3.4. Вопросы для самоконтроля

1. Когда в атмосфере Земли образовался озоновый слой? В чем заключается защитная функция озонового слоя?

2. Напишите реакции образования и разрушения озона.

3. Как на цикл озона влияют циклы других газов? Ответ подтвердите уравнениями химических реакций.

4. Каков механизм образования «озоновой дыры» над Антарктидой? В чем причина сезонных колебаний толщины озонового слоя?

5. Назовите основные причины разрушения озонового слоя. Какие существуют точки зрения среди ученых на данную проблему?

6. Что такое фреоны? В чем опасность их применения? Какие вещества могут заменить фреоны?

4. Загрязнение атмосферы

4.1. Классификация атмосферных загрязнений

Антропогенные факторы предопределяют существенные из­менения в нормальном функционировании атмосферы, причем как в самых нижних, так и в высотных ее частях. Имеется множество различных источников антропогенного характера, вызывающих загрязнение атмосферы, а вместе с тем, и серьез­ные нарушения экологических равновесий в биосфере. По сво­им масштабам заслуживают внимания, прежде всего, два таких источника, как транспорт и индустрия. В среднем на долю транспорта приходится 60% общего коли­чества загрязнений, поступающих в атмосферу, на долю промышленности – 17%, энергетики – 14%, на отопление и уничтожение отхо­дов – 9%.

Атмосферные загрязнители классифицируют по пути поступления в атмосферу на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом превращения последних. Так, поступающий в атмосферу в процессе сгорания серосодержащего топлива или переработки сернистых руд сернистый газ является первичным загрязнителем атмосферы. Сернистый газ окисляется до серного ангидрида:

SO₂ + О₂ → SO₃, (4.1)

который взаимодействует с парами воды и образует капельки серной кислоты:

SO₃ + H₂O → H₂SO₄. (4.2)

При взаимодействии серного ангидрида с аммиаком и водой образуются кристаллы сульфата аммония:

SO₃ + 2NH₃ + H₂O → (NH₄)₂SO₄. (4.3)

Серная кислота и сульфат аммония – вторичные загрязнители. Подобным образом, в результате химических, фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы, образуются другие вторичные загрязнители.

Около 85% общего выброса вредных веществ в атмо­сферу составляют сернистый газ, окись углерода, оксиды угле­рода и аэрозольная пыль. Половина остальных 15% специфи­ческих вредных веществ приходится на углеводороды, другая половина – на аммиак, сероводород, фенол, хлор, енолистые вещества, сероуглерод, фтористые соединения, серную кислоту.

4.2. Аэрозоли

Опасным элементом загрязнения атмосферы являются аэро­зольные образования. Как известно, аэрозоли – это дисперс­ные системы, в которых дисперсионной средой служит газ, а дисперсными фазами являются твердые или жидкие частицы. Обычно размеры частиц аэрозолей ограничивают интервалом 10^–7…10^–3 см. Аэрозоли можно разделить на три большие груп­пы. К первой относятся пыли – дисперсные системы, состоящие из твердых частиц, диспергированных в газообразной среде. Ко второй группе относятся дымы. К дымам относят все аэрозо­ли, которые получаются при конденсации газа. Наконец, к третьей группе относят туманы. Туман – это дисперсная система, состоящая из жидких частиц в газообразной среде.

В механизме образования аэро­золей существенную роль играют центры конденсации, субли­мации, кристаллизации, обычно называемые ядрами. Для воз­никновения устойчивого зародыша новой фазы, например, кап­ли жидкости в газе необходима дополнительная энергия, свя­занная с возникновением поверхности. С точки зрения теории зародышеобразования молекулы пара, оседающие на инород­ной поверхности, выделяют энергию, которой вполне достаточ­но, чтобы перекрыть расходы на образование поверхности но­вой фазы. Ядрами могут быть вулканическая пыль, продукты промышленных отходов, попадающих в атмосферу, частицы растений, бактерии и т. д. Надо сказать, что возможные источ­ники ядер непрерывно растут. Так, подсчитано [10], что при унич­тожении огнем травы на площади 0,4 га образуется в среднем около 2·10²² ядер. При горении газа в течение 15 с количество ядер может составлять 5·10⁵…5·10⁶ на 1 см³.

Мир аэрозолей – это «мир без постоянства». Отличитель­ное свойство этих систем – их неустойчивость. Седиментация, испарения, конденсация,  электромаг-нитные поля, броуновское движение – эти самые разнообразные физические факторы способны вызывать изменения в аэродисперсной системе. В свою очередь проявление каждого из этих факторов зависит от свойств самих аэрозолей. Выбросы взвешенных частиц в ат­мосферу начались с возникновением нашей планеты. Естествен­ными источниками атмосферных аэрозолей служили и служат вулканы и гейзеры, разрушающиеся горные породы, пылевые бури, почвенная эрозия и лесные пожары. Природные выбросы аэрозолей всегда влияли на среду человеческого обитания. Од­нако, уравновешиваясь общим круговоротом веществ в приро­де, они не вызывали глубоких экологических изменений. Антропогенные же факторы, активная деятельность ноосферы приняли такой размах, что природные круговороты, в конце концов, не могут скомпенсировать перегрузки. Достаточно ска­зать, что сейчас в земной атмосфере взвешено около 20 млн. т частиц, из которых примерно три четверти приходится на долю выбросов промышленных предприятий [10].

Основной параметр, характеризующий взвешенные частицы, – это их размер. Наиболее опасными для лег­ких человека являются частицы от 0,5 до 5 мкм; более крупные задер­живаются в полости носа, более мелкие в дыхательных путях не оседают, и мы их выдыхаем. На аэрозольные частицы мо­гут оказывать влияние самые различные силы: гравитацион­ные, электрические, центробежные, звуковые, магнитные. Под действием внешних сил частицы перемещаются, как бы разд­вигая на своем пути газовую среду. Ее сопротивление, экви­валентное силе трения и препятствующее движению частицы, определяется известным законом Стокса:

, (4.4)

где F – сила трения, r – радиус частицы, – ее скорость и  – вязкость среды.

Используя закон Стокса, можно определить скорость осаж­дения частиц под влиянием силы тяжести (седиментации). Рас­четы показывают [10], что в спокойном воздухе скорость осаждения частиц размером 100 мкм составляет 25 см/с, 10 мкм – 0,3 см/с, а 1 мкм  –  всего 0,003 см/с. Это означает, что частицы разме­ром 100 мкм при высоте источника выброса 10 м осядут за 40 с, а размером в 1 мкм –лишь за 93 ч. Результаты этого простого расчета показательны с двух точек зрения. Медленное оседание аэрозолей предопределяет изменение прозрачности воздуха со всеми вытекающими отсюда последствиями, и об­ратно: быстрое их оседание может отрицательно сказаться на зеленом покрове Земли.