процессах сгорания топлива наиболее интенсивное загрязнение приземного слоя атмосферы происходит в мегаполисах и крупных городах, промышленных центрах ввиду широкого распространения в них автотранспортных средств, ТЭЦ, котельных и других энергетических установок, работающих на угле, мазуте, дизельном топливе, природном газе и бензине. Вклад автотранспорта в общее загрязнение атмосферного воздуха достигает здесь 40 – 50%. Мощным и чрезвычайно опасным фактором загрязнения атмосферы являются катастрофы на АЭС (Чернобыльская авария) и испытания ядерного оружия в атмосфере. Это связано как с быстрым разносом радионуклидов на большие расстояния, так и с долговременным характером загрязнения территории.
Высокая опасность химических и биохимических производств заключается в потенциальной возможности аварийных выбросов в атмосферу чрезвычайно токсичных веществ, а также микробов и вирусов, которые могут вызвать эпидемии среди населения и животных.
В настоящее время в приземной атмосфере находятся многие десятки тысяч загрязняющих веществ антропогенного происхождения. Ввиду продолжающегося роста промышленного и сельскохозяйственного производства появляются новые химические соединения, в том числе сильно токсичные. Главными антропогенными загрязнителями атмосферы кроме крупнотоннажных оксидов серы, азота, углерода, пыли и сажи являются сложные органические, хлорорганические и нитросоединения, техногенные радионуклиды, вирусы и микробы. Наиболее опасны широко распространённые в воздушном бассейне диоксин, бенз(а)пирен, фенолы, формальдегид, сероуглерод. Твёрдые взвешенные частицы представлены главным образом сажей, кальцитом, кварцем, гидрослюдой, каолинитом, полевым шпатом, реже сульфатами, хлоридами. В снеговой пыли специально разработанными методами обнаружены окислы, сульфаты и сульфиты, сульфиды тяжёлых металлов, а также сплавы и металлы в самородном виде.
Химическое загрязнение атмосферы
Под загрязнением атмосферы следует понимать изменение её состава при поступлении примесей естественного и антропогенного происхождения. Вещества – загрязнители бывают трёх видов: газы, пыль и аэрозоли. К последним относятся диспергированные твёрдые частицы, выбрасываемые в атмосферу и находящиеся в ней длительное время во взвешенном состоянии.
Основной вклад в высокий уровень загрязнения вносят предприятия чёрной и цветной металлургии, химии и нефтехимии, стройиндустрии, энергетики, целлюлозно-бумажной промышленности, а также в некоторых городах и котельные.
Источники загрязнений – теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ; металлургические предприятия, которые выбрасывают в воздух окислы азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка; химические и цементные заводы. Вредные газы попадают в воздух в результате сжигания и переработки бытовых и промышленных отходов.
Атмосферные загрязнители разделяются на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом превращения последних. Так, поступающих в атмосферу сернистый газ окисляется до серного ангидрида, который взаимодействует с парами воды и образует капельки серной кислоты. При взаимодействии серного ангидрида с аммиаком образуются кристаллы сульфата аммония. Подобным образом, в результате химических, фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы, образуются другие вторичные признаки.
Основным источником пирогенного загрязнения на планете являются тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия, котельные установки, потребляющие более 170% ежегодно добываемого твёрдого и жидкого топлива.
Основными вредными примесями пирогенного происхождения являются:
а) Оксид углерода. Получается при неполном сгорании углеродистых веществ. В воздух он попадает в результате сжигания твёрдых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Оксид углерода является соединением, активно реагирующим с составными частями атмосферы и способствует повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта.
б) Сернистый ангидрид. Выделяется в процессе сгорания серо-содержащего топлива или переработки сернистых руд, часть соединений серы выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах.
в) Серный ангидрид. Образуется при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Предприятия цветной и чёрной металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки миллионов тонн серного ангидрида.
г) Сероводород и сероуглерод. Поступают в атмосферу раздельно или вместе с другими соединениями серы. Основными источниками выброса являются предприятия по изготовлению искусственного волокна, сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному окислению до серного ангидрида.
д) Оксиды азота. Основными источниками выброса являются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шёлк, целлулоид.
е) Соединения фтора. Источниками загрязнения являются предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений. Фторосодержащие вещества поступают в атмосферу в виде фторида натрия и кальция. Соединения характеризуются токсическим эффектом.
ж) Соединения хлора. Поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих соляную кислоту, хлоросодержащие пестициды, органические красители, хлорную известь, соду. В атмосфере встречаются как примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты.
Аэрозольное загрязнение атмосферы
Из естественных и антропогенных источников в атмосферу ежегодно поступают сотни миллионов тонн аэрозолей. Аэрозоли – это твёрдые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Аэрозоли разделяются на первичные (выбрасываются из источников загрязнения), вторичные (образуются в атмосфере), летучие (переносятся на далёкие расстояния) и нелетучие (отлагаются на поверхности вблизи зон пылегазовыбросов).
К естественным источникам относятся пыльные бури, вулканические извержения и лесные пожары. Газообразные выбросы (например, Газообразные выбросы (например, SO2) приводят к образованию в атмосфере аэрозолей. Несмотря на то, что время пребывания в тропосфере аэрозолей исчисляется несколькими сутками, они могут вызвать снижение средней температуры воздуха у земной поверхности на 0,1 – 0,3 С. Не меньшую опасность для атмосферы и биосферы представляют аэрозоли антропогенного происхождения, образующиеся при сжигании топлива либо содержащиеся в промышленных выбросах.
Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений атмосферы являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой зольности, обогащённые фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще всего в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода. Пыль, осаждающаяся в индустриальных районах, содержит до 20% оксида железа, 15% силикатов и 5% сажи, а также примеси различных металлов (свинец, ванадий, молибден, мышьяк, сурьма и т.д.).
Ещё большее разнообразие свойственно органической пыли, включающей алифатические и ароматические углеводороды, соли кислот. Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях. Постоянными источниками аэрозольного загрязнения являются промышленные отвалы – искусственные насыпи из переотложенного материала, преимущественно вскрышных пород, образуемых при добыче полезных ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности, ТЭС. Источником пыли и ядовитых газов служат массовые взрывные работы. Так, в результате одного среднего по массе взрыва (250 – 300 тонн взрывчатых веществ) в атмосферу выбрасывается около 2тыс. куб. м. условного оксида углерода и более 150т. пыли. Производство цемента и других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью.
Кислотные дожди
Термином «кислотные дожди» называют все виды метеорологических осадков – дождь, снег, град, туман, дождь со снегом, рН которых меньше, чем среднее значение рН дождевой воды (средний рН для дождевой воды равняется 5.6). Выделяющиеся в процессе человеческой деятельности двуокись серы (SO2) и окислы азота (NOх) трансформируются в атмосфере в кислотообразующие частицы. Эти частицы вступают в реакцию с водой атмосферы, превращая её в растворы кислот, которые и понижают рН дождевой воды.
Двуокись серы и различные оксиды азота выбрасываются в атмосферу автомобильным транспортом, в результате деятельности металлургических предприятий и электростанций, а также при сжигании угля и древесины. Вступая в реакцию с водой атмосферы, они превращаются в растворы кислот – серной, сернистой, азотистой и азотной. Затем, вместе со снегом или дождём, они выпадают на Землю.
Кислотные дожди большей частью наблюдаются в районах с развитой промышленностью. Хотя капельки воды и быстро удаляются из атмосферы, они всё же распространяются на сотни километров от производящих выбросы теплостанций, промышленных предприятий и т.д. Среди вредных веществ, содержащихся в воздухе городов, имеется большая группа, обладающая канцерогенной активностью. Это в первую очередь бензапирен и другие ароматические углеводороды, поступающие от котельных промышленных предприятий и с выхлопными газами автотранспорта.
Кислотный дождь оказывает отрицательное воздействие на водоёмы – озёра, реки, заливы, пруды – повышая их кислотность до такого уровня, что в них погибает флора и фауна. Водяные растения лучше всего растут со значениями рН между 7 и 9,2. С увеличением кислотности водяные растения начинают погибать, лишая других животных водоёма пищи. При кислотности рН 6 погибают пресноводные креветки. Когда кислотность повышается до рН 5.5, погибают донные бактерии, которые разлагают органические вещества и листья, и органический мусор начинает скапливаться на дне. Затем гибнет планктон – крошечное животное, которое составляет основу пищевой цепи водоёма и питается веществами, образующимися при разложении бактериями органических веществ. Когда кислотность достигает рН 4.5, погибает вся рыба, большинство лягушек и насекомых.
По мере накопления органических веществ на дне водоёмов из них начинают выщелачиваться токсичные металлы. Повышенная кислотность воды способствует более высокой растворимости таких опасных металлов, как алюминий, кадмий, ртуть и свинец из донных отложений и почв. Эти токсичные металлы представляют опасность для здоровья человека. Люди, пьющие воду с высоким содержанием свинца или принимающие в пищу рыбу с высоким содержанием ртути, могут приобрести серьёзные заболевания.
Огромный вред наносят кислотные дожди лесам. Леса высыхают, развивается суховершинность на больших площадях. Кислота увеличивает подвижность в почвах алюминия, который токсичен для мелких корней, и это приводит к угнетению листвы и хвои, хрупкости ветвей. Особенно страдают хвойные деревья, потому что хвоя сменяется реже, чем листья, и поэтому накапливает больше вредных веществ за один и тот же период. Хвойные деревья желтеют, у них изреживаются корни, повреждаются мелкие корни. Но и у лиственных деревьев изменяется окраска листьев, повреждается кора. Естественного возобновления хвойных и лиственных лесов не происходит.
Всё больший ущерб кислотные дожди наносят сельскохозяйственным культурам: повреждаются покровные ткани растений, изменяется обмен веществ в клетках, растения замедляют рост и развитие, уменьшается их сопротивляемость к болезням и паразитам, падает урожайность.
Кислотные дожди не только убивают живую природу, но и разрушают памятники архитектуры. Прочный, твёрдый мрамор, смесь окислов кальция (СаО и СО2), реагирует с раствором серной кислоты и превращается в гипс (СаSО4). Смена температур, потоки дождя и ветра разрушают этот мягкий материал.
Смог
В атмосферном воздухе, в первую очередь промышленных центров и городов, в результате сложных химических реакций смеси газов (главным образом окислов азота и углеводородов, содержащихся в выхлопных газах автомобилей), протекающих в нижних его слоях под действием солнечного света, образуются различные вещества, ядовитый туман. Такой ядовитый туман получил название «смог». Его возникновению способствуют определённые метеорологические условия: отсутствие ветра и дождя, а также температурная инверсия. Смог крайне вреден для живых организмов. Во время смога ухудшается самочувствие людей, резко увеличивается число лёгочных и сердечно-сосудистых заболеваний, возникают эпидемии гриппа.
Смог бывает следующих типов:
Влажный смог лондонского типа – сочетание тумана с примесью дыма и газовых отходов производства.
Ледяной смог аляскинского типа – смог, образующийся при низких температурах из пара отопительных систем и бытовых выбросов.
Радиационный туман – туман, который появляется в результате радиационного охлаждения земной поверхности и массы влажного приземного воздуха до точки росы. Обычно радиационный туман возникает ночью в условиях антициклона при безоблачной погоде и лёгком бризе.
Сухой смог лос-анджелесского типа – смог, возникающий в результате фотохимических реакций, которые происходят в газовых выбросах под действием солнечной радиации; устойчивая синеватая дымка из едких газов без тумана.
Фотохимический смог - смог, основной причиной возникновения которого считаются автомобильные выхлопы. Автомобильные выхлопные газы и загрязняющие выбросы предприятий в условиях инверсии температуры вступают в химическую реакцию с солнечным излучением, образуя озон.
Фотохимический смог может вызвать поражение дыхательных путей, рвоту, раздражение слизистой оболочки глаз и общую вялость. В ряде случаев в фотохимическом смоге могут присутствовать соединения азота, которые повышают вероятность возникновения раковых заболеваний.
Смог наблюдается обычно при слабой турбулентности (завихрение воздушных потоков) воздуха, и следовательно, при устойчивом распределении температуры воздуха по высоте, особенно при инверсиях температуры, при слабом ветре или штиле.
Инверсии температуры в атмосфере, повышение температуры воздуха с высотой вместо обычного для тропосферы её убывания. Инверсия температуры встречается и у земной поверхности (приземные инверсии температуры), и в свободной атмосфере. Приземные инверсии температуры чаще всего образуются в безветренные ночи (зимой иногда и днём) в результате интенсивного излучения тепла земной поверхностью, что приводит к охлаждению как её самой, так и прилегающего слоя воздуха. Толщина приземных инверсий температуры составляет десятки – сотни метров. Увеличение температуры в инверсионном слое колеблется от десятых долей градусов до 15 – 20 С и более. Наиболее мощны зимние приземные инверсии температуры в Восточной Сибири и в Антарктиде.
В тропосфере, выше приземного слоя, инверсия температуры чаще образуется в антициклонах благодаря оседанию воздуха, сопровождающемуся его сжатием, а следовательно – нагреванием (инверсия оседания). В зонах фронтов атмосферных инверсия температуры создаётся вследствие натекания тёплого воздуха на нижерасположенный холодный. В верхних слоях атмосферы (стратосфере, мезосфере, термосфере) инверсия температуры возникает из-за сильного поглощения солнечной радиации. Так, на высотах от 20 – 30 до 50 – 60км расположена инверсия температуры, связанная поглощением ультрафиолетового излучения Солнца озоном. У основания этого слоя температура равна от -50 до -70 С, у его верхней границы она поднимается до -10 С - +10 С. Мощная инверсия температуры, начинающаяся на высоте 80 – 90км и простирающаяся на сотни км вверх, также обусловлена поглощением солнечной радиации.
Смог снижает видимость, усиливает коррозию металлов и сооружений, оказывает отрицательное воздействие на здоровье человека. Интенсивный и длительный смог может явиться причиной повышения заболеваемости и смертности.
Угарный газ, входящий в состав смога, представляет собой соединение углерода с кислородом; газ без цвета и запаха. Отравление угарным газом возможны на производстве и в быту: в доменных, литейных цехах; при испытании двигателей, использовании топливных газов для сушки и подогрева; в химической промышленности; в гаражах; при дровяном отоплении и т.п.
Одним из вредных компонентов смога является и озон (О3). В крупных городах при образовании смога его естественная концентрация (1• 10) повышается в 10 раз и более. Озон здесь начинает оказывать вредное воздействие на лёгкие и слизистые оболочки человека и на растительность.
Парниковый эффект
Парниковый эффект относится к числу проявлений глобального экологического кризиса. Эта тенденция наметилась в связи с увеличением в атмосфере концентраций углекислого газа, метана и некоторых других парниковых газов.
В последние десятилетия и, особенно в последние годы, парниковый эффект стал крупной научной проблемой, от решения которой существенно зависит возможность перехода цивилизации на путь устойчивого развития.
Важнейшей причиной изменения климатической системы является накопление в атмосфере антропогенных парниковых газов и вызываемое ими нарушение рационального баланса атмосферы.
Под парниковыми газами понимаются газы, создающие в атмосфере экран, задерживающих инфракрасные лучи. В результате этого происходит нагревание нижнего слоя атмосферы. Атмосфера играет роль как бы «одеяла», удерживающего тепло. Наиболее значимыми природными парниковыми газами являются пары воды, содержащиеся в атмосфере в большом количестве, а также диоксид углерода, который попадает в атмосферу как естественным, так и искусственным путём и является основным компонентом, вызывающим парниковый эффект антропогенного происхождения. Известно, что при отсутствии диоксида углерода в атмосфере температура поверхности Земли была бы, примерно, на 7 градусов ниже, чем в настоящее время, что создало бы крайне неблагоприятные условия для жизни животных и растений.
Сжигание топлива, лесные и степные пожары – это основные причины увеличения содержания диоксида углерода в атмосфере. В то же время поглощение СО2 из атмосферы основными его потребителями (лесными растениями и фитопланктоном Мирового океана) сократилось за счёт уменьшения площадей лесов, гибели фитопланктона. В результате поступление углерода в атмосферу стало превышать его потребление растениями. Ежегодный прирост СО2 в атмосфере составляет 3,5млрд. т.
Возрастание диоксида углерода в атмосфере усиливает парниковый эффект, так как СО2 успешно пропускает длинноволновые лучи солнечного света к поверхности Земли и задерживает коротковолновое излучение. Поэтому чем выше концентрация СО2 в атмосфере, тем меньше тепла рассеивает Земля, тем выше средняя температура у земной поверхности. Потеплению климата Земли способствует также поступление тепла в атмосферу за счёт сжигания нефтепродуктов, угля, торфа, работы разнообразных двигателей. Повышение средних температур на земном шаре может существенно изменить ход природных процессов биосферы.
Загрязнение атмосферы городов
Основными источниками загрязнения атмосферы городов есть автотранспорт, энергетические системы города и промышленность.
В городах сосредоточено основное количество транспортных средств. Это грузовой, личный и общественный транспорт. Автотранспорт дает в среднем 70% всех токсичных выбросов в атмосферу городов. В последнее время в городском воздухе повысилось содержание оксидов углерода, углеводородов, оксидов азота, сажи. Но наибольшую опасность, кроме оксидов азота, представляют серные и свинцовые соединения, содержание которых в городском воздухе в значительной мере возросло. Города не приспособлены к такому количеству автотранспорта. Длина пробега без остановок между светофорами составляет, в среднем 400-600 м, вследствие чего средняя скорость движения днем в центре города и на больших автодорогах снижается до 12-20 км/ч, а это увеличивает расход топлива в 3-4 раза. Соответственно увеличиваются выбросы. Автотранспорт является источником специфических форм загрязнения воздуха. Так, при контакте с дорожным покрытием стираются шины, как следствие тысячи тонн резины в виде пыли попадают в воздух. Городской автомобильный транспорт не только загрязняет воздух традиционными продуктами сжигания топлива, он приводит к увеличению выбросов высокотоксичного свинца в окружающую среду. До этого времени используют бензин с высоким содержанием свинца (до 0,36 г/л), тогда как в странах Европы и США этот показатель существенно меньше (0,013-0,15 г/л).
Города - главные потребители энергии. Город потребляет энергию в разных формах. Широко используется ископаемое топливо - каменный уголь, нефтепродукты и природный газ. Это уже само по себе определяет состояние загрязнения городской среды продуктами сгорания. К жилым домам и производственным помещениям энергия попадает в форме электричества, газа, водяного отопления.
Снижение качества атмосферного воздуха опасно для здоровья городских жителей. Человек в сутки потребляет в среднем 25 кг воздуха. Даже если относительное содержание загрязнителей в воздухе незначительно, их суммарное количество, которое попадает в организм человека при дыхании, может быть токсичным. Наиболее распространенной вредной примесью воздушной среды является угарный газ. Чрезмерное его количество в воздухе приводит к быстрой утомляемости человека, головной боли, головокружению, ослаблению памяти, нарушению деятельности сердечнососудистой и других систем организма.
Загрязнение воздуха городских помещений
Специфика проживания в городе приводит к тому, что люди 80-95% своего времени проводят в помещениях (жилых домах, метро, служебных помещениях). Одним из показателей качества городской жизни является качество воздуха помещений. Согласно выводам Агентства по охране окружающей среды, воздух внутри городских помещений загрязнен в 100 раз больше чем наружный.
Причинами загрязнения воздуха помещений являются: загрязнение от сжигания дерева, угля в каминах; не вентилируемые газы от газовых плит и водонагревателей; аэрозоли; очистители, которые содержат хлор или аммиак; лаки и восковые покрытия полов; распылители от насекомых (инсектициды); увлажнители воздуха; дым от сигарет. Другие токсичные материалы - масляные краски и растворители, ковровый клей, мебельный лак, из которых выделяются бензол, толуол и другие вещества.
Мероприятия по улучшению качества воздуха в помещениях: домашние растения; вместо освежителей воздуха следует использовать уксус, налив его в тарелку и поставив на 1-2 часа в комнате; в закрытых небольших помещениях (холодильники, туалет) поставить открытую коробочку с пищевой содой; внести в комнату свежую ветвь ели или сосны; вместо отбеливателей использовать пищевую соду; делать регулярно влажную уборку помещения, а также проветривание; оборудовать кухню вытяжным шкафом; не оставлять открытыми бутылки с моющими и дезинфицирующими средствами.
Загрязнение питьевой воды в городах
Питьевая вода - важнейший фактор здоровья человека. В краны городских квартир питьевая вода попадает из рек, водохранилищ, озер, из подземных глубин. Чистейшая - подземная (особенно глубинная, артезианская) вода. Но для больших городов этой воды не хватает.
По данным ВОЗ, вода может содержать 13000 токсичных веществ, с водой передается до 80% всех заболеваний, от которых в мире ежегодно умирает 25 млн.чел. В реальных условиях вода содержит органические и минеральные соединения, микро- и макроэлементы, газы, коллоидные частички и живые микроорганизмы. Основные компоненты питьевой воды незаменимы - гидрокарбонатные, сульфатные соли и соли кальция, магния и натрия. Из минералов в воде есть кремний, фтор, стронций, цинк, из макроэлементов железо и калий. Содержимое этих веществ не должно превышать ПДК. Частицы грунта и все, что гниет, вносит в воду органические соединения, их разнообразие огромно.
Чтобы природная вода была пригодна для употребления, она проходит несколько стадий очистки и обеззараживания на водопроводных станциях. Способы очистки загрязненных вод можно объединить в следующие группы: механические, физические, физико-механические, химические, физико-химические, биологические, комплексные.
После механических, химических и физико-химических методов очистки сточные воды подлежат биологической очистке (микроорганизмы) для окончательной фильтрации стоков от органического вещества. Биологическая очистка осуществляется в биофильтрах, аэротенках, биотенках и т.п.
После очистки в воде могут оставаться разнообразные вирусы и бактерии (дизентерийные бактерии, холерный вибрион, возбудители брюшного тифа, вирус полиомиелита, вирус гепатита и др.). Обезвредить эти микроорганизмы можно четырьмя способами: термически (кипятить); с помощью сильных окислителей (например: хлора, озона, марганцовокислого калия); влиянием ионов благородных металлов (обычно используют серебро); физическими методами (с помощью ультрафиолетовых лучей или ультразвука).
Проблема обеспечения населения Украины качественной питьевой водой с каждым годом усложняется, становится более острой. Сложилась ситуация, когда практически все поверхностные, а в отдельных регионах и подземные воды по уровню загрязнения не отвечают требованиям стандартов к источникам водоснабжения. Питьевая вода становится активным фактором вредного воздействия на здоровье и первопричиной возникновения многих опасных массовых инфекционных заболеваний, в частности вирусного гепатита А.
Вследствие хлорирования в питьевой воде образуются хлорорганические соединения, например количество хлороформа, превышает в 1,5-2 раза нормы, рекомендованные ВОЗ. Кроме того, в питьевую воду могут попасть другие токсичные вещества: ионы тяжелых металлов, соединения фосфора и серы, пестициды, нитраты, нитриты. О недостаточной эффективности существующей технологии очистки воды свидетельствует высокий уровень заболеваемости населения кишечными инфекциями. Вообще же на сегодняшний день известно около 100 болезней, которые «дарит» нам питьевая вода.
Одни специалисты советуют пить воду кипяченную и отстоявшуюся, другие настаивают на воде «серебряной», из-за того, что серебро убивает микроорганизмы. Но серебро - это металл, который способен накапливаться в организме человека, в частности, в почках. Сегодня с уверенностью можно сказать, что «серебряная» вода является лечебным средством, которое может помочь при лечении некоторых болезней только в случае употребления её в определенных дозах и непродолжительное время. Как альтернативу питьевой воде использовать ее недопустимо.
В некоторых городах строят павильоны бюветной раздачи артезианской воды (например, Киев). Вода в них чистая, доброкачественная, радионуклиды и тяжелые металлы на такую глубину не попали. Но приблизительно в 66% скважин вода содержит повышенное количество железа, марганца, сероводорода, сульфидов, сульфатов, хлоридов, карбонатов и других примесей, которые обычно требуют дополнительной подготовки и очистки этой воды. Нередко артезианская вода не отвечает требованиям в отношении бактериологических показателей. Следствием неконтролируемого и долгосрочного использования таких вод в качестве питьевых могут быть разные заболевания - отравление тяжелыми металлами, нитратами. Как правило, артезианская вода является условно питьевой и может быть лишь дополнительным источником водоснабжения.
В торговых учреждениях можно приобрести разнообразные индивидуальные и коллективные фильтры для водопроводной воды, но только некоторые из них способны сделать воду максимально безопасной. Универсальных фильтров, способных полностью очистить воду от всех вредных примесей, просто не существует. Но в наше время фильтры стали предметом первой необходимости.
Шумовое, вибрационное и электромагнитное загрязнение городов
Для жителей города шум - обычное дело. Часто человек даже не задумывается над его противоестественностью. В любом регионе города шумит автотранспорт, грохочет трамвай, с шумом работает предприятие, вблизи взлетают из аэродрома самолеты. В квартирах шумят холодильники и стиральные машины, в подъездах - лифты. Этот перечень можно продолжать до бесконечности. Если шума так много в нашей жизни, может показаться, что он не вреден. Однако по своему влиянию на организм человека шум более вредный, чем химическое загрязнение. За последние 30 лет во всех больших городах шум увеличился на 12-15 дБ, а субъективная громкость выросла в 3-4 раза. Шум снизил производительность работы на 15-20%, существенно повысил рост заболеваемости. Эксперты считают, что в больших городах шум сокращает жизнь человека на 8-12 лет. Частота заболеваний сердечно-сосудистой системы у людей, которые живут в зашумленных районах, в несколько раз выше, а ишемическая болезнь сердца в них случается втрое чаще. Возрастает также общая заболеваемость. В качестве сравнения необходимо отметить, что на 100 тысяч сельских жителей приходится 20-30 тех, кто плохо слышит, в то же время в городах эта цифра вырастает в 5 раз. По данным статистики, жители больших городов теряют остроту слуха уже в 30 лет (при норме - в 2 раза позже). Под влиянием шума ухудшаются сон и восприимчивость к обучению. Дети становятся более агрессивными и капризными.
Для обозначения комплексного влияния шума на человека медики ввели термин «шумовая болезнь». Симптомами этой болезни являются головная боль, тошнота, раздражительность, которые часто сопровождаются временным снижением слуха. К шумовой болезни склонны большинство жителей больших городов, которые постоянно получают шумовые нагрузки. Например, нормативные уровни звука в дБ для жителей жилых кварталов должны составлять 55 днем и 45 ночью. Но разные источники техногенного шума дают весомый вклад в звуковую среду города. В современных городских районах со значительным движением транспорта уровень шума близок к опасной черте в 80 дБ.
Шум действует на организм человека не только прямо, а и опосредованно. Так, в городских условиях продолжительность жизни деревьев короче, чем в сельской местности. Главной причиной этого является влияние интенсивного шума. При действии шума в 100 дБ растения выживают всего 8-10 дней. При этом быстро гибнут цветы, и замедляется рост растений.
Для уменьшения влияния шума на живые организмы, включая человека, имеется ряд мероприятий. Прежде всего, необходимо четко придерживаться действующих нормативов. Сегодня на улицах больших городов шум не опускается ниже уровня в 80 дБ. Чтобы уменьшить этот уровень, затрачиваются значительные усилия, и прежде всего, по усовершенствованию техники. Конструктора работают над малошумными двигателями и транспортными средствами, жилые застройки отдаляют от транспортных магистралей, последние отделяют от домов бетонными экранами, улучшают покрытие.
Эффективной мерой предотвращения шумового воздействия в городах является озеленение. Деревья, которые посажены очень густо, окружаются густыми кустами, значительно снижающими уровень техногенного шума и улучшающими городскую среду.
К негативным физическим факторам города относится также вибрация. Источниками вибрации в городах являются: рельсовый транспорт, автомобильный транспорт, строительная техника, промышленные установки. Вибрация распространяется от ее источника на расстояние до 100 м. Наиболее мощный источник вибрации - железнодорожный транспорт. Колебание грунта вблизи железной дороги превышает землетрясение силой 6-7 баллов. В метро интенсивная вибрация распространяется на 50-70 м.
Неблагоприятно влияют на организм человека электромагнитные излучения промышленной частоты (50 герц) и частот радиоволнового диапазона. В помещениях электромагнитные поля создают: радиоаппаратура, телевизоры, холодильники и т.п., что представляет определенную опасность. Если рядом находится постоянный источник электромагнитного излучения, который работает на аналогичной (или кратной) частоте внутренних органов человеческого тела, то это может привести к увеличению или уменьшению нормальной частоты работы человеческого органа, резонансу и как следствие головной боли, нарушению сна, переутомлению, возникновению стенокардии и даже смерти. Наиболее опасным излучение будет тогда, когда человек (а особенно ребенок) спит.
Бесспорно, обойтись без электробытовых приборов невозможно, главное - придерживаться определенных правил в процессе использования: в спальне не устанавливать компьютер, «базу» для радиотелефона, а так же не включать на ночь устройства для подзарядки батареек и аккумуляторов; телевизор, музыкальный центр, видеомагнитофон на ночь необходимо выключать из электросети; электронный будильник не должен стоять возле головы во время сна; мощность микроволновых печей может изменяться, поэтому время от времени необходимо обращаться к мастеру, чтобы контролировать уровень излучения.
Антропогенное загрязнение атмосферы
Под загрязнением атмосферы следует понимать изменение её химического состава при поступлении примесей естественного или антропогенного происхождения.
К естественным источникам загрязнения относятся:
а) внеземное загрязнение воздуха пылью космического происхождения и космическим излучением;
б) земное загрязнение атмосферы при извержениях вулканов, пыльных бурях, лесных и степных пожарах, пылью эрозии почв, частицами морской соли, продуктами растительного, животного и микробиологического происхождения.
Антропогенное загрязнение атмосферы разделяют на радиоактивное, электромагнитное, шумовое, дисперсное и газообразное, а также по отраслям промышленности и видам технологических процессов. Главными и наиболее опасными источниками загрязнения атмосферы являются промышленные, транспортные и бытовые выбросы.
Автомобильный транспорт относится к наиболее значимым источникам загрязнения окружающей среды в большинстве крупных городов, при этом на 90 % воздействие на атмосферу связано с работой автотранспортных средств на линии, остальной вклад вносят стационарные источники (цехи, участки, станции техобслуживания и стоянки).
Это происходит по двум причинам:
- во-первых, автомобильный двигатель в процессе работы выделяет в атмосферу целый комплекс веществ: соединения серы и свинца, оксиды азота и углерода, альдегиды, ароматические углеводороды, сажа, бензапирен и так далее. Отработавшие газы автомобильных двигателей содержат около двухсот веществ, большинство из которых токсичны. В выбросах карбюраторных двигателей основная доля вредных продуктов приходится на оксид углерода, углеводороды и оксиды азота, в выбросах дизельных двигателей - на оксиды азота и сажу;
- во-вторых, автомобиль при движении взаимодействует с поверхностью дороги и результатом этого взаимодействия является аэрозоль, количество которого зависит от многих специфических факторов, характеризующих состояние дороги.
Сейчас на Земле эксплуатируется около 900 млн. автомобилей, в настоящее время на долю транспорта приходится больше половины всех вредных выбросов в окружающую среду, особенно в крупных городах. В среднем при пробеге 15 тыс. км за год каждый автомобиль сжигает 2 т топлива и около 26-30 т воздуха, в том числе 4,5 т кислорода, что в 50 раз больше потребностей человека.
К промышленным источникам загрязнения атмосферы следует отнести:
1. Сжигание горючих ископаемых, которое сопровождается выбросом 5 млрд. тонн углекислого газа в год. В результате этого за последние 100 лет содержание СО2 в атмосфере увеличилось на 20%.
2. Работа тепловых электростанций, когда при сжигании высокосернистых углей в результате выделения сернистого газа и мазута образуются кислотные дожди.
3. Выхлопы современных турбореактивных самолетов с оксидами азота и газообразными фторуглеводородами из аэрозолей, которые могут привести к повреждению озонового слоя атмосферы.
4. Загрязнение взвешенными частицами (при измельчении, фасовке и загрузке, от котельных, электростанций, карьеров и при сжигании мусора).
5. Выбросы предприятиями различных газов.
6. Сжигание топлива в промышленных котлах, сопровождающееся образованием оксидов азота, которые вызывают смог.
7. Вентиляционные выбросы с чрезмерной концентрацией озона из помещений с установками высоких энергий (ускорители, ультрафиолетовые источники и атомные реакторы). В больших количествах озон является высокотоксичным газом.
Масштабы загрязнения атмосферного воздуха связаны с мощностью выбросов и динамикой воздушных потоков.
Экологические загрязнения атмосферы
Воздействие загрязнения воздуха на организм человека. Физиологическое воздействие на человеческий организм загрязнителей атмосферного воздуха различно. Оксид углерода (угарного газа) прочно соединяется с гемоглобином крови, что препятствует нормальному снабжению органов и тканей кислородом, в результате ослабляются процессы мыслительной деятельности, замедляются рефлексы, возникает сонливость, возможны потери сознания и смерть от удушья. Диоксид кремния (SiO2), содержащийся в пыли, вызывает тяжелое заболевание легких – силикоз. Диоксид серы, соединяясь с влагой, образует серную кислоту, которая разрушает легочную ткань. Оксиды азота раздражают и разъедают слизистые оболочки глаз и легких, увеличивают восприимчивость к инфекционным заболеваниям, вызывают бронхит и пневмонию. Если в воздухе содержатся совместно оксиды азота и диоксид серы, то возникает эффект синергизма, т. е. усиление токсичности всей газообразной смеси. Частицы размером менее 5 мкм способны проникать в лимфатические узлы, задерживаться в альвеолах легких, засорять слизистые оболочки.
Незначительные по объему выбросы такие, как бензпирен, соединения свинца, кадмия, ртути, мышьяка, кобальта, фосфора и др., могут оказывать воздействие, растянутое во времени. Они обладают канцерогенным действием, вызывают дефекты у новорожденных, снижают иммунитет, угнетают кроветворную и нервную системы и т.д.
Парниковый эффект и глобальное потепление климата. Парниковый (тепличный, оранжерейный) эффект – разогрев нижних слоев атмосферы, вследствие способности атмосферы пропускать коротковолновую солнечную радиацию, но задерживать длинноволновое тепловое излучение земной поверхности. Водяной пар задерживает около 60% теплового излучения Земли и углекислый газ – до 18%. В отсутствие атмосферы средняя температура земной поверхности была бы -23 С, а в действительности она составляет +15 С.
Парниковому эффекту способствует поступление в атмосферу антропогенных примесей (диоксида углерода, метана, фреонов, оксида азота и др.). За последние 50 лет содержание углекислого газа в атмосфере возросло с 0,027 до 0,036%. Это привело к повышению среднегодовой температуры на планете на 0,6 градусов. Существуют модели, согласно которым, если температура приземного слоя атмосферы поднимется еще на 0,6°–0,7°, произойдет интенсивное таяние ледников Антарктиды и Гренландии, что приведет к повышению уровня воды в океанах и затоплению до 5 млн. км2 низменных, наиболее густо заселенных равнин.
Отрицательные для человечества последствия парникового эффекта заключаются в повышении уровня Мирового океана в результате таяния материковых и морских льдов, теплового расширения океана и т.п. Это приведет к затоплению приморских равнин, усилению абразионных процессов, ухудшению водоснабжения приморских городов, деградации мангровой растительности и т.п. Увеличение сезонного протаивания грунтов в районах с вечной мерзлотой создаст угрозу дорогам, строениям, коммуникациям, активизирует процессы заболачивания, термокарста и т.д.
Положительные для человечества последствия парникового эффекта связаны с улучшением состояния лесных экосистем и сельского хозяйства. Повышение температуры приведет к увеличению испарения с поверхности океана, это вызовет возрастание влажности климата, что особенно важно для аридных (сухих) зон. Повышение концентрации углекислого газа увеличит интенсивность фотосинтеза, а значит, продуктивность диких и культурных растений.
Разрушение «озонового слоя». Озоновый слой (озоносфера) – слой атмосферы с наибольшей концентрацией озона (О3) на высоте 20–25 (22–24) км. Содержащееся в озоновом слое количество озона невелико: в приземных условиях атмосферы (при давлении 760 мм и температуре +20° С) он образовал бы слой толщиной всего 3 мм. В атмосфере озон образуется из кислорода под действием ультрафиолетового излучения.
«Озоновая дыра» – значительное пространство в озоносфере планеты с заметно пониженным (до 50% и более) содержанием озона. Считается, что основной причиной возникновения «озоновых дыр» является значительное содержание в атмосфере фреонов. Фреоны (хлорфторуглероды, или ФХУ) – высоколетучие, химически инертные у земной поверхности вещества, широко применяемые в производстве и быту в качестве хладагентов (холодильники, кондиционеры, рефрижераторы), пенообразователей и распылителей (аэрозольные упаковки). Фреоны, поднимаясь в верхние слои атмосферы, подвергаются фотохимическому разложению с образованием окиси хлора, интенсивно разрушающей озон.
Истощение озонового слоя в атмосфере Земли приводит к увеличению потока ультрафиолетовых лучей на земную поверхность. Ультрафиолетовые лучи в небольших дозах необходимы живым организмам (стимуляция роста и развития клеток, бактерицидное действие, синтез витамина В и т. д.), в больших дозах губительны из-за способности вызывать раковые заболевания и мутации.
Кислотные дожди. Кислотный дождь – дождь или снег, подкисленный до рН < 5,6 из-за растворения в атмосферной влаге антропогенных выбросов (оксиды серы, оксиды азота, хлороводород, сероводород и др.).
Отрицательное воздействие кислотных дождей на растительность проявляется как в прямом биоцидном воздействии на растительность, так и в косвенном через снижение рН почв. Выпадение кислотных дождей приводит к ухудшению состояния и гибели целых лесных массивов, а также снижению урожайности многих сельскохозяйственных культур. Кроме того, отрицательное воздействие кислотных дождей проявляется в закислении пресноводных водоемов. Снижение рН воды вызывает сокращение запасов промысловой рыбы, деградацию многих видов организмов и всей водной экосистемы, а иногда и полную биологическую гибель водоема. Негативные последствия кислотных дождей зафиксированы в Канаде, США, Европе, России, Украине, Белоруссии и других странах.
Смог. Смог – ядовитая смесь дыма, тумана и пыли. Различают два типа смога: лондонский и лос-анджелесский.
Лондонский (зимний) смог образуется зимой в крупных промышленных центрах при неблагоприятных погодных условиях: отсутствии ветра и температурной инверсии. Температурная инверсия проявляется в повышении температуры воздуха с высотой (в слое 300–400 м) вместо обычного понижения. В результате дым и загрязняющие вещества (пыль, оксиды серы и углерода) не могут подняться вверх и рассеяться, а образуют туманную завесу.
Лос-анджелесский (летний, фотохимический) смог возникает летом также при отсутствии ветра и температурной инверсии, но обязательно в солнечную погоду. Он образуется при воздействии солнечной радиации на оксиды азота и углеводороды, поступающие в воздух в составе выхлопных газов автомобилей и выбросов предприятий. В результате образуются высокотоксичные загрязнители – фотооксиданты, состоящие из озона, органических пероксидов, пероксида водорода, альдегидов и т.д.
Смог вызывает обострение респираторных заболеваний, раздражение глаз, ухудшение физического состояния и т.д. вплоть до летального исхода. В 1952 г. в Лондоне от смога за две недели погибло более 4000 человек. Рассеять смог может только ветер, а бороться с ним можно путем сокращения выбросов загрязнителей в атмосферу.
Виды загрязнения атмосферы
По характеру загрязнителя загрязнение атмосферы бывает трех видов:
• физическое - механическое (пыль, твердые частицы), радиоактивное (радиоактивное излучение и изотопы), электромагнитное (различные виды электромагнитных волн, в т.ч. радиоволны), шумовое (различные громкие звуки и низкочастотные колебания) и тепловое загрязнение (например, выбросы теплого воздуха и т.п.);
• химическое - загрязнение газообразными веществами и аэрозолями. На сегодняшний день основные химические загрязнители атмосферного воздуха это оксид углерода (IV), оксиды азота, диоксид серы, углеводороды, альдегиды, тяжёлые металлы (Pb, Cu, Zn, Cd, Cr), аммиак, атмосферная пыль и радиоактивные изотопы;
• биологическое - в основном загрязнение микробной природы. Например, загрязнение воздуха вегетативными формами и спорами бактерий и грибов, вирусами, а также их токсинами и продуктами жизнедеятельности.
К природным источникам загрязнения относятся: извержения вулканов, пыльные бури, лесные пожары, пыль космического происхождения, частицы морской соли, продукты растительного, животного и микробиологического происхождения. Уровень такого загрязнения рассматривается в качестве фонового, который мало изменяется со временем.
Главный природный процесс загрязнения приземной атмосферы - вулканическая и флюидная активность Земли Крупные извержения вулканов приводят к глобальному и долговременному загрязнению атмосферы, о чем свидетельствуют летописи и современные наблюдательные данные (извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах). Это обусловлено тем, что в высокие слои атмосферы мгновенно выбрасываются огромные количества газов, которые на большой высоте подхватываются движущимися с высокой скоростью воздушными потоками и быстро разносятся по всему земному шару. Продолжительность загрязненного состояния атмосферы после крупных вулканических извержений достигает нескольких лет.
Антропогенные источники загрязнения обусловлены хозяйственной деятельностью человека. К ним следует отнести:
1. Сжигание горючих ископаемых, которое сопровождается выбросом 5 млрд. т. углекислого газа в год. В результате этого за 100 лет (1860 - 1960 гг.) содержание СО2 увеличилось на 18 % (с 0,027 до 0,032%). За последние три десятилетия темпы этих выбросов значительно возросли. При таких темпах к 2000 г. количество углекислого газа в атмосфере составит не менее 0,05%.
2. Работа тепловых электростанций, когда при сжигании высокосернистых углей в результате выделения сернистого газа и мазута образуются кислотные дожди.
3. Выхлопы современных турбореактивных самолетов с оксидами азота и газообразными фторуглеводородами из аэрозолей, которые могут привести к повреждению озонового слоя атмосферы (озоносферы).
4. Загрязнение взвешенными частицами (при измельчении, фасовке и загрузке, от котельных, электростанций, шахтных стволов, карьеров при сжигании мусора).
5. Выбросы предприятиями различных газов.
Выбросы вредных для здоровья человека веществ с отработавшими газами наряду с продуктами нормального окисления углеводородов (двуокись углерода и вода) отработавшие газы содержат также:
• недогоревшие углеводороды (сажа);
• окись углерода (угарный газ);
• продукты окисления примесей, содержащихся в топливе;
• окиды азота;
• твердые частицы;
• кислоты серные и угольные, образующиеся при конденсации водяных паров;
• антидетонационные и выносительные присадки и продукты их разрушения;
• фосфор;
• радиоактивные выбросы;
• метан.
6. Сжигание топлива в факельных печах, в результате чего образуется самый массовый загрязнитель - монооксид углерода.
7. Сжигание топлива в котлах и двигателях транспортных средств, сопровождающееся образованием оксидов азота, которые вызывают смог. Выхлопные газы (отходящие газы) - отработавшее в двигателе рабочее тело. Являются продуктами окисления и неполного сгорания углеводородного топлива. Выбросы выхлопных газов - основная причина превышения допустимых концентраций токсичных веществ и канцерогенов в атмосфере крупных городов, образования смогов, являющихся частой причиной отравления в замкнутых пространствах.
Количество выделяемых в атмосферу автомобилями загрязняющих веществ определяется массовым выбросом газов и составом отходящих газов.
Наибольшую опасность представляют оксиды азота, примерно в 10 раз более опасные, чем угарный газ, доля токсичности альдегидов относительно невелика и составляет 4-5 % от общей токсичности выхлопных газов. Токсичность различных углеводородов сильно отличается. Непредельные углеводороды в присутствии диоксида азота фотохимически окисляются образуя ядовитые кислородсодержащие соединения - составляющие смогов.
Качество дожигания на современных катализаторах таково, что доля СО после катализатора обычно менее 0,1 %.
Обнаруженные в газах полициклические ароматические углеводороды - сильные канцерогены.
Среди них наиболее изучен бензпирен, кроме него обнаружены производные антрацена:
Кроме того при использовании сернистых бензинов в отходящие газы могут входить оксиды серы, при применении этилированных бензинов - свинец (Тетраэтилсвинец), бром, хлор, их соединения. Считается, что аэрозоли галоидных соединений свинца могут подвергаться каталитическим и фотохимическим превращениям, участвуя в образовании смога.
Длительный контакт со средой, отравленной выхлопными газами автомобилей, вызывает общее ослабление организма - иммунодефицит. Кроме того, газы сами по себе могут стать причиной различных заболеваний. Например, дыхательной недостаточности, гайморита, ларинготрахеита, бронхита, бронхопневмонии, рака лёгких. Также выхлопные газы вызывают атеросклероз сосудов головного мозга. Опосредованно через легочную патологию могут возникнуть и различные нарушения сердечно-сосудистой системы.
8. Вентиляционные выбросы (шахтные стволы).
9. Вентиляционные выбросы с чрезмерной концентрацией озона из помещений с установками высоких энергий (ускорители, ультрафиолетовые источники и атомные реакторы) при ПДК в рабочих помещениях 0,1 мг/м3. В больших количествах озон является высокотоксичным газом.
Основные загрязнители
Окись углерода (СО) - бесцветный газ, не имеющий запаха, известен также под названием «угарный газ». Образуется в результате неполного сгорания ископаемого топлива (угля, газа, нефти) в условиях недостатка кислорода и при низкой температуре. При этом 65% от всех выбросов приходится на транспорт, 21% - на мелких потребителей и бытовой сектор, а 14% - на промышленность. При вдыхании угарный газ за счёт имеющейся в его молекуле двойной связи образует прочные комплексные соединения с гемоглобином крови человека и тем самым блокирует поступление кислорода в кровь.
Двуокись углерода (СО2) - или углекислый газ, - бесцветный газ с кисловатым запахом и вкусом, продукт полного окисления углерода. Является одним из парниковых газов. Диоксид углерода не токсичен, но не поддерживает дыхание. Большая концентрация в воздухе вызывает удушье (Гиперкапния). Недостаток углекислого газа тоже опасен (Гипокапния).
Диоксид серы (SO2) (диоксид серы, сернистый ангидрид) - бесцветный газ с резким запахом. Образуется в процессе сгорания серосодержащих ископаемых видов топлива, в основном угля, а также при переработке сернистых руд. Он, в первую очередь, участвует в формировании кислотных дождей. Общемировой выброс SO2 оценивается в 190 млн. тонн в год. Длительное воздействие диоксида серы на человека приводит вначале к потере вкусовых ощущений, стесненному дыханию, а затем - к воспалению или отеку лёгких, перебоям в сердечной деятельности, нарушению кровообращения и остановке дыхания.
Оксиды азота (оксид и диоксид азота) - газообразные вещества: монооксид азота NO и диоксид азота NO2 объединяются одной общей формулой NOх . При всех процессах горения образуются окислы азота, причем большей частью в виде оксида. Чем выше температура сгорания, тем интенсивнее идет образование окислов азота. Другим источником окислов азота являются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения. Количество окислов азота, поступающих в атмосферу, составляет 65 млн. тонн в год. От общего количества выбрасываемых в атмосферу оксидов азота на транспорт приходится 55%, на энергетику - 28%, на промышленные предприятия - 14%, на мелких потребителей и бытовой сектор - 3%.
Озон (О3) - газ с характерным запахом, более сильный окислитель, чем кислород. Его относят к наиболее токсичным из всех обычных загрязняющих воздух примесей. В нижнем атмосферном слое озон образуется в результате фотохимических процессов с участием диоксида азота и летучих органических соединений.
Углеводороды - химические соединения углерода и водорода. К ним относят тысячи различных загрязняющих атмосферу веществ, содержащихся в несгоревшем бензине, жидкостях, применяемых в химчистке, прoмышленных растворителях и т.д.
Свинец (Pb) - серебристо-серый металл, токсичный в любой известной форме. Широко используется для производства красок, боеприпасов, типографского сплава и т.п. Около 60% мировой добычи свинца ежегодно расходуется для производства кислотных аккумуляторов. Однако основным источником (около 80%) загрязнения атмосферы соединениями свинца являются выхлопные газы транспортных средств, в которых используется этилированный бензин. Свинец и его соединения токсичны. Попадая в организм, свинец накапливается в костях, вызывая их разрушение.
Сажа входит в категорию частиц опасных для лёгких, так как частицы менее пяти микрометров в диаметре не отфильтровываются в верхних дыхательных путях. Дым от дизельных двигателей, состоящий в основном из сажи, считается особенно опасным из-за того, что его частицы приводят к раку.
Альдегиды токсичны, способны накапливаться в организме. Кроме общетоксического, обладают раздражающим и нейротоксическим действием. Эффект зависит от молекулярной массы: чем она больше, тем слабее раздражающее, но сильнее наркотическое действие, причём ненасыщенные альдегиды токсичнее насыщенных. Некоторые обладают канцерогенными свойствами.
Бензапирен является наиболее типичным химическим канцерогеном, он опасен для человека даже при малой концентрации, поскольку обладает свойством биоаккумуляции. Будучи химически сравнительно устойчивым, бензапирен может долго мигрировать из одних объектов в другие. В результате многие объекты и процессы окружающей среды, сами не обладающие способностью синтезировать бензапирен, становятся его вторичными источниками. Бензапирен оказывает также мутагенное действие.
Промышленные пыли в зависимости от механизма их образования подразделяются на следующие 4 класса:
• механическая пыль - образуется в результате измельчения продукта в ходе технологического процесса;
• возгоны - образуются в результате объёмной конденсации паров веществ при охлаждении газа, пропускаемого через технологический аппарат, установку или агрегат;
• летучая зола - содержащийся в дымовом газе во взвешенном состоянии несгораемый остаток топлива, образуется из его минеральных примесей при горении;
• промышленная сажа - входящий в состав промышленного выброса твёрдый высокодисперсный углерод, образуется при неполном сгорании или термическом разложении углеводородов.
Смог (от англ. Smoky fog, буквально - «Дымовой туман») - аэрозоль, состоящий из дыма, тумана и пыли, один из видов загрязнения воздуха в крупных городах и промышленных центрах. Первоначально под смогом подразумевался дым, образованный сжиганием большого количества угля (смешение дыма и диоксида серы SO2).
В 1950-х гг. был впервые описан новый тип смога - фотохимический, который является результатом смешения в воздухе следующих загрязняющих веществ:
• оксиды азота, например, диоксид азота (продукты горения ископаемого топлива);
• тропосферный (приземный) озон;
• летучие органические вещества (парым бензина, красок, растворителей, пестицидов и других химикатов);
• перекиси нитратов.
Основные загрязнители воздуха жилых помещений - пыль и табачный дым, угарный и углекислый газы, двуокись азота, радон и тяжелые металлы, инсектициды, дезодоранты, синтетические моющие вещества, аэрозоли лекарств, микробы и бактерии.
Химическое загрязнение атмосферы
Атмосферный воздух является самой важной жизнеобеспечивающей природной средой и представляет собой смесь газов и аэрозолей приземного слоя атмосферы, сложившуюся в ходе эволюции Земли, деятельности человека и находящуюся за пределами жилых, производственных и иных помещений.
Загрязнение атмосферы – это изменение ее состава при поступлении примесей естественного или антропогенного происхождения. Вещества-загрязнители бывают трех видов: газы, аэрозоли и пыль. К аэрозолям относятся диспергированные твердые частицы, выбрасываемые в атмосферу и находящиеся в ней длительное время во взвешенном состоянии.
К основным загрязнителям атмосферы относятся углекислый газ, оксид углерода, диоксиды серы и азота, а также малые газовые составляющие, способные оказывать влияние на температурный режим тропосферы: диоксид азота, хлорфторуглероды (фреоны), метан и тропосферный озон.
Основной вклад в высокий уровень загрязнения воздуха вносят предприятия черной и цветной металлургии, химии и нефтехимии, стройиндустрии, энергетики, целлюлозно-бумажной промышленности, а в некоторых городах и котельные.
Источники загрязнений – это теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ, металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, которые выбрасывают в воздух окислы азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка; химические и цементные заводы. Вредные газы попадают в воздух в результате сжигания топлива для нужд промышленности, отопления жилищ, работы транспорта, сжигания и переработки бытовых и промышленных отходов.
Атмосферные загрязнители разделяют на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом превращения последних. Так, поступающий в атмосферу сернистый газ окисляется до серного ангидрида, который взаимодействует с парами воды и образует капельки серной кислоты. При взаимодействии серного ангидрида с аммиаком образуются кристаллы сульфата аммония. Подобным образом, в результате химических, фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы, образуются другие вторичные признаки. Основным источником пирогенного загрязнения на планете являются тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия, котельные установки, потребляющие более 70% ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива.
Основными вредными примесями пирогенного происхождения являются следующие:
1) оксид углерода - получается при неполном сгорании углеродистых веществ. В воздух он попадает в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодно этого газа поступает в атмосферу не менее 250 млн. т. Оксид углерода является соединением, активно реагирующим с составными частями атмосферы и способствует повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта;
2) сернистый ангидрид - выделяется в процессе сгорания серосодержащего топлива или переработки сернистых руд (до 70 млн. т. в год). Часть соединений серы выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах. Только в США общее количество выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида составило 85 процентов от общемирового выброса;
3) Серный ангидрид - образуется при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий отмечается при низкой облачности и высокой влажности воздуха. Пирометаллургические предприятия цветной и черной металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки миллионов тонн серного ан гидрида;
4) сероводород и сероуглерод - поступают в атмосферу раздельно или вместе с другими соединениями серы. Основными источниками выброса являются предприятия по изготовлению искусственного волокна, сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному окислению до серного ангидрида;
5) оксиды азота - основными источниками выброса являются предприятия, производящие; азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид. Количество оксидов азота, поступающих в атмосферу, составляет 20 млн. т. в год.;
6) соединения фтора - источниками загрязнения являются предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений. Фторосодержащие вещества поступают в атмосферу в виде газообразных соединений - фтороводорода или пыли фторида натрия и кальция. Соединения характеризуются токсическим эффектом. Производные фтора являются сильными инсектицидами;
7) соединения хлора - поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих соляную кислоту, хлоросодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере встречаются как примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты. Токсичность хлора определяется видом соединений и их концентрацией.
В металлургической промышленности при выплавке чугуна и при переработке его на сталь происходит выброс в атмосферу различных тяжелых металлов и ядовитых газов. Так, в расчете на I т. предельного чугуна выделяется кроме 2,7 кг сернистого газа и 4,5 кг пылевых частиц, определяющих количество соединений мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, паров ртути и редких металлов, смоляных веществ и цианистого водорода.
Объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных источников на территории России составляет около 22 – 25 млн. т. в год.
Аэрозольное загрязнение атмосферы
В атмосферу ежегодно поступают сотни миллионов тонн аэрозолей из различных источников. Аэрозоли - это твёрдые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. К аэрозолям относят нитратные и сульфатные соли, а также жидкие капельки серной кислоты, нефть, полихлорированные дифенилы, диоксины и различные пестициды.
Аэрозоли разделяются на первичные (выбрасываются из источников загрязнения), вторичные (образуются в атмосфере), летучие (переносятся на далекие расстояния) и нелетучие (отлагаются на поверхности вблизи зон пылегазовыбросов). Устойчивые и тонкодисперсные летучие аэрозоли - (кадмий, ртуть, сурьма, йод-131 и др.) имеют тенденцию накапливаться в низинах, заливах и других понижениях рельефа, в меньшей степени на водоразделах.
К естественным источникам относят пыльные бури, вулканические извержения и лесные пожары. Газообразные выбросы (например, SO2) приводят к образованию в атмосфере аэрозолей. Несмотря на то, что время пребывания в тропосфере аэрозолей исчисляется несколькими сутками, они могут вызвать снижение средней температуры воздуха у земной поверхности на 0,1 – 0,3 С. Не меньшую опасность для атмосферы представляют аэрозоли антропогенного происхождения, образующиеся при сжигании топлива либо содержащиеся в промышленных выбросах.
Средний размер аэрозольных частиц составляет 1- 5 мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает около 1 км3 пылевидных частиц искусственного происхождения. Большое количество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельности людей.
Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще всего в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода, реже - оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест. Они содержатся в выбросах предприятий теплоэнергетики, черной и цветной металлургии, стройматериалов, а также автомобильного транспорта. Пыль, осаждающаяся в индустриальных районах, содержит до 20% оксида железа, 15% силикатов и 5% сажи, а также примеси различных металлов (свинец, ванадий, молибден, мышьяк, сурьма и т.д.).
Еще большее разнообразие свойственно органической пыли, включающей алифатические и ароматические углеводороды, соли кислот. Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях. Постоянными источниками аэрозольного загрязнения являются промышленные отвалы - искусственные насыпи из переотложенного материала, преимущественно вскрышных пород, образуемых при добыче полезных ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности, ТЭС. Источником пыли и ядовитых газов служат массовые взрывные работы. Так, в результате одного среднего по массе взрыва (250-300 тонн взрывчатых веществ) в атмосферу выбрасывается около 2 тыс. м3 условного оксида углерода и более 150 т. пыли. Производство цемента и других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью. Основные технологические процессы этих производств - измельчение и химическая обработка шихт, полуфабрикатов и получаемых продуктов в потоках горячих газов всегда сопровождается выбросами пыли и других вредных веществ в атмосферу.
Концентрация аэрозолей меняется в весьма широких пределах: от 10 мг/м3 в чистой атмосфере до 210 мг/м3 в индустриальных районах. Концентрация аэрозолей в индустриальных районах и крупных городах с интенсивным автомобильным движением в сотни раз выше, чем в сельской местности. Среди аэрозолей антропогенного происхождения особую опасность для биосферы представляет свинец, концентрация которого изменяется от 0,000001 мг/м3 для незаселенных районов до 0,0001 мг/м3 для селитебных территорий. В городах концентрация свинца значительно выше – от 0,001 до 0,03 мг/м3. Аэрозоли загрязняют не только атмосферу, но и стратосферу, оказывая влияние на ее спектральные характеристики и вызывая опасность повреждения озонового слоя. Непосредственно в стратосферу аэрозоли поступают с выбросами сверхзвуковых самолетов, однако имеются аэрозоли и газы, диффундирующие в стратосфере.
Основной аэрозоль атмосферы – сернистый ангидрид (SO2), несмотря на большие масштабы его выбросов в атмосферу, является короткоживущим газом (4 – 5 суток). По современным оценкам, на больших высотах выхлопные газы авиационных двигателей могут увеличить естественный фон SO2 на 20%. Ежегодное поступление сернистого газа в атмосферу только вследствие промышленных выбросов оценивается почти в 150 млн. т. В отличие от углекислого газа сернистый ангидрид является весьма нестойким химическим соединением. Под воздействием коротковолновой солнечной радиации он быстро превращается в серный ангидрид и в контакте с водяным паром переводится в сернистую кислоту. В загрязненной атмосфере, содержащей диоксид азота, сернистый ангидрид быстро переводится в серную кислоту, которая, соединяясь с капельками воды, образует так называемые кислотные дожди.
К атмосферным загрязнителям относятся углеводороды - насыщенные и ненасыщенные, включающие от 1 до 3 атомов углерода. Они подвергаются различным превращениям, окислению, полимеризации, взаимодействуя с другими атмосферными загрязнителями после возбуждения солнечной радиацией. В результате этих реакций образуются перекисные соединения, свободные радикалы, соединения углеводородов с оксидами азота и серы часто в виде аэрозольных частиц. При некоторых погодных условиях могут образовываться особо большие скопления вредных газообразных и аэрозольных примесей в приземном слое воздуха. Обычно это происходит в тех случаях, когда в слое воздуха непосредственно над источниками газопылевой эмиссии существует инверсия - расположения слоя более холодного воздуха под теплым, что препятствует воздушным массам и задерживает перенос примесей вверх. В результате вредные выбросы сосредотачиваются под слоем инверсии, содержание их у земли резко возрастает, что становится одной из причин образования ранее неизвестного в природе фотохимического тумана.
Пыль, которой мы дышим
Попавшие в воздух твёрдые частицы, особенно в большом количестве, мы обычно называем пылью. Естественным путём частицы пыли попадают в атмосферу из таких источников, как вулканы, эрозия почв, при различного происхождения пожарах и др.
С развитием цивилизации много примесей стало попадать в воздух в результате работы многочисленных двигателей внутреннего сгорания, деятельности различных производств, а также по причине увеличения очагов возгорания, спровоцированных человеком, и т. д.
Все частицы, попадающие в воздух, можно разделить на следующие группы:
а) крупные частицы, осаждающиеся со временем;
б) частицы, слабо или совсем не осаждающиеся;
в) микроскопическая пыль, не осаждающаяся.
Средний диаметр частиц первой группы равен 20 микрон (мкм). Они сосредоточены в основном не выше 3 000 метров над поверхностью земли.
Диаметр второй группы – от 2,5 до 0,1 мкм. Благодаря электростатическим силам они способны увеличиваться в размерах и оседать. Эти частицы могут являться эффективными ядрами конденсации водяного пара и способствовать выпадению осадков.
Частицы третьей группы имеют диаметр менее 0,001 мкм. Они встречаются во всех слоях атмосферы.
Что касается так называемых аэрозольных частиц, то обычно он колеблется от 0,1 до 20 мкм. Такого рода частицы рассеивают радиацию и влияют на разную степень солнечного освещения, на температуру поверхности почвы.
Аэрозоли в основном попадают в атмосферу во время пыльных бурь в пустынях. Их состав преимущественно кремнеземный. А поскольку деятельность человека приводит к образованию всё новых и новых пустынных районов и увеличению площадей уже имеющихся пустынь, становится ясно, что идёт интенсивный процесс поступления аэрозольных частиц в атмосферу.
В результате вулканической деятельности в атмосферу поступает и сернистый газ, впоследствии образующий частицы серной кислоты, а затем и сульфата аммония.
Морские штормы дают жизнь бесчисленному числу брызг, которые при испарении образуют частицы, состоящие из соли со средним диаметром в 0,3 мкм, но не выше 3000 м над землёй они почти не поднимаются.
Аэрозоли порождаются также лесными пожарами, посадкой сельскохозяйственных культур на гарях и пр.
Деятельность человека добавляет к этим аэрозолям частица металлического происхождения и угольную пыль (а также сажу). В дыму различных топок и печей, сжигающих уголь и мазут, очень много таких частиц. А в выхлопных газах автомобилей содержится, кроме того, ещё и много свинца. К этому надо добавить пыль от промышленных стройматериалов, цементную пыль, пыль, получающуюся в результате дробления пород в карьерах и пр. Например, для получения 1 т цемента надо раздробить около 5 т различных материалов.
Металлургическая пыль также является источником большого количества аэрозолей. Сталелитейные заводы выбрасывают огромные клубы красного дыма, состоящего из частиц окиси железа, что значительно снижает солнечную инсоляцию на прилегающей территории.
Пыль города и индустриальных центров и районов содержит много частиц различного происхождения – в ней встречаются кварц, полевой шпат, асбест, гипс, сажа, продукты истирания резиновых автомашин и многое другое.
В районах с большим числом промышленных предприятий в аэрозолях можно найти до 20 элементов.
Загрязняют атмосферу и предприятия, производящие фосфорные удобрения, а также кирпич.
При производстве 1 т фосфатов в атмосферу выбрасывается 100 г фтора. Свинец производят в большом количестве – это необходимо и для металлургии (литейное производство), и в автомобилестроении. Одна треть всего свинца в мире идет на производство аккумуляторов. Сжигание различных отходов также дает свинец. Каждый автомобиль в год выбрасывает около 1 т свинца в виде аэрозоля. Его концентрация во многих районах Земли возросла в сотни и сотни раз. Надо учитывать, что все эти элементы оказываются не только в атмосфере, но и осаждаются на почву, попадая на воду, и на растения. Вот почему нельзя употреблять в пищу растительные продукты (помидоры, лук, огурцы, салат и т. д.), выращенные в черте крупного города на балконах, лоджиях, садовых участках. Концентрация свинца в городе может доходить до 3 мкг/м3, а в 1 л дождевой воды в городской черте может содержаться до 40 мкг свинца. Такое большое содержание опасных элементов в атмосфере и почве, воде и продуктов питания людей, естественно, вызывает рост различных заболеваний, в частности рака лёгких, желудка и пр. Все эти пылевые и аэрозольные частицы, кроме того, вызывают общее помутнение атмосферы, фотохимический смог, отрицательно влияют на интенсивность солнечной радиации, на фотосинтез растений и тепловой баланс планеты в целом, нарушая его естественные процессы.
В целом в атмосфере Земли постоянно находится около 250 млн. тонн взвешенных частиц. Особенно много техногенной пыли образуется при сжигании каменного угля на ТЭЦ и при производстве цемента.
При сгорании бензина и дизельного топлива в воздух попадают капли жидкого горючего. В воздухе происходят фотохимические реакции между окисью азота и углеводородом (инициируемые солнечным светом) – продукты этих реакций представляют собой жидкие органические соединения, рассеиваемые в виде мельчайших капелек, которые, как уже упоминалось ранее, и вызывают смог.
Болезни людей, вызываемые усилением запылённости. В последние десятилетия резко возросла запыленность атмосферы, что усугубило и без того тяжелую экологическую обстановку в мире. В первую очередь это сказалось на здоровье людей - особенно горожан (жителей крупных промышленных центров). Вспомним, что в Лондоне в 1952 г. за 4 дня смога, спустившегося на город, погибли 4 000 человек, а десятки тысяч людей получили легочные и бронхиальные заболевания. Смоги с большим содержанием пероксилацилнитратов вызывают сильные воспаления, такие, как гиперемия соединительной оболочки глаза. Особенно тяжелые случаи такого рода наблюдались в Лос-Анджелесе. У растений такие смоги повреждают листву и тормозят ютосинтез. Из-за смогов горожане все чаще стали заболевать хроническим бронхитом, эмфизой легких, различными аллергическими расстройствами, среди которых наиболее распространена астма. И наконец - рост заболеваний раком легких.
К примеру, в Великобритании 10% смертельных исходов обусловлено хроническим бронхитом. Особенно часто эта болезнь косит курильщиков - после 40 лет у них вероятность этого заболевания в 10 раз больше, чем у некурящих людей.
Еще в 1980 году стало ясно, что присутствие в атмосфере канцерогенных полициклических углеводородов, таких как бензопирен, бензоантрацен, флюорантрен, способствует возникновению рака бронхов и легких. А при вдыхании кремнеземной пыли и силикатов возникают силикоз и фиброцитоз легких, что вызывает отвердение легочных альвеол, теряющих свою эластичность.
Близка к предыдущей болезни и легочная мезотелиома, возникающая при вдыхании асбестовой пыли (которую дают соответствующие производства, а также использование тормозов сцеплений и пр.). Страдают от запыленности воздуха и все другие системы органов человека.
Усиление запылённости атмосферы. Человечество наращивает запыленность, ежегодно сжигая более 3 млрд. тонн каменного угля, более 2 млрд. тонн нефти, с также 1 млн. тонн торфа, древесины и т.д.
Одна только строительная промышленность ежегодно выбрасывает в воздух более 3 млрд. т пыли, цемента, крошки, которые, смешиваясь с дымом, сажей, пеплом и ядовитыми веществами химической промышленности, образуют канцерогенную смесь, которой нам приходится дышать. А ведь человеку в сутки требуется пропускать через свои лёгкие 10 тыс. л воздуха, чтобы получать необходимые для жизни 500 л кислорода.
Запыленность атмосферы увеличивает и облачность. К примеру, в Париже за последние 30 лет пасмурных и туманных дней увеличилось более чем в 5 раз. Сотни миллионов тонн пыли поднимаются в воздух во время пыльных бурь, смерчей, ураганов. Случаи переноса миллионов тонн песка происходят постоянно - так в 80-х годах в результате ураганного ветра в Казахских степях были подняты в воздух и перенесены на запад несколько миллионов тонн песка, впоследствии засыпавшие посевы в Румынии.
Впрочем, иногда пыль является благом. Некоторые расчеты показывают, что 12 млн. т пыли ежегодно из Африки (Сахара) переносятся через Атлантику в район Амазонки и там оседают, что, кстати, благотворно воздействует на жизнь бедных микроэлементами почв тропических лесов, так как эти частицы пыли богаты фосфатами. И на 1 га в год поступает более 1 кг фосфатов.
Металлическая пыль – особая пыль. Существует и другой постоянный путь поступления пылевых частиц в атмосферу. Имеется в виду «метеоритный дождь». На Землю ежесекундно падают метеориты. Они, сгорая в слоях атмосферы полностью или почти полностью, рассеивают никель, железо, хром, кобальт и другие металлы. Среднегодовое поступление внеземного вещества, по разным оценкам, составляет до 80 млн тонн, причем на материки приходится лишь 30% всех метеоритов, остальная часть падает в океаны.
Много металлов и неметаллов уносят в атмосферу доменные газы - это не только железо, но и медь, свинец, мышьяк и др.
Из тонны пыли, поступающей в атмосферу при плавке медных руд, можно получить до 100 кг меди, несколько меньше свинца и цинка. Сколько полезных металлов человек теряет из-за несовершенства технологий и какой ущерб это приносит биосфере, подсчитать пока еще никто не смог.
Мы только знаем, что тяжелым металлам свойственно накапливаться и концентрироваться, проходя по пищевым цепям, что приводит к отравлениям всего живого, особенно хищников, да и самого человека (то есть верхних ступеней экологической пирамиды).
Запылённость атмосферы как следствие взрывов и войн. Наконец, не надо забывать и про войны, пусть даже и локальные, которые дают о себе знать в том или ином регионе Земли различными экологическими катастрофами (разлив нефти в акваториях морей, загрязнение атмосферы, вызванное взрывами и пожарами не4ггехранилищ, различных складов и пр.). Сравним деятельность вулканов со взрывами бомб. Вулкан Кракатау в Индонезии в 1883 г. выбросил в атмосферу около 20 км3пыли и пемзы, вулкан Тамбор, также в Индонезии, в 1915 г. дал более 100 км3 пыли. Так вот, поверхностный взрыв бомбы в 1 мегатонну (в 100 раз более сильный, чем тот, который уничтожил Хиросиму) выбросит на высоту до 10 км около 300-400 тыс. т пыли. Взрывы общей мощностью порядка 10 тыс. мегатонн поднимут вверх около 3-4 млрд. т пыли. Все это способно сильно повлиять на климат планеты в целом и вызвать чудовищную экологическую катастрофу с уничтожением всякой высшей формы жизни на значительной территории планеты.
Еще в 1961 г. американский исследователь Дж. Хилл вычислил, что ядерные заряды мощностью 1, 3, 10 мегатонн выжигают соответственно 500, 1000, 2100 км2 лесов. В результате взрыва такой мощности возникает самоподдерживающийся пожар. Если он охватывает 1 млн. км2, то выбрасывает вверх одномоментно около 4 млрд. т сажи. Сухая сажа, попав в верхние слои атмосферы, будет находиться там не менее трёх месяцев, и Землю окутает тьма.
Метан в атмосфере
Метан – наиболее важный представитель органических веществ в атмосфере. Его концентрация существенно превышает концентрацию остальных органических соединений. В 60-е и 70-е годы количество метана в атмосфере возрастало со скоростью 1% в год, и это объяснялось хозяйственной деятельностью человечества.
Увеличение содержания метана в атмосфере способствует усилению парникового эффекта, так как метан интенсивно поглощает тепловое излучение Земли в инфракрасной области спектра на длине волны 7,66 мкм. Метан занимает второе место после углекислого газа по эффективности поглощения теплового излучения Земли. Вклад метана в создание парникового эффекта составляет примерно 30% от величины, принятой для углекислого газа. С ростом содержания метана изменяются химические процессы в атмосфере, что может привести к ухудшению экологической ситуации на Земле. Естественно возникает вопрос об управлении химическими и физическими процессами, в которых принимает участие метан. Если молекулы метана попадают в атмосферу, то они вовлекаются в процессы переноса и вступают в химические реакции, которые хорошо известны как качественно, так и количественно. Управление процессами непосредственно в атмосфере в глобальном масштабе практически исключено. До настоящего времени направленное воздействие на атмосферные процессы удавалось осуществить только путём изменения мощности антропогенных источников. Поэтому важно понимать природу естественных и антропогенных источников метана и оценивать их мощность с достаточной степенью достоверности.
История обнаружения атмосферного метана. История обнаружения атмосферного метана коротка. Присутствие его в атмосфере открыто сравнительно недавно, в 1947 году. Концентрация метана невелика. В атмосферной химии для концентрации обычно используют долевые единицы, что связано с тем, что количество примесных молекул, таких, как метан, невелико. Часто концентрации выражают в частях на миллион или миллиард. Например, если концентрация примеси равна одной части на миллион, то это означает, что в одном моле воздуха присутствует 1(Г6 молей примеси. Для удобства вводят обозначения типа ррт, что означает количество частей на миллион.
Классификация метана по его происхождению. Источники метана разнообразны. Метан называется биогенным, если он возникает в результате химической трансформации органического вещества. Если метан образуется в результате деятельности бактерий, то он называется бактериальным (или микробным) метаном. Если его возникновение обязано термохимическим процессам, то он называется термогенным. Бактериальный метан образуется в донных отложениях болот и других водоемов, в результате процессов пищеварения в желудках насекомых и животных (преимущественно жвачных). Термогенный метан возникает в осадочных породах при их погружении на глубины 3—10 км, где осадочные породы подвергаются химической трансформации в условиях высоких температур и давлений. Метан, возникший в результате химических реакций неорганических соединений, называется абиогенным. Он образуется обычно на больших глубинах в мантии земли.
Общее содержание метана в атмосфере и его концентрация. В настоящее время концентрация атмосферного метана составляет 1,8 ppm. Общее количество метана в атмосфере оценивают в пределах 4600—5000 Тг (Тг = 1012 г). В южном полушарии концентрация метана несколько ниже, чем в северном полушарии. Такое различие обычно связывают с меньшей мощностью источников метана в южном полушарии: считается, что основные источники метана расположены на континентах, а океаны не вносят заметного вклада в глобальный поток метана. Время жизни метана в атмосфере 8-12 лет.
Метан находится в атмосфере в основном в приземном слое, который называется тропосферой и толщина которого составляет 11-15 км. Концентрация метана мало зависит от высоты в интервале от поверхности Земли до тропопаузы, что обусловлено большой скоростью перемешивания по высоте в пределах 0-12 км (1 месяц) в сравнении со временем жизни метана в атмосфере.
Контроль загрязнения атмосферы
Контроль загрязнения атмосферы — проверка соответствия содержания загрязняющих атмосферу веществ установленным требованиям.
Контроль загрязнения почв санитарно-защитной зоны любого предприятия должен проводиться на основе данных о предельно допустимых выбросах и сбросах. По требованию действующих нормативных документов в ССЗ предприятия почва должна быть проверена на содержание канцерогенных веществ. Присутствие этих веществ обычно определяют по содержанию бенз(а)пирена.
Борьба с загрязнением атмосферы включает задачу непрерывного контроля качества воздуха. Целью этих анализов является предупреждение загрязнения атмосферного воздуха выше предельно допустимой нормы, принятой в данной стране. Не менее важен и регулярный контроль загрязненного воздуха производственных помещений, в контакте с которым люди находятся в течение всего рабочего дня. Подобные задачи решают с помощью автоматических газоанализаторов, предназначенных в основном для определения главных загрязнителей атмосферы (оксиды углерода, серы и азота, оксиданты, углеводороды, пыль) и токсичных химических веществ, характерных для того или иного производства.
Система-3 - для контроля загрязнения атмосферы в приземном слое воздуха населенных мест - 28 ПКЗ (24 для первой очереди, 4 для второй очереди АГК) и метеостанции. Пять станций были рассчитаны на определение Ш8, БОг, УВ, N02, СО, остальные - на три первых ингредиента.
Лидарная система контроля загрязнения реализует лазерно-локационный метод — комбинационное рассеяние и дифференциальное поглощение загрязняющих веществ с использованием источника лазерного излучения и предназначена для дистанционного зондирования качества атмосферы. Состоит из лидара кругового обзора, который устанавливается в промышленных зонах или вблизи автомагистралей на доминирующих строениях, и предназначен для непрерывного контроля выбросов аэрозолей, N0 , 80г на территории радиусом 7—15 км и измерения азимута и расстояния до источника загрязнения. Лидар второго типа на базе автомобиля — комбинационного рассеяния используется для многокомпонентного анализа концентрации примесей в воздухе.
Наряду с массовым контролем загрязнений рек, озер и водохранилищ требуется постановка наблюдений за «фоновым» загрязнением поверхностных вод в местах, удаленных от действия локальных источников загрязнения. Здесь серьезное внимание должно быть уделено контролю загрязнения за счет атмосферного переноса из соседних районов. Именно этот путь загрязнений может быть основным для таких водных объектов.
Полученные данные по загрязнению воздушного бассейна регистрируются в специальных таблицах в соответствии с рекомендациями "Руководства по контролю загрязнения атмосферы".
Обратимся к примерам контроля загрязнения почв на предприятиях, близких к ПХГ по характеру воздействия на почву. К таким объектам относятся, прежде всего, нефтегазодобывающие предприятия.
Как отмечалось система контроля загрязнений природной среды построена по иерархическому принципу. Первичной ступенью (уровнем) является пункт (пункты) наблюдения, откуда информация передается в центр сбора и обработки информации. Для автоматизированной системы, развитие которой осуществляется в настоящее время, первичной ступенью является локальная система, обслуживающая отдельный район, город. Эта ступень состоит из двух частей — контрольно-замерных станций и вычислительного центра.
В зарубежной литературе для контроля загрязнения почв и твердых отходов, помимо вышеперечисленных, предлагаются такие показатели, как содержание летучих хлорорганических и негалогенных веществ, нитроароматических и циклических кетонов, хлорированных углеводородов, полициклических и полиядерных ароматических углеводородов, а в последнее время расширен круг определяемых показателей воздействия на биологические объекты.
Основное различие в мерах по контролю загрязнений на установке по прессованию отходов по сравнению с мерами контроля при использовании обычной установки для перегрузки отходов связано с работой уплотняющего пресса и вспомогательного оборудования. Основной вредностью при работе установки является производственный шум. Меры по контролю за его уровнем включают в себя рекомендации, которые могут быть прямо реализованы в конструкции здания, пресса и оборудования для обработки материалов. Кроме того, насосы пресса (основной источник шума) могут быть снабжены звукопоглощающими кожухами.
Создать качественную систему контроля за выбросами промышленных предприятий в атмосферу можно только с учетом опыта самых развитых стран, имеющих относительно небольшую территорию и большой объем промышленного производства. Наилучшие достижения, на наш взгляд, имеет Германия и поэтому авторы выбрали для описания и анализа немецкую систему контроля загрязнения атмосферы, преследуя главную цель - довести до сведения российских читателей логику и структуру системы, полагая, что она может являться эталоном для обучения достаточно длительное время.
Исключительно мощное средство контроля загрязнения различных объектов окружающей среды - хроматографические методы, позволяющие анализировать сложные смеси компонентов. Наибольшее значение приобрели тонкослойная газожидкостная и ионная хроматография. Будучи несложной по технике выполнения, тонкослойная хроматография хороша при определении пестицидов и других органических соединений-загрязнителей. Газожидкостная хроматография эффективна при анализе многокомпонентных смесей летучих органических веществ. Применение различных детекторов, например малоизбирательного детектора по теплопроводности - катарометра и избирательных - пламенно-ионизационного, электронного захвата позволяет достигать высокой чувствительности при определении высокотоксичных соединений. Высокоэффективную жидкостную хроматографию применяют при анализе смесей многих загрязняющих веществ. Используя высокочувствительные детекторы, спектрофотометрические, флуориметрические, можно определять очень малые количества веществ. При анализе смеси сложного состава особенно эффективно сочетание хроматографии с инфракрасной спектрометрией и особенно с масс-спектрометрией. В последнем случае роль детектора играет подключенный к хроматографу масс-спектрометр. Обычно приборы такого типа оснащены мощным компьютером. Ионная хроматография удобна при анализе катионного и анионного состава вод.
Промышленное загрязнение атмосферы
Во все времена человек стремился к улучшению качества жизни, что побуждало его использовать все новые и новейшие технологии. Двадцатый век стал отправной точкой мощного подъема развития и роста промышленного производства. Возникновение огромных мегаполисов, которые быстрыми темпами росли и развивались, не могли не вселять всеобщую радость и гордость за достижение человеческой мысли.
Разве кто-нибудь мог тогда предположить, чем обернется для человечества то, что до недавнего времени называлось прогрессом. Все труднее человеку удается добыть качественные, здоровые продукты питания, природную чистую ключевую воду. Жители планеты теряют самое ценное – здоровье!
В наше время промышленное загрязнение окружающей среды напрямую связано с развитием и ростом химического производства. Катастрофическими темпами происходит загрязнение промышленными отходами.
Рассмотрим некоторые аспекты существующей проблемы.
Химическое загрязнение атмосферы
Основными источниками, из которых осуществляется химическое загрязнение атмосферы, являются металлургическая и химическая промышленность, отопительные системы (тепловые электростанции, котельные установки), транспорт. Вместе с дымом теплоэлектростанции выбрасывают в воздух углекислый и сернистый газ.
В современных условиях пальму первенства в вопросах ухудшения качества воздуха удерживает промышленное загрязнение. Ежегодно в атмосферу выбрасываются миллионы тонн вредных веществ, которые при взаимодействии образуют новые элементы. Так сернистый газ, окисляясь, образует серный ангидрид, а взаимодействуя с аммиаком, превращается в кристаллы сульфата аммония. При соединении серного ангидрида с парами воды, образуется серная кислота. Таким образом, происходят различные химические, фотохимические, физико-химические реакции между составляющими атмосферы и элементами загрязняющих веществ, многократно усиливая химическое загрязнение окружающей среды.
Отходы металлургии – это также такие химические элементы, как оксиды азота, аммиак, сероводород, хлор, фтор, а также соединения фосфата, ртути и мышьяка.
Загрязнение химическими веществами озонного слоя Земли и его разрушение происходит в результате сжигания промышленных и бытовых отходов, отопления жилых помещений, транспортных выхлопных газов, промышленного сжигания топлива.
Не стоит недооценивать и аэрозольное загрязнение атмосферы. Основным его источником являются ТЭС, обогатительные фабрики, металлургические предприятия, сажевые, магнезитовые и цементные заводы. Выброс пыли измеряется миллионами тонн в год! Так, сжигание каменного угля дает 93.6 млн. т. пыли, производство цемента – 53,37млн.т., а выплавка чугуна образует 20.21млн.т. вредоносных частиц.
Проблемы химической промышленности заключаются в невозможности эффективно контролировать выброс в атмосферу загрязняющих веществ. Существуют нормы, определяющие предельно допустимую концентрацию (ПДК) воздуха для нормальной жизнедеятельности человека. Но до настоящего времени снижение выбросов многих вредных веществ остается практически нерешенной проблемой.
Как правило, эта проблема затрагивает города, где сосредоточены промышленные предприятия различных отраслей, а также растущие населенные пункты.
Последствия загрязнения атмосферы очевидны: образование озоновых дыр, возникновение парникового эффекта, рост процента тяжелых заболеваний, спровоцированных выбросами. Среди них раковые опухоли, всевозможные аллергии, астматический синдром, нарушение сердечнососудистой деятельности, общее понижение иммунитета.
Химическое загрязнение воды
Формирование поверхностного и подземного стока воды зависит не только от разнообразных природных явлений, но и результатов бытовой и хозяйственной деятельности человека, а также промышленного и коммунального строительства, индустрии, транспорта. Как следствие - химическое загрязнение воды, ухудшение качества воды из-за вредных примесей, содержащихся в ней как органической природы (пестициды, органические остатки, нефть и нефтепродукты), так и неорганической (кислоты, щелочи, минеральные соли, глинистые частицы).
Основными неорганическими загрязнителями морских и пресных водных бассейнов являются соединения свинца, ртути, кадмия, мышьяка, меди, хрома, фтора. Тяжелые металлы поглощаются планктоном и по пищевой цепочке поступают на стол потребителя.
Органическое загрязнение океана сточными водами составляет 300-380млн.т./год. Растворенное органическое вещество пагубно влияет на состояние водоемов, убивая микроорганизмы, способствующие процессу самоочищения воды. В частности, образование сероводорода происходит путем загнивания донных осадков органических веществ, что приводит к полному загрязнению водоема.
Снижение содержания в воде кислорода происходит из-за поверхностно активных веществ. Это масла, жиры, смазочные материалы. На поверхности воды образуется пленка, которая препятствует газообмену между молекулами воды и атмосферой. Причина тому - нефть и нефтепродукты. Ужасающие последствия загрязнения окружающей среды провоцирует слив танкерами за борт балластных и промывочных вод, а также потери нефти при транспортировке и аварийных ситуациях.
Разрушительным для экологии является захоронение в море различных материалов и веществ: бурового шлака, отходов промышленности и строительства, взрывчатых и радиоактивных отходов наносит непоправимый ущерб экосистеме. Только бытовой мусор содержит в среднем 38% органических веществ, 0.167% цинка, 0.091 свинца, 0.63% азота, 0.51%фосфора, 0.002%кадмия, 0.001% ртути.
Отходы производства пестицидов загрязняют сточные воды, и как следствие отравляют почвенный покров земли. Эти вещества - искусственно созданные вещества для борьбы с болезнями растений и вредителями. Однако их использование наносит вред многим полезным организмам.
Химическое загрязнение почвы пестицидами приковывает внимание ученых к поиску возможных путей ее обезвреживания химическими и биологическими способами. Необходимо ускорить переход от применения химических методов борьбы с вредителями, к биологическим методам. Эти препараты должны обладать небольшой продолжительностью жизни, т.е. большой скоростью деструкции (недели, месяцы). Уже достигнуты определенные успехи, но решение проблемы остается насущной.
Химическое загрязнение поверхностного слоя земли
На сегодняшний день существует глобальная проблема, решение которой не терпит отлагательства. Это повышение кислотности атмосферных осадков и поверхностного покрова. Причиной являются кислотные дожди. Они возникают при взаимодействии окислов серы, углерода, азота с водой. Превращаясь в растворы смеси азотистой, азотной, сернистой, серной и угольной кислот, выпадают в виде осадков на сушу, пагубно воздействуя на растения, почву, воду. Главным источником вредных компонентов является сжигание сланцев, угля, нефти, газа, а также хозяйственная деятельность человека.
Снова и снова мы обсуждаем последствия экологического загрязнения. Воздействие технического прогресса на окружающую среду человека приняло угрожающие масштабы! Но не следует забывать о том, что Природа, Земля дана человечеству во временное пользование. И если каждый человек отнесется к проблеме осознанно, все еще может получиться. Каждый житель планеты обязан помнить: «Химическое загрязнение биосферы! Опасно для жизни!» Работа с экологическим самосознанием человека должна проникнуть в разные сферы деятельности – школьное обучение, бизнес образование, СМИ. Только добрая воля и действенная технологическая защита от промышленного загрязнения могут спасти нашу планету.
Уровни загрязнения атмосферы
Особенностью нормирования качества атмосферного воздуха является зависимость воздействия загрязняющих веществ, присутствующих в воздухе, на здоровье населения не только от значения их концентраций, но и от продолжительности временного интервала, в течение которого человек дышит данным воздухом.
Особенностью нормирования качества атмосферного воздуха является зависимость воздействия загрязняющих веществ, присутствующих в воздухе, на здоровье населения не только от значения их концентраций, но и от продолжительности временного интервала, в течение которого человек дышит данным воздухом.
Поэтому в Российской Федерации, как и во всем мире, для загрязняющих веществ, как правило, установлены два норматива: рассчитанный на короткий период воздействия загрязняющих веществ (данный норматив называется "предельно допустимые максимально–разовые концентрации"); и норматив, рассчитанный на более продолжительный период воздействия (8 часов, сутки, по некоторым веществам – год). В Российской Федерации данный норматив устанавливается для 24 часов и называется "предельно допустимые среднесуточные концентрации".
ПДК – предельная допустимая концентрация загрязняющего вещества в атмосферном воздухе – концентрация, не оказывающая в течение всей жизни прямого или косвенного неблагоприятного действия на настоящее или будущее поколение, не снижающая работоспособности человека, не ухудшающая его самочувствия и санитарно-бытовых условий жизни. Величины ПДК приведены в мг/куб. м.
ПДКмр – предельно допустимая максимальная разовая концентрация химического вещества в воздухе населенных мест, мг/куб. м. Эта концентрация при вдыхании в течение 20-30 минут не должна вызывать рефлекторных реакций в организме человека.
ПДКсс – предельно допустимая среднесуточная концентрация химического вещества в воздухе населенных мест, мг/куб. м. Эта концентрация не должна оказывать на человека прямого или косвенного вредного воздействия при неопределенно долгом (годы) вдыхании.
В качестве обязательных статистических характеристик загрязнения воздуха используются три показателя качества воздуха: индекс загрязнения атмосферы – ИЗА, стандартный индекс – СИ и наибольшая повторяемость превышения ПДК – НП.
ИЗА – комплексный индекс загрязнения атмосферы, учитывающий несколько примесей. Комплексный ИЗА рассчитывается по специальной формуле, которая учитывает среднегодовую концентрацию загрязняющего вещества, его среднесуточную предельно допустимую концентрацию и коэффициент, который зависит от степени вредности загрязняющего вещества.
ИЗА характеризует уровень хронического, длительного загрязнения воздуха.
СИ – стандартный индекс, наибольшая измеренная разовая концентрация примеси, деленная на ПДК. Он определяется из данных наблюдений на посту за одной примесью, или на всех постах рассматриваемой территории за всеми примесями за месяц или за год. Характеризует степень кратковременного загрязнения.
НП – наибольшая повторяемость (в процентах) превышения максимально разовой ПДК по данным наблюдений за одной примесью на всех постах территории за месяц или за год.
В соответствии с существующими методами оценки выделяют четыре уровня загрязнения атмосферы:
1. Низкий при ИЗА от 0 до 4, СИ<1, НП < 10 %;
2. Повышенный при ИЗА от 5 до 6, СИ<5 , НП от 10 до20 %;
3. Высокий при ИЗА от 7 до 13, СИ от 5 до 10, НП от 20 до 50%;
4. Очень высокий при ИЗА равном или больше 14, СИ>10, НП>50%.
Охрана и оздоровление воздушной среды включает в себя комплекс научно обоснованных социально-экономических, технических, санитарно-гигиенических и иных мер по охране атмосферного воздуха от загрязнения промышленными и транспортными выбросами, которые можно объединить в следующие основные группы:
1. Конструктивно-технологические мероприятия, исключающие выделение опасных веществ в самом источнике их образования.
2. Улучшение состава топлива, совершенствование аппаратов карбюрации, уменьшение или устранение попадания отбросов в атмосферу с помощью очистных сооружений.
3. Предотвращение загрязнения атмосферы путем рационального размещения источников вредных выбросов и расширения зеленых насаждений.
4. Контроль за состоянием воздушной среды со стороны специальных государственных органов и общественности.
Статью подготовила доцент кафедры социально-гуманитарных дисциплин Волгушева Алла Александровна. 
