3.Характеристика загрязняющих атмосферу веществ.

Основными химическими примесями, загрязняющими атмосферу, являются следующие.

Оксид углерода (СО) - бесцветный газ, не имеющий запаха, так называемый «угарный газ». Образуется в результате неполного сгорания ископаемого топлива (угля, газа, нефти) в условиях недостатка кислорода при низкой температуре.

Оксид углерода (СО) — самая распространенная и наиболее значительная примесь атмосферы, называемая в быту угарным газом. Содержание СО в естественных условиях от 0,01 до 0,2 мг/м3. Основная масса выбросов СО образуется в процессе сжигания органического топлива, прежде всего в двигателях внутреннего сгорания. Содержание СО в воздухе крупных городе колеблется в пределах 1— 250 мг/м3, при среднем значении 20 мг/м3. Наиболее высокая концентрация СО наблюдается на улицах и площадях городов с интенсивным движением, особенно у перекрестков. Высокая концентрация СО в воздухе приводит к физиологическим изменениям в организма человека, а концентрация более 750 мг/м3 — к смерти. СО — исключительно агрессивный газ, легко соединяющийся с гемоглобином крови, образует карбоксигемоглобин. Образование карбоксигемоглобина — процесс обратимый, через 3—4 ч содержание его в крови уменьшается в 2 раза.

Степень воздействия СО на организм человека зависит также от длительности воздействия (экспозиции) и вида деятельности человека.

Примерно 65% всех выбросов приходится на транспорт, 21 % - на мелких потребителей и бытовой сектор, 14 % - на промышленность.

Максимальная разовая ПДК СО - 5 мг/м³, а среднесуточная - 3 мг/м³. При 14 мг/м³ возрастает вероятность смерти от инфаркта миокарда. Высокие концентрации оксида углерода часто наблюдаются в часы пик на автотранспорте или при инверсиях (т.е в условиях слабого воздушного обмена), благоприятствующих возникновению смога. Уменьшение выбросов угарного газа достигается путем дожигания отходящих газов и использования альтернативных источников топлива.

Диоксид углерода (СО₂ ), или углекислый газ - бесцветный газ с кисловатым запахом и вкусом, продукт полного окисления углерода. Является одним из парниковых газов.

Диоксид серы (SO₂) или 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 участвует в формировании кислотных дождей. Общемировой выброс SO₂оценивается в 190 млн. т в год. Концентрация диоксида серы особенно велика в районах, где расположены крупные тепловые станции, металлургические и горно-обогатительные заводы. Максимальная разовая ПДК для диоксида серы составляет 0,5 мг/м³ , а среднесуточная - 0,05 мг/м³ . Длительное воздействие диоксида серы на человека приводит к нарушению кровообращения и остановке дыхания.

Диоксид серы (SO₂) — бесцветный газ с острым запахом. На его долю приходится до 95% от общего объема сернистых соединений, поступающих в атмосферу от антропогенных источников. До 70% выбросов SO₂ образуется при сжигании угля, мазута — порядка 15%.

При концентрации диоксида серы 20—30 мг/м3 раздражается слизистая оболочка рта и глаз, во рту возникает неприятный привкус. Весьма чувствительны к SO2 хвойные леса. При концентрации SO2 в воздухе 0,23—0,32 мг/м3 в результате нарушения фотосинтеза происходит усыхание хвои в течение 2— 3 лет. Аналогичные изменения у лиственных деревьев происходят при концентрациях SO2 0,5—1 мг/м3.

Оксиды азота (оксид и диоксид азота) - газообразные вещества: монооксид азота и диоксид азота объединяются общей формулой NO_x. Образуются при всех процессах горения большей частью в виде оксида азота. Оксид азота достаточно быстро окисляется до диоксида, который представляет собой красно-белый газ с неприятным запахом, сильно действующим на слизистые оболочки человека. Чем выше температура горения, тем интенсивнее идет образование оксидов азота.

Другим источником оксидов азота являются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединеия, вискозный шелк, целлулоид. Количество азота, поступающего в атмосферу, составляет 65 млн. т в год. При этом на транспорт приходится 55%, на энергетику - 28 %, на промышленные предприятия - 14%, на мелких потребителей и бытовой сектор - 3%.

Оксиды азота (NO_х) образуются в процессе горения при высоких температурах путем окисления части азота, находящегося в атмосфере. Под общей формулой NO_х обычно подразумевают сумму NOи NO₂.

Основные источники выбросов NOx: двигатели внутреннего сгорания, топки промышленных котлов, печи.

NO2 — газ желтого цвета, придающий воздуху в городах коричневатый оттенок. Отравляющее действие NOx начинается с легкого кашля. При повышении концентрации кашель усиливается, начинается головная боль, возникает рвота.

При контакте NOx с водяным паром, поверхностью слизистой оболочки образуются кислоты HNO₃ и HNO₂, что может привести к отеку легких.

В летний период при интенсивном солнечном облучении продолжительностью 12-14 часов вследствие высокой растворимости в воде (облака, дождь) и сорбции на увлажненных поверхностях азотная кислота быстро выпадает на земную поверхность. В городах наиболее высокие концентрации оксидов азота наблюдаются утром, до начала фотохимических процессов. При ярком солнечном свете оксиды азота реагируют с несгоревшими бензиновыми парами и другими углеводородами, образуя низкоатмосферный озон, или смог.

Максимальная разовая ПДК диоксида азота составляет 0,085 мг/м³, среднесуточная -0,04 мг/м³ . При концентрациях свыше 0,15 мг/м³ возникают острые заболевания органов дыхания. При остром отравлении может развиться отек легких.

Озон - 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 (ЛОС). Поскольку к ЛОС относят порядка 260 химических соединений, при образовании озона получаются смеси, состоящие из сотен химических веществ и называемые фотохимическим смогом. Наиболее высокие концентрации озона наблюдаются в промышленных районах, хотя в сельской местности также зафиксированы повышенные концентрации озона. Макимальная разовая ПДК озона, который относится к 1 классу опасности, составляет 0,16 мг/м³, а среднесуточная - 0,03 мг/м³.

Углеводороды - химические соединения углерода и водорода. К ним относят тысячи различных загрязняющих атмосферу веществ, содержащихся в несгоревшем бензине, жидкостях, применяемых в химчистке, промышленных растворителях и т.д. Многие углеводороды опасны сами по себе. Например, бензол, один из компонентов бензина, может вызвать лейкемию, а гексан - тяжелые поражения нервной системы человека. Сильным канцерогеном является бутадиен.

Основной техногенный источник выбросов углеводородов (CmHn — пары бензина, метан, пентан, гексан) — автотранспорт. Его удельный вес составляет более 50% от общего объема выбросов. При неполном сгорании топлива происходит также выброс циклических углеводородов, обладающих канцерогенными свойствами. Особенно много канцерогенных веществ содержится в саже, выбрасываемой дизельными двигателями. Из углеводородов в атмосферном воздухе наиболее часто встречается метан, что является следствием его низкой реакционной способности. Углеводороды обладают наркотическим действием, вызывают головную боль, головокружение. При вдыхании в течение 8 часов паров бензина с концентрацией более 600 мг/м3 возникают головные боли, кашель, неприятные ощущения в горле.

Свинец - серебристо-серый металл, токсичный в любой известной форме. Широко используется для производства припоя, красок, боеприпасов, типографского сплава и т.п. Около 60% мировой добычи свинца, которая составляет порядка 4 х 10⁷ т 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, в который в качестве антидетонационной присадки вводят тетраэтилсвинец. Для свинца и его соединений среднесуточная ПДК составляет 0,0003 мг/м³ , а для тетраэтилсвинеца установлен ориентировочный безопасный уровень воздействия (ОБУВ), равный 3 х 10 ^-63 . мг/м

Свинец и его соединения, попадая в организм человека, снижают активность ферментов и нарушают обмен веществ, кроме того, они обладают способностью накапливаться в организме человека. Особую угрозу соединения свинца представляют для детей, нарушая их умственное развитие, рост, слух, речь ребенка, его способность сосредоточиться.

Фреоны - группа галогеносодержащих веществ, синтезированных человеком. Фреоны, представляющие собой хлорированные и фторированные углероды (ХФУ), как недорогие и нетоксичные газы широко применяют в качестве хладагентов в холодильниках и кондиционерах, пенообразующих агентов, в установках для газового пожаротушения, рабочего тела аэрозольных упаковок (лаков, дезодорантов).

Размер пылинок колеблется от сотых долей до нескольких десятков мкм. Средний размер частиц пыли в атмосферном воздухе — 7—8 мкм. Пыль оказывает вредное воздействие на человека, растительный и животный мир, поглощает солнечную радиацию и тем самым влияет на термический режим атмосферы и земной поверхности. Частицы пыли служат ядрами конденсации при образовании облаков и туманов. Основные источники образования пыли: производство строительных материалов, черная и цветная металлургия (оксиды железа, частицы Аl, Сu, Zn), автотранспорт, пылящие и тлеющие места складирования бытовых и производственных отходов. Основная масса пыли вымывается из атмосферы осадками.

Выбросы, содержащие примеси в виде частиц пыли, дыма, тумана или пара, называются аэрозолями. Общее число разновидностей загрязняющих атмосферу аэрозолей составляет несколько сотен.

Промышленные пыли в зависимости от механизма их образования подразделяют на следующие классы:

1. механическая пыль - образуется в результате измельчения продукта в ходе технологического процесса,

2. возгоны - образуются в результате объемной конденсации паров веществ при охлаждении газа, пропускаемого через технологический аппарат, установку или агрегат,

3. летучая зола - содержащийся в дымовом газе во взвешенном состоянии несгораемый остаток топлива, образуется из его минеральных примесей при горении,

4. промышленная сажа - входящий в состав промышленного выброса твердый высокодисперсный углерод, образуется при неполном сгорании или термическом разложении углеводородов.

Основной параметр, характеризующий взвешенные частицы, - это их размер, который колеблется в широком диапазоне - от 0,1 до 850 мкм. Наиболее опасны частицы от 0,5 до 5 мкм, поскольку они не оседают в дыхательных путях и именно их вдыхает человек.

Основными источниками антропогенных аэрозольных загрязнений воздуха являются теплоэлектростанции, потребляющие уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и другие заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим химическим разнообразием. Чаще всего в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода, реже - окислы металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест. 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 подобных предприятиях.

Сжигание каменного угля, производство цемента и выплавка чугуна дают суммарный выброс пыли в атмосферу, равный примерно 170 млн. т./г.

Диоксины относятся к классу полихлорированных полициклических соединений. Под этим названием объединено более 200 веществ - дибензодиоксинов и дибензофуранов. Основным элементом диоксинов является хлор, который в отдельных случаях может замещаться бромом, кроме того, диоксины содержат кислород, углерод и водород.

В природной среде диоксины, вследствие химической инертности, высокого сродства с органической фазой и способности к комплексообразованию, чрезвычайно эффективно переносятся по цепям питания, мигрируют в почве и накапливаются в воде.

Диоксины являются типичными и очень стойкими ксенобиотиками, т.е веществами, неприемлемыми для живых организмов. Основная опасность для человека от диоксинов состоит в подавлении иммунной системы, канцерогенном (возбужающем злокачественные опухоли), тератогенном (искажение гена) и эмбриотоксичном действии. Нарушаются детородные функции, развиваются хронические заболевания, наступает ранняя инвалидность.

Мусоросжигательные заводы, принимающие на обезвреживание несортированный мусор, содержащий пластик, резину, пропитанные синтетическими смолами и клеями материалы, работающие при температуре 800-900^оС вместо 1400 ^оС , автомобили, работающие на этилированном бензине, в котором есть специальные хлорированные добавки - одни из основных источников диоксинов в городах. Отбеливание целлюлозы хлором на бумажных комбинатах, выбросы разных химических предприятий - еще один вид источников диоксинов.

В нашей стране отсутствуют нормы на выбросы диоксинов из характерных источником - химических и мусоросжигательных заводов. В стране ограничено количество лабораторий, способных определять концентрации этих токсикантов.

Атмосферный воздух выступает своего рода посредником загрязнения всех других объектов природы, способствуя распространению больших масс загрязнения на значительные расстояния. Промышленными выбросами (примесями), переносимыми по воздуху, загрязняется Мировой океан, закисляются почва и вода, изменяется климат и разрушается озоновый слой.

Результатом мощного загрязнения атмосферы городов может быть ядовитый туман - смог. В обычных условиях над населенным пунктом даже при отсутствии ветра происходит вентилирование воздушного бассейна: имеющий меньшую массу теплый загрязненный воздух поднимается вверх, а чистый воздух с большей массой поступает вниз. В ряде мест на земле (Лондон, Лос-Анджелес, Кемерово, Нижний Тагил и т.д.) часто возникает температурная инверсия, когда воздух над воздушным бассейном имеет более высокую температуру, чем в приземном слое. Поэтому чистый воздух не может опуститься вниз и вентилировать воздушный бассейн. При отсутствии ветра ситуация усугубляется - все вредные вещества, поступающие в воздух, остаются над городом.

В 1952 г смог в Лондоне за пять дней погубил 5000 человек, еще 10 000 человек получили тяжелые заболевания.

Различают два типа смога:

Восстановительный - источником образования которого являются дым, сажа, диоксид серы. Образуется при захвате каплями естественного тумана аэрозольных частиц (соединений тяжелых металлов и непредельных углеводородов) и сорбировании их на поверхности сернистого газа. Раздражает дыхательные пути. Максимальные уровни загрязнений наблюдаются утром при температуре 0. Непрозрачный, видимый.

Фотохимический - образуется при взаимодействии окислов азота с углеводородами выхлопных газов. Вызывает резкую боль в глазах, слезотечение. Максимальные его уровни приходятся на полдень. Присуще слабое уменьшение прозрачности воздуха.

 Загрязнение атмосферы соединениями серной и азотной кислот с последующим выпадением осадков называется кислотными дождями. Попадая в атмосферу, эти загрязнители могут разноситься ветром на тысячи километров от источника. За счет соединения с атмосферной влагой они образуют серную и азотную кислоты и возвращаются на землю с дождем, снегом и туманом.

Многие животные и растения не могут выжить в условиях повышенной кислотности. Кислотные дожди превращают озера, реки и пруды в «мертвые» водоемы, уничтожая в них практически все живое - от рыб до микроорганизмов и растительности, губят леса, разрушают сооружения и памятники архитектуры.. Кислотные дожди не только вызывают подкисление поверхностных вод и верхних горизонтов почв, но и распространяются с нисходящими потоками воды на весь почвенный профиль и вызывают значительное подкисление грунтовых вод.

В Канаде из-за частых кислотных дождей более 4 тыс. озер объявлены мертвыми, еще 12 тыс. находятся на грани гибели. Нарушено биологическое равновесие 18 тыс. озер в Швеции. Исчезла рыба в половине озер южной части Норвегии.

В Германии кислотными дождями погублена почти треть всех елей, пострадало до половины лесных угодий в Баварии и Бадене. Ряд повреждений зарегистрирован в высокогорных лесах Швейцарии, Австрии, Италии.

Различают прямое и косвенное воздействие кислотных осадков на человека. Прямое воздействие обычно не представляет опасности, так как концентрация кислот в атмосферном воздухе не превышает 0,1 мг/м³ , т.е находится на уровне ПДК. Такие концентрации нежелательны для детей и астматиков.

Наибольшую опасность кислотные осадки представляют при попадании в водоемы и почву, что приводит к уменьшению рН воды. От значения рН воды зависит растворимость алюминия и тяжелых металлов в ней и, следовательно, их накопление в корнеплодах, а затем и в организме человека. Снижение рН питьевой воды способствует поступлению в организм человека этих металлов и их соединений.

Воздействие кислотных дождей опасно для металлоконструкций, вызывая ускоренную коррозию металлов (со скоростью до 10 мкм/год), зданий и памятников из песчаника и известняка в связи с разрушением карбоната кальция.

По данным Европейского парламента, экономический ущерб от кислотных осадков составляет 4% валового национального продукта.

Для последних лет характерны климатические аномалии. Так, среднегодовая температура за последнее столетие выросла примерно на полградуса. Это наибольшая скорость глобальных изменений за прошедший миллион лет. Большинство ученых считает, что климатические аномалии вызваны изменением химического состава атмосферного воздуха с ростом концентрации углекислого газа. Суть парникового эффекта заключается в том, что парниковые газы хорошо пропускают солнечное излучение, доходящее до поверхности Земли и нагревающее ее, и заметно поглощают отраженное тепловое (длинноволновое) излучение нагретой поверхности и нижних слоев атмосферы. Отраженное от земной поверхности инфракрасное излучение поглощается метаном, фреонами, озоном, оксидом диазота и т.п. в диапазоне волн 1-9 мкм, а парами воды и углекислым газом при длине волн 12 мкм и более.

В последние годы вследствие уменьшения биомассы Земли и увеличения техногенных поступлений отмечен рост концентраций углекислого газа в атмосфере, по прогнозным данным эта тенденция увеличится.                                           

Источниками техногенных парниковых газов являются: теплоэнергетика, промышленность и автотранспорт, выделяющие СО₂ , химические производства, утечки из трубопроводов, гниение мусора и отходов животноводства определяют поступление СН₄; холодильное оборудование, бытовая техника - фреонов, автотранспорт, ТЭС, промышленность - оксидов азота и т.п.

В результате в биосферу дополнительно поступает теплота порядка 70·10²⁰ Дж/год, при этом на долю отдельных газов приходится: СО₂ - 50%, фреонов - 15, О₃- 5, СН₄ -20, N₂O - 10%. Доля парникового эффекта в нагреве биосферы в 16,6 раза больше доли других источников антропогенного поступления теплоты.

Средняя температура в северном полушарии возросла на 0,4 ⁰С с 1880 по 1940гг., а в период до 2030 г она может повыситься еще на1,5-4,5 ⁰С. Это вестма опасно для островных стран и территорий, расположенных ниже уровня моря. Есть прогнозы, что к 2050 г уровень моря может повыситься на 25-40 см, а к 2100 г - на 2 м, что приведет к затоплению 5 млн. км² суши, т.е. 3% суши и 30% всех урожайных земель планеты.

Парниковый эффект в атмосфере - явление, распространенное и на региональном уровне. Антропогенные источники теплоты (ТЭС, транспорт, промышленность), создают около городов пространства радиусом 50 км и более с повышенными на 1-5 ⁰С температурами и высокими концентрациям загрязнений. Эти зоны (купола) над городами хорошо просматриваются из космического пространства. Они разрушаются лишь при интенсивных движениях масс атмосферного воздуха.

Техногенные загрязнения атмосферы не ограничиваются приземной зоной. Определенная часть примесей поступает в озоновый слой и разрушает его. Разрушение озонового слоя опасно для биосферы, так как сопровождается значительным повышением доли ультрафиолетового излучения с длиной волны менее 290 нм, достигающего земной поверхности. Эти излучения губительны для растительности, особенно зерновых культур, представляют собой источник канцерогенной опасности для человека, стимулируют рост числа глазных заболеваний. По некоторым данным уменьшение концентрации озона на 1% вызывает увеличение заболеваемости раком кожи на 2%.

Основными веществами, разрушающими озоновый слой, являются соединения хлора и азота. По оценочным данным, одна молекула хлора может разрушить до 10⁵ молекул озона, а одна молекула оксидов азота - 10 молекул.

Источниками поступлений соединений хлора и азота в озоновый слой могут быть: вулканические газы, технологии с применением фреонов, атомные взрывы, самолеты и ракеты, содержащие в выхлопных газах соединения азота и хлора.

Значительное влияние на озоновый слой оказывают фреоны, продолжительность жизни которых достигает 100 лет.