5.2. Основные загрязнители атмосферы

Загрязняющие атмосферу факторы подразделяются на: физические и химические. К физическим относятся: радиоактивные элементы; тепловое загрязнение; шумы, вибрации и электромагнитные излучения. К химическим: твердые частицы (пыль) и аэрозоли; кислые компоненты - сероводород (Н₂S), оксиды серы (SO_2,, SO₃), диоксид углерода (CO₂) , оксиды азота (NO, NO₂, NO₃, N₂O₅ и др.); оксид углерода (СО); галогены (F, Cl, Br, I) и их соединения; фосфор и его соединения; тяжелые металлы; летучие углеводороды; фреоны и др.

Загрязнения могут быть естественного и искусственного (антропогенного) происхождения. Примеси естественного происхождения, которые по масштабам превосходят антропогенные, поступают в атмосферу в результате извержения вулканов, выветривания почвы и горных пород, лесных пожаров, отмирания растений, волнения моря, сгорания метеоритов.

Примеси антропогенного происхождения образуются, прежде всего, в процессе сжигания ископаемого топлива, промышленных и бытовых отходов, при ядерных взрывах, в технологических процессах, при авариях и др. Антропогенные источники отличаются большой скученностью, что приводит к высоким локальным загрязнениям. Аэрокосмические наблюдения показывают, что при устойчивом направлении ветров с подветренной стороны больших городов образуется единый шлейф, в котором сглаживаются отдельные источники. Такие шлейфы прослеживаются до 150-200 км от города. Максимальные концентрации в приземном слое обычно наблюдаются на расстоянии в 10-40 раз превышающем высоту трубы.

Диоксид углерода и другие "парниковые" газы. Главным парниковым газом является водяной пар. За ним следуют углекислый газ, обеспечивающий увеличение парникового эффекта по сравнению с прошлым веком на 49 %, метан (18 %), фреоны (14 %), закись азота N₂О (6 %) и 13 % – остальные.

Увеличение содержания метана началось 300 лет назад. Основные источники метана рисовые поля, крупный рогатый скот, добыча ископаемого топлива.

С конца 18 в. начался рост концентрации СО₂. Это связано вначале с вырубкой лесов, а затем со сжиганием топлива. Общее промышленное выделение СО₂ в атмосферу растет примерно на 3,5 % в год.

Средняя температура за последние 100 лет возросла на 0,5 ^оС. Соответственно уровень мирового океана за этот период вырос на 10-15 см. Частично это связано с тепловым расширением вод, частично с таянием ледников.

Изменения климата было и в прошлом. Так, в 14-18 вв. было заметное похолодание, известное как "малый ледниковый период" В 9-12 вв. историки отмечают теплый период эпохи викингов.

Связь климата с парниковыми газами прослеживается на основе анализа пузырьков воздуха в ледниковых кернах, извлеченных с глубины до 2 км на станции "Восток" в Антарктиде и в Гренландии. Найдено, что в теплые периоды концентрации СО₂ и СН₄ были примерно в 1,5 раза выше, чем в холодные. Если темпы роста концентраций парниковых газов сохранятся, то к 2020 г. загрязнение атмосферы будут соответствовать эквивалентному удвоению содержания СО₂. Климатологи считают увеличение температуры даже на 0,1^о значительным, а увеличение на 3,5 ^о критическим.

Наряду с увеличением содержания "парниковых" газов растет запыленности воздуха. Только автомобиль образует в год около 10 кг резиновой пыли от стирающихся покрышек.

По мнению специалистов в ХХ1 столетии ожидается увеличение содержания твердых частиц в атмосфере в четыре раз, что приведет к снижению температуры поверхности Земли на 3,5^оС.

Фреоны (хладоны, фторхлоруглероды) – галогеносодержащие углеводороды (СCl₄ - хладон – 10; CFCl ₃ - хладон – 11; CF₂Cl₂ - хладон – 12 и др.) - газы антропогенного происхождения. Их концентрация в атмосфере составляет 0,3 ppb ( 0,3 части на миллиард) и ежедно увеличивается на 5-10%. Из-за малой токсичности и слабой коррозионной активности применяют с начала 30-х годов в качестве хладогентов, пропелентов в аэрозольных упаковках, растворителей, огнегасительных средств и др. Среднее время жизни фреонов в атмосфере - 70 - 100 лет.

В 1974 г. ученые установили, что хладоны разрушают озоновый слой, а это приводит к образованию озоновых дыр - пространств в стратосфере, где содержание озона понижено до 50% . Монреальский договор 1987г. предусматривал полностью прекратить производство и применение всех озоноразрушающих материалов к 2000 году, однако, этого не произошло.

Соединения серы. Наиболее распространенными соединениями серы являются: SO₂, COS, CS₂, H₂S, диметилсульфид (CH₃)₂S, ионы SO₄^2-.

Естественными источниками поступления серы являются: процессы разрушения биосферы (анаэробное разрушение органических веществ микроорганизмами - болота, зоны приливов и отливов, устья рек и некоторые почвы); вулканическая деятельность, при которой ежегодно поступает около 2 млн. т серосодержащих соединений; поверхность океанов – после испарения капель воды остается морская соль, содержащая сульфаты (50-200 млн. т).

Антропогенный выброс составляют сжигание топлива, металлургическая промышленность, производство серной кислоты, переработка нефти.

Диоксид серы – наиболее вредный из распространенных загрязнителей воздуха. Он особенно опасен для людей страдающих заболеваниями дыхательных путей, вызывает бронхит. По данным наблюдений при концентрации 0,5 мг/м³ бронхитом заболевают 6 %, при 5 мг/м³ – 71 %, а при концентрации 6,8 мг/м³ заболевает все население. В атмосфере SO₂ окисляется до SO₃, который, растворяясь в каплях влаги, образует серную кислоту, выпадающую в виде кислотных дождей. Из-за кислотных дождей уменьшается рН пресноводных водоемов, что приводит к гибели рыб и других организмов, происходит коррозия металлоконструкций, разрушаются здания и памятники архитектуры. Так, реагируя с мрамором (СаСО₃) серная кислота превращает его в гипс СаSO₄, что приводит к шелушению камня. В кислой среде возрастает растворимость металлов, которые токсичны для рыб, так AL связывает фосфаты, что приводит к уменьшению питательных запасов. При закислении почв происходит выщелачивание кальция, магния, и калия, возрастает подвижность токсичных металлов, меняется состав микроорганизмов. Диоксид серы, разрушающий хлорофилл растений. При концентрации 0,015-0,013 мг/м³ потери в приросте древесной массы хвойных деревьев составляют около 20 %. Концентрации в летнее время 0,08-0,1 мг/м³, а в осеннее и зимнее время 0,2 мг/м³ способствуют постепенной гибели растений.

Соединения азота (NO_x). Оксиды азота участвуют в образовании смогов и влияют на разрушение озонового слоя. Загрязнения оксидами азота носит локальный характер, но вызывает глобальные эффекты. Помимо NO и NO₂ в атмосферу попадают N₂O, NO₃, N₂O₃, N₂O₄, N₂O₅. Частицы NO₃, N₂O₅ быстро распадаются в нижних слоях атмосферы и устойчивы в верхних. В тропосфере триоксид азота распадается при взаимодействии с оксидом

NO₃ + NO  2 NO₂.

N₂O (гемоксид азота или " веселящий газ"), выделяемый почвенными микроорганизмами, – бесцветный, устойчивый в тропосфере газ. В настоящее время используется в качестве распылителя и пенообразователя. Ранее использовался в качестве анестезирующего вещества при операциях. Концентрация N₂O с прошлого века возросла больше чем на 20%. Основная причина рост производства и применения удобрений.

NO (моноксид азота) - бесцветный газ, образуется при сгорании топлива в результате окисления атмосферного азота при высоких температурах. Моноксид реагирует с O₂ с образованием NO₂

NO + O₂  2NO₂.

Вследствие этой реакции в продуктах сгорания содержится NO₂.

NO₂ (диоксид азота)- коричнево-бурый газ, ядовитый с неприятным запахом. При низких температурах самопроизвольно превращается в бесцветный газ N₂O₄

2NO₂  N₂O₄

NO и NO₂ являются источниками образования азотной кислоты. В отличие от серной, азотная кислота может долгое время оставаться в газообразном состоянии. Пары азотной кислоты могут поглощаться каплями облаков и частицами аэрозолей. В концентрациях 0,5 - 6 мг/м³ оксиды азота опасны для растений. При наличии в атмосфере оксидов серы, озона воздействие их усиливается.

Моноксид углерода (СО). Образуется при неполном сгорании. Среднее время пребывания его в атмосфере 6 месяцев. Токсичное действие СО основано на способности прочно связываться с ионами железа в молекуле гемоглобина, получающийся карбоксигемоглобин теряет способность переносить кислород. Особенно опасен СО в городском воздухе. Содержание СО в крови водителей, гораздо выше, чем других людей. У некурящих в крови содержится 0,3-0,5 % карбоксигемоглобина, а у курильщика, выкуривающего в день пачку сигарет – около 5 %. При уменьшении его содержания кровь нормализуется в течение нескольких часов.

Углеводороды. Основным загрязнителем атмосферы городов углеводородом является транспорт (около 50 %). Другой мощный источник - испарение на бензоколонках и в быту (25 %). Значительная часть углеводородов выбрасывается ТЭЦ и ТЭС. При сжигании 1 т нефтепродуктов выделяется 0,25 кг, а при сжигании 1 т угля - 0,16 кг. Наименьшее количество углеводородов выделяется при сжигании газа (0,48 кг/млн. м³). Много углеводородов выбрасывается при добыче углеводородов (до 0,2 %).

При сжигании углеводородов образуются полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), в частности бензпирен (С₂₀Н₁₂), вызывающий раковые заболевания.

При сжигании мусора выделяются полихлорированные дибензо-n-диоксины (75 изомеров) и дибензофураны (135 производных).

Тяжелые металлы. К тяжелым металлам относятся химические элементы с плотностью более 6 г/см³. Таких элементов более 40. Основные из них: ртуть, свинец, кадмий, кобальт, никель, цинк, олово, медь, молибден, ванадий, хром, мышьяк. Они поступают в атмосферу в виде аэрозолей при сжигании топлива, при производстве металлов, обжиге цементного сырья и др. Из атмосферы тяжелые металлы мигрируют в гидросферу, а из нее – в литосферу. Установлено, что процесс накопления тяжелых металлов в почве идет быстрее, чем их выведение. Период полувыведения из почвы цинка - 500 лет, кадмия - 1100, меди -1500, свинца - несколько тысяч лет. Городская пыль содержит около 1 % свинца, даже в снеге содержится до 300 мг/л свинца. Ежедневно житель города поглощает около 45 мкг свинца. Содержание Pb в крови современного человека в 100 раз больше, чем было у первобытного. Токсическое действие Pb связано с его способностью замещать Са в костях и нервных волокнах. Отравление проявляется в начале повышенной возбудимостью и бессонницей, позже утомляемостью и депрессией, расстройством нервной системы и поражении головного мозга. Pb, Cd, Hg отрицательно влияют на реакцию глазной сетчатки, вызывают ухудшение сумеречного зрения.

Серьезную опасность представляет загрязнение воздуха кадмием, источниками которго являются предприятия черной металлургии, сжигание угля (38 %), сжигание нефти (12 %). Антропогенный выброс Cd составляет 7 тыс. т/год. В дождевой воде содержится 50 мкг/л. Ежедневно с пищей и воздухом в организм взрослого человека поступает около 50 мкг Cd, однако задерживается только 2 мкг/сут. Хроническое воздействие Cd может привести к заболеваниям нервной системы и костных тканей, нарушению ферментного обмена, нарушение работы почек.