1.1.1 Техногенное загрязнение атмосферного воздуха

Воздействие загрязняющих веществ а атмосферу зависит от их физических и химических свойств. Важнейшим параметром, определяющим масштабы распространения загрязнителя в атмосфере, является время его жизни в ней. Исходя из этого, выбросы загрязняющих веществ делятся на три типа:

1. Выбросы, приводящие к загрязнению в глобальном масштабе.

К ним относятся выбросы веществ с большим временем жизни в атмосфере (годы или месяцы) и способные распространяться в окружающей среде в глобальном масштабе независимо от места их выброса (углекислый газ, фреоны, радионуклиды и п.). Сохранение и распространение газов аэрозолей зависит от их химической устойчивости, размера аэрозолей и присутствия в атмосфере сопутствующих активных химических соединений (озон, пероксид водорода). Поэтому в трансграничных переносах загрязняющих веществ участвуют главным образом химические элементы и соединения в виде газов, неспособных к химическим реакциям и термодинамически устойчивых в условиях атмосферы.

2. Выбросы, приводящие к загрязнению в региональном масштабе.

Такие выбросы веществ отличаются ограниченным (до нескольких суток) временем жизни в атмосфере. Но этого времени достаточно, чтобы привести к загрязнению крупного региона, за пределами которого концентрация загрязнителя быстро падает. В следовых количествах такие загрязнения могут распространяться и далеко за пределы региона (оксиды серы и азота, пестициды, тяжелые металлы).

3. Выбросы, приводящие к загрязнению в локальном масштабе.

Локальное загрязнение наблюдается при выбросах веществ с малым временем жизни в атмосфере (грубодисперсные аэрозоли, сероводород и другие вещества, а также загрязнители регионального типа, например, оксиды серы и азота, если они выбрасываются из низких источников).

После выхода из источника загрязняющие вещества подвергаются физическим и химическим изменениям. Они перемещаются и распространяются в пространстве, разбавляются в общей массе атмосферного воздуха, окисляются и образуют аэрозоли.

Аэрозоли представляют собой твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Разделяются на первичные (выбрасываются из источников загрязнения), вторичные (образуются в атмосфере), летучие (на далекие расстояния) и нелетучие (отлагаются на поверхности вблизи зон пылегазовых выбросов). Устойчивые и токодисперсные аэрозоли (например, кадмий, ртуть, сурьма, йод-131 идр.) имеют тенденцию накапливаться в низинах, заливах и других понижениях рельефа, в меньшей степени – на водоразделах. Аэродинамическими барьерами являются также крупные лесные массивы и активные глубинные разломы значительной протяженности.

В зависимости от периодичности различают выбросы постоянные (или непрерывные) и периодические (или залповые), в том числе аварийные. Газообразные загрязнители и аэрозоли выбрасываются в атмосферу через дымовые трубы, аэрационные фонари и различные вентиляционные устройства. В зависимости от высоты источники выброса подразделяются на высокие (высота более 50 м), средней высоты (высота от 10 до 50 м), низкие (высота от 2 до 10 м), наземные (высота более 2 м).

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 более холодный воздух располагается над теплым, т.е. возникает инверсия. Это задерживает перенос примесей вверх, способствует их концентрации под слоем инверсии, что становится одной из причин образования фотохимического смога.

Фотохимический смог представляет собой многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц первичного происхождения, а также химических соединений. Образующихся в результате вторичных химических реакций. Эти реакции протекают наиболее эффективно при солнечном свете между окислами азота и несгоревшим топливом, содержащимся в выхлопных газах. В состав основных компонентов смога входят озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические соединения перекисной природы, называемые в совокупности фотооксидантами.

Фотохимический смог впервые был отмечен в Лос-Анжелесе во время второй мировой войны. Пусковым механизмом этой хими­ческой реакции является сжигание бензина в автомобильном двига­теле не в присутствии чистого кислорода, а в воздухе, в котором наряду с кислородом присутствует азот. Несмотря на то что азот от­носится к инертным газам, при высокой температуре его молекула окисляется с образованием оксида азота. При интенсивной солнеч­ной радиации и при повышенной инверсии продолжительностью не менее суток между оксидом азота, углеводородами и другими заг­рязнителями в атмосфере происходят фотохимические реакции. Ок­сид азота окисляется в атмосфере до диоксида азота, который поглощает солнечный свет, т.е. фотохимически активен. Под действи­ем солнечной радиации диоксид азота разлагается на оксид азота и атомарный кислород, который способствует образованию озона. Ка­залось бы, последний, окисляя оксид азота, должен снова превра­щаться в молекулярный кислород, а оксид азота - в диоксид. Но этого не происходит. В условиях фотохимического смога оксид азота вступа­ет в реакции с органическими веществами, поступающими в атмосфе­ру с выбросами несгоревшего топлива с образованием альдегидов (молекул, содержащих СНО-группу) и избытка озона. Таким образом, возникает циклическая реакция, в итоге которой в атмосфере посте­пенно накапливаются озон и различные перекиси, которые в сумме и образуют характерные для фотохимического смога оксиданты. Окси-данты фотохимического смога являются источником так называемых свободных радикалов, отличающихся особой реакционной способностью.

В последнее время в качестве автомобильного топлива исполь­зуется бензин, не содержащий свинец. Свинец наряду с бензолом добавлялся в топливо в качестве антидетонатора для предотвраще­ния преждевременного возгорания. При переходе на бензин, не со­держащий свинец, количество выбросов свинца в атмосферу уменьшилось. Но вместо свинца в бензин стали добавлять повышен­ное количество ароматических углеводородов, таких, как бензол, то­луол. Это привело к резкому увеличению фотохимического смога и накоплению в атмосфере канцерогенных органических соединений. То есть решение одной экологической проблемы породило другую (антропоэкологический парадокс).

Основными загрязнителями атмосферы техногенного проис­хождения являются следующие:

1. Оксид углерода, который попадает в атмосферу в результа­те сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросамипромышленных предприятий. Ежегодно в атмосферу поступает до7 миллиардов тонн оксида углерода, выделяющегося при сгоранииуглеводородного топлива для автомобилей, заводов и т.п.

2. Сернистый ангидрид, который выделяется в процессе сго­рания серосодержащего топлива или переработки сернистых руд.Ежегодно в атмосферу выбрасывается до 70 миллионов тонн серни­стого ангидрида. При окислении сернистого ангидрида в атмосфереобразуется серный ангидрид, а затем аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде. Выпадение кислотных атмосферных осад­ков способствует вымыванию кальция, гумуса и микроэлементов из почв, нарушению процессов фотосинтеза, приводящих к замедле­нию роста и гибели растений, исчезновению лесов. Кислотные ат­мосферные осадки способствуют интенсивному выветриванию горных пород и ухудшению качества несущих грунтов, а также хи­мическому разрушению 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. В рамкахНациональной программы по оценке влияния кислотных атмосфер­ных осадков, утвержденной 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. Сероводород и сероуглерод, которые поступают в атмос­феру раздельно или вместе с другими соединениями серы. Основ­ными источниками выброса этих соединений являются коксохимичес­кие и нефтеперерабатывающие предприятия, предприятия по изготовлению искусственного волокна, а также нефтепромыслы.

3. Оксиды азота, которые присутствуют в выбросах предпри­ятий, производящих азотные удобрения, азотную кислоту и нитра­ты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шелк ицеллулоид. Ежегодное поступление оксидов азота в атмосферу со­ставляет 20 миллионов тонн.

4. Соединения фтора, которые превалируют в выбросах пред­приятий по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики, ста­ли, фосфорных удобрений.

5. Соединения хлора, поступающие в атмосферу с выброса­ми химических предприятий, производящих соляную кислоту, хлорсодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду.

6. Пыль и сажа.

7. Техногенные радионуклиды.

8. Тяжелые металлы.

9. Полициклические ароматические углеводороды.

К источникам антропогенного загрязнения атмосферы тяже­лыми металлами относят предприятия по добыче и переработке металлов, предприятия черной и цветной металлургии, машиностро­ения, заводы по переработке аккумуляторных батарей, автомобиль­ный транспорт. Но самым мощным источником поступления в атмосферу многих металлов является процесс сжигания угля и не­фти. В угле и нефти присутствуют почти все тяжелые металлы. При сжигании топлива с выбросами в атмосферу поступает такое коли­чество ртути, кадмия, кобальта, мышьяка, которое в 3-8 раз превы­шает количество добываемых металлов. Современная ТЭЦ, работа­ющая на угле, за год выбрасывает в атмосферу в среднем 1-1,5 т паров ртути.

В атмосферном воздухе тяжелые металлы присутствуют в фор­ме органических и неорганических соединений в виде пыли и аэро­золей, а также в газообразной элементной форме (например, ртуть). При этом аэрозоли свинца, кадмия, меди и цинка состоят преимуще­ственно из мельчайших частиц диаметром 0,5-1 мкм, а аэрозоли ни­келя и кобальта - из крупнодисперсных частиц диаметром более 1 мкм. Крупнодисперсные аэрозоли образуются в основном при сжи­гании дизельного топлива.

Наиболее интенсивное загрязнение приземного слоя атмосфе­ры происходит в мегаполисах и крупных городах ввиду широкого распространения в них автотранспортных средств, 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 и испытания ядерного ору­жия в атмосфере. Это связано как с быстрым разносом радионукли­дов на большие расстояния, так и с долговременным характером заг­рязнения территории.

К антропогенным источникам загрязнения атмосферного возду­ха относятся химические и биохимические производства. Они несут в себе потенциальную возможность аварийных выбросов в атмосферу чрезвычайно токсичных веществ, а также микробов и вирусов, кото­рые могут вызвать эпидемии среди населения и животных.

Антропогенное воздействие на атмосферу может быть прямым и косвенным. Косвенное воздействие - результат нарушения чело­веком экологического равновесия в других компонентах биосферы, отражающегося в конечном итоге на состоянии атмосферы. К нему могут быть отнесены сведения лесов на больших площадях, мелио­ративные работы, добыча полезных ископаемых открытым спосо­бом. Это в свою очередь негативно влияет:

• на обменные процессы в энергетической системе «Земля-атмосфера»;

• на поверхностное альбедо;

• на термические характеристики земной поверхности и, со­ответственно, отдачу тепла в атмосферу;

• на влагосодержание поверхности, изменение которого вызывает перераспределение влагообмена между поверхностью пла­неты и атмосферой в пространстве и времени.

Одним из примеров косвенного влияния транспортных и ин­дустриальных выбросов на атмосферу является подъем тропосферы над землёй на сотни метров по сравнению с 1979 годом. Техноген­ные выбросы способствовали разрушению озонового слоя, вслед­ствие чего стратосфера, расположенная над тропосферой, стала охлаждаться и сжиматься. В результате сжатия стратосферы произо­шел подъем границы тропосферы.

Источниками прямого воздействия на атмосферу являются теплоэнергетика, транспорт, промышленность, нефтепереработка и др. Наиболее негативное воздействие на атмосферный воздух ока­зывают автомобильный транспорт и автомобильные дороги.

На уровень загрязнения атмосферного воздуха значительное вли­яние оказывает трансграничное загрязнение. Только на европейской территории России за год выпадает 2,4 млн. тонн окисленных серы и азота, в том числе -1,39 млн. тонн (57%) в результате трансграничного переноса. Основной вклад в трансграничное загрязнение территории России вносят Украина, Польша, Беларусь, Румыния и Германия.

Техногенное загрязнение атмосферы сопровождается прямым или косвенным воздействием на здоровье человека, растительность, почву, воду, строительные конструкции. Реакция организма челове­ка на загрязнение атмосферы может иметь острую или хроническую форму, а воздействие загрязняющих веществ может быть локальным или общим.

Неблагоприятное воздействие загрязненной атмосферы на ра­стительность проявляется в ограничении процессов фотосинтеза, снижении содержания хлорофилла и изменении минерального состава зеленой массы. Более 1300000 гектаров лесов России нахо­дятся под значительным воздействием загрязняющих веществ в результате дальнего атмосферного переноса, причем на 98% этой площади отмечается повреждение древостоев.

Атмосферные осадки с техногенными загрязнениями нейтра­лизуют щелочные компоненты в почве, что ведет к резкому ухудше­нию плодородия. Токсичные вещества даже в малых концентрациях ведут к интоксикации почвы, изменению ее состава, повреждению корневой системы растительного покрова.

Загрязненная атмосфера существенно усиливает эффекты кор­розии металлических конструкций, сокращает срок службы органи­ческих материалов.

Практически две трети населения России проживает на терри­ториях, где уровень загрязнения атмосферного воздуха не соответ­ствует гигиеническим нормативам. Удельный вес проб атмосферного воздуха с содержанием вредных веществ, значительно превышаю­щим средний показатель по Российской Федерации (6,28%), отме­чен в республиках Алтай (29,01%) и Бурятия (24,57%), Красноярском крае (26,6%), Ивановской (19,90%), Кемеровской (18,02%), Ульянов­ской (16,5%) и Калужской (15,12%) областях.

В зонах с наибольшими уровнями загрязнения атмосферного воздуха общая смертность населения возрастает на 200-600 допол­нительных случаев на 1 млн. жителей. Результаты специальных ис­следований, выполненных в России и за рубежом, показали, что между здоровьем населения и качеством атмосферного воздуха на­блюдается тесная положительная связь. Загрязненная приземная ат­мосфера вызывает рак легких, горла и кожи, расстройство центральной нервной системы, аллергические, респираторные забо­левания и многие другие болезни человека.

Ученым давно известно о связи между качеством воздуха и заболеваемостью детей. Маленькие дети за сутки поглощают коли­чество воздуха, которое в три раза превышает их вес. Они дышат часто и поверхностно, находясь при этом в гораздо худших услови­ях, чем взрослые. Концентрация вредных веществ на уровне дыха­ния пятилетнего ребенка в 30-50 раз выше, чем на уровне дыхания взрослого человека. Загрязнение атмосферы значительно повышает вероятность рождения детей с пороками развития.

Лекция № 3