Тема 3. Джерела та екологічні наслідки забруднення атмосфери

План

1.Складові атмосфери.

2. Основні забруднювачі атмосферного повітря.

3.Заходи, щодо покращення екологічного стану атмосфери.

Атмосферне повітря  це природна суміш газів приземного шару атмосфери за межами житлових, виробничих і інших помешкань, що склалася в ході еволюції Землі.

Товщина повітряної оболонки, що оточує земну кулю, не менше тисячі кілометрів  це майже чверть земного радіуса. Маса цієї оболонки приблизно складає 510¹⁵ (п'ять квадратильйонів) тонн. Хоча це еквівалентно менше ніж одній мільйонній частці маси Землі, без атмосфери життя на планеті було б неможливе. Вдихаючи щохвилини від 5-100 л повітря, людина в добу споживає 12-15 кг, а це значно перевершує середньодобову потребу в їжі і воді.

Атмосфера, крім того, надійно оберігає людину від численних небезпек, що загрожують їй з космосу: затримує метеорити, захищає землю від перегріву, відміряє сонячну енергію в необхідній кількості, нівелює перепад добових температур.

Газова оболонка охороняє Землю від надмірного охолодження і нагрівання. Завдяки їй на Землі не буває різких перепадів від морозів до жари і навпаки. Якби Земля не була оточена повітряною оболонкою, то протягом тільки однієї доби амплітуда коливань температури досягала б 200^оС: удень стояла б сильна жара (більше 100^оС), а вночі мороз (100^оС). Ще більша різниця була б між зимовими і літніми температурами. Саме завдяки атмосфері середня температура на Землі складає близько 15^оС.

Газова оболонка рятує все живе на Землі від згубних ультрафіолетових, рентгенівських і космічних променів. Верхні шари атмосфери частково поглинають, частково розсіюють ці промені.

Велике значення атмосфери й у розподілі світла. Повітря атмосфери розбиває сонячні промені на мільйон дрібних променів, розсіює їх і створює те рівномірне освітлення, до якого ми звикли.

Атмосфера є середовищем, у якому поширюються звуки. Без повітря на Землі панувала б тиша, неможлива була б людська мова.

Атмосферне повітря – невичерпний ресурс. Але в окремих регіонах земної кулі він потрапляє під такий сильний антропогенний вплив, що виникає проблема якісного складу атмосфери, особливо у великих промислових центрах.

Атмосферне повітря забруднюється шляхом привнесення в нього або утворення в ньому забруднюючих речовин у концентраціях, що перевищують нормативи якості або рівня природного вмісту.

Забруднюючі речовини  домішки в атмосферному повітрі, які чинять при певних концентраціях несприятливий вплив на здоров'я людини, рослинний і тваринний світ й інші компоненти навколишнього природного середовища або спричиняють збитки матеріальним цінностям.

Основні антропогенні джерела забруднення атмосфери:

• теплове та енергетичне устаткування; промислові підприємства;

• сільське господарство; транспорт.

До атмосфери надходять газоподібні речовини, волога. Під час перебування в атмосфері їхні температура, властивості й стан можуть істотно змінюватися. Ці зміни проявляються у вигляді випадання в осад важких фракцій, розпаду на компоненти, хімічних і фотохімічних реакцій. Внаслідок цього в атмосфері можуть утворюватися компоненти, властивості й поведінка яких не завжди відповідатиме вихідним даним.

Україна відзначається значним забрудненням атмосфери, особливо в промислово розвинутих областях. У 2001 році на душу населення припадало 83,3 кг шкідливих речовин, викинутих в атмосферу, тоді як у 1990 році - 299,7 кг. Істотне зменшення викидів в атмосферу України, що спостерігається в останнє десятиріччя (табл. 4.1), зумовлене припиненням або істотним зниженням обсягів роботи багатьох промислових підприємств.

Чорна металургія. Процеси виплавки чавуну і переробки його на сталь супроводжуються викидом в атмосферу різних газів. Викид пилюки в розрахунку на 1 т граничного чавуну складає 4,5 кг, сірчистого газу - 2,7 кг, марганцю - 0,1-0,6 кг. Разом із доменним газом в атмосферу в невеликих кількостях викидається також з'єднання миш'яку, фосфору, сурми, свинцю, ртуті і рідких металів, ціанистий водень і смолисті речовини.

Більшість сучасних заводів чорної металургії мають цехи коксування вугілля і відділення по переробці коксового газу. Коксохімічні виробництва забруднюють атмосферне повітря пилом і сумішшю летючих сполучень. У деяких випадках, наприклад при порушенні режиму роботи, в атмосферу викидається значна кількість неочищеного коксового газу.

Забруднення повітря пилом при коксуванні вугілля проходить при підготовці шихти та при завантаженні її в коксові печі, вивантажуванні коксу у вагони для охолодження та при мокрому гашенні коксу. Останній процес супроводжується до того ж викидом в атмосферу речовин, які входять до складу води, що використовується.

Промислові аварії в цій галузі приводять до загострення екологічної ситуації в регіоні. Будівництво об'єктів великої потужності при недостатньому вирішенні проблем аспірації, вентиляції, газоочистки приводить до постійних аварійних викидів в атмосферу значної кількості шкідливих речовин.

До наслідків антропогенного впливу на атмосферу належать:

• підвищення концентрації СО і СО₂;

• надходження до атмосфери сполук сірки;

• надходження малих газових сполук (фреонів, сполук азоту), сполук хлору і фтору;

• надходження додаткового тепла в атмосферу.

Зараз в атмосфері вміст СО₂ порівняно невеликий – 0,033% від загального її обсягу. Загальний обсяг СО₂, що надходить в атмосферу, становить 5-10¹⁵ г вуглецю на рік. В атмосфері лишається лише половина цієї кількості, 30% розчиняється у водах Світового океану, 20% засвоюється біотою Землі. Систематичні спостереження за СО₂ в атмосфері Землі за допомогою надійних приладів було розпочато наприкінці 50-х років ХХ ст.

Нині існує більш як 10 станцій, які ведуть спостереження за концентрацією СО₂. За останні 25 років його вміст зріс на 8,9%, а за 100 років – на 20%.

Збільшення СО₂ в атмосфері зумовлено двома причинами:

1. вирубуванням лісів;

2. збільшенням викидів СО₂ через згорання палива.

Кольорова металургія. Шкідливі речовини утворюються при виробництві глинозему, алюмінію, міді, свинцю, олова, цинку, нікелю й інших металів у печах (для спікання, виплавки, опалювання, індукції й ін.), на устаткуванні для подрібнення та розмолу, у конвертерах, місцях навантаження, вивантаження і пересилки матеріалів, у сушильних агрегатах, на відкритих складах. В основному підприємства кольорової металургії забруднюють атмосферне повітря сірчистим ангідридом (75% сумарного викиду в атмосферу), окисом вуглецю (10,5%) і пилом (10,4%).

Хімічна і нафтохімічна промисловість. Викиди в атмосферу в хімічній промисловості відбуваються при виробництві кислот, гумовотехнічних виробів, фосфору, пластичних мас, барвників і миючих засобів, штучного каучуку, мінеральних добрив, розчинників, крекінгу нафти.

Розмаїтістю вихідної сировини для виробництва визначається склад забруднюючих речовин. У викидах міститься аміак (3,7%), бензин (3,3%), сірковуглець (2,5%), сірководень (0,6%), толуол (1,2%), ацетон (0,95%), бензол (0,7%), ксилол (0,3%), дихлоретан (0,6%), етилацетат (0,5 %), сірчана кислота (0,3%).

Вирішення екологічної проблеми у галузі ускладнено експлуатацією морально і фізично застарілого обладнання. Слід зазначити, що в останні роки викиди в атмосферу забруднюючих речовин підприємствами галузі різко знизилися. Однак відбулося це не тому, що були проведені ефективні природоохоронні заходи, а через спад виробництва.

Підприємства нафтопереробної промисловості забруднюють атмосферу викидами вуглеводнів (23% від сумарного викиду), сірчистого газу (16,6%), оксиду вуглецю (7,3%), оксидів азоту (2%).

Особливу екологічну небезпеку представляє розробка родовищ нафти і газу з підвищеним вмістом сірководню.

Промисловість будівельних матеріалів. Виробництво цементу й інших в'язких, стінових матеріалів, азбестоцементних виробів, будівельного і технічного скла супроводжується викидами в атмосферу пилу і завислих речовин (57,1% від сумарного викиду), оксиду вуглецю (21,4%), сірчистого ангідриду (10,8%) і оксидів азоту (9%). Крім того, у викидах присутні сірководень (0,03%), формальдегід (0,02%), толуол (0,02%), бензол (0,01%), п’ятиокис ванадію (0,01%), ксилол (0,01%). Навколо заводів, що роблять цемент, азбест і інші будівельні матеріали, створилися зони з підвищеним утриманням у повітрі бензапірена, пилу, у тому числі цементного, та інших шкідливих речовин.

Деревообробна та целюлозно-паперова промисловість. Характерними забруднюючими речовинами, що виробляються цими підприємствами, є тверді речовини (29,8% сумарного викиду в атмосферу), оксид вуглецю (28,2%), сірчистий ангідрид (26,7%), оксид азоту (7,9%), толуол (1%), сірководень (0,9%), ацетон (0,5%), ксилол (0,45%), бутилацетат (0,4%), етилацетат (0,4%), метилмеркаптан (0,2%), формальдегід (0,1%).

В сільській місцевості джерелом забруднення атмосферного повітря являються тваринницькі та птахівницькі господарства, м”сопереробні та молокопереробні підприємства. Над територіями, які примикають до приміщень, де утримуються тварини та птиця, в атмосферному повітрі розповсюджуються на значні відстані аміак, сірководень та інші гази з неприємним запахом.

У рослинницьких господарствах атмосферне повітря забруднюється мінеральними добривами, пестицидами при протравлюванні полів та насіння на складах.

Смог (суміш диму та туману) – часте явище у великих містах. Сам по собі туман небезпечний для людського організму, згубним він стає, якщо надто забруднений токсичними домішками. Смог спостерігається лише в осінньо-зимовий період (з жовтня по лютий). Головну небезпеку представляє сірчистий газ, що міститься в ньому, у концентрації 5-10 г/м і вище.

5 грудня 1952 р. над всієї Англією виникла хвиля високого тиску, і протягом декількох днів не відчувалося ні найменшого подуву вітру. Однак трагедія сталася тільки в Лондоні, де був високий ступінь забруднення атмосфери,  за три-чотири дні там загинуло більш 4000 чоловік. Англійські фахівці визначили, що смог 1952 р. містив декілька сот тонн диму і сірчистого ангідриду. При зіставленні забруднення атмосферного повітря в Лондоні в ці дні з рівнем смертності було відзначено, що смертність збільшується прямо пропорційно концентрації в повітрі диму і сірчистого газу. У 1963 р. від смогу, що опустився на Нью-Йорк, загинуло понад 400 чоловік. Вчені вважають, що щорічно тисячі смертей у містах усього світу пов'язані із забрудненням повітря.

У природі постійно відбувається обмін вуглекислим газом завдяки кругообігу вуглецю в системах:

- атмосфера-гідросфера. Поглинання СО₂ гідросферою дорівнює його виділенню;

- атмосфера і біота. СО₂ поглинається зеленими рослинами через фотосинтез, який супроводжується виділенням кисню. З відмиранням рослин внаслідок окислення організмів і продуктів їхньої життєдіяльності вуглець знову повертається в атмосферу і гідросферу. Швидкість кругообігу становить 10 років. Цикл замкнений;

- атмосфера-літосфера. Велика кількість СО₂ безпосередньо виділяється в атмосферу через вулканічні виверження, з гарячими та мінеральними джерелами. Проте час кругообігу  тисячі років. Цикл незамкнений, що приводить до змін клімату на землі.

Вплив сірчаного газу та його вихідних на людину та тварин проявляється перш за все в ураженні верхніх дихальних шляхів. Під впливом сірчаного газу та сірчаної кислоти відбувається руйнування хлорофілу в листках рослин, в зв’язку з чим погіршується фотосинтез та дихання, уповільнюється ріст, понижується якість насаджень деревини та урожайність сільськогосподарських культур, а при більш високих та довготривалих дозах впливу рослинність гине.

Підраховано, що загальна кількість викидів сірчаного газу в атмосферу нашої планети тепловими електростанціями, металургійними заводами, нафтопереробними підприємствами та іншими антропогенними джерелами з 1905 по 1965 рр. виріс в 4 рази і до теперішнього часу досягає 150 млн.т. Із цієї кількості до 110 млн.т (більше 70% світових викидів сірчаного газу) приходиться на країни Європи, Сполучені Штати Америки та Канаду. Враховуючи, що використання твердого палива, а саме бурого вугілля (що характеризується високим вмістом сірки), все збільшується, слід передбачати відповідне збільшення викидів сірчаного газу.

До малих сполук – забруднювачів атмосфери  відносять фреони, що їх використовують у холодильній промисловості та для приготування фарб, сполуки азоту, хлору і фтору. Сполуки азоту надходять також від транспорту, промислових об’єктів, через застосування мінеральних добрив, а сполуки хлору і фтору – від ядерних вибухів.

Наслідки забруднення атмосфери :

1)коливання прозорості атмосфери;

2) підвищення температури на 0,4-0,6^оС.

Забруднення атмосферного повітря містить в собі загрозу не тільки здоров’ю людей, але й наносить великий економічний збиток.

Пил, що міститься в повітрі, сприяє погіршенню клімату міст, зменшує прозорість атмосфери, збільшує кількість днів у місті з туманами.

Наявність у повітрі з’єднань сірки прискорює процеси корозії металів, руйнування будівель, споруд, пам’ятників культури, погіршує якість промислових виробів та матеріалів. Установлено, наприклад, що в промислових районах сталь ржавіє в 20 раз, а алюміній руйнується в 100 раз скоріше, ніж в сільській місцевості.

Кислотні дощі спричиняють підвищення кислотності ґрунтів, зменшується їх продуктивність, міняється склад ґрунтових мікроорганізмів. Великої шкоди наносять кислотні дощі і лісам.

Накопичення вуглекислого газу в атмосфері – одна із основних причин парникового ефекту, зростаючого від розігріву Землі промінням Сонця.

Виробництво тепла людством становить у середньому 0,006% від загальної його кількості. Такий показник може стати причиною підвищення середньої температури лише на 0,01^оС. У перспективі навіть зі збільшенням виробництва енергії у світі в 10-20 разів, температура підвищиться на 0,2-0,3^оС. Проте в центральних містах надходження антропогенного тепла в декілька разів перевищує кількість енергії, яку вони дістають від Сонця. Навіть у невеликих містах це надходження становить від 10 до 100%.

Стратосферний озоновий шар захищає людей та живу природу від жорсткого ультрафіолетового та м’якого рентгенівського випромінювання в ультрафіолетовій частинні сонячного спектру. Товщина озонового шару за останні роки скоротилася в середньому на 2,5%. Вміст озону в Північній півкулі над широтним поясом, що проходить через Дублін і Москву, в 1988 р. був на 8% меншим, ніж у 1969 р.

Шкідливі для людини та природи викиди можуть переміщатися в повітряних потоках на великі відстані. Наприклад, установлено, що викиди промислових виробництв Німеччини та Великобританії переносяться на відстань більше 1000 км і випадають на території скандинавських країн, а із північно-східних штатів США – на території Канади.

Самоочищення атмосфери. Повітряний океан володіє здібністю до самоочищення від забруднених речовин. Аерозолі вимиваються із атмосфери опадами, іони осідають під впливом електричного поля атмосфери, а також внаслідок гравітації. Частка розміром 10 мкм проходить шлях від труби висотою 45 м до поверхні землі за 1,4 години. За цей час при швидкості вітру 2 м/с викид із труби буде віднесений на 10 км, частки меншого діаметру відносяться на ще більшу відстань. Осадженню сприяють сорбція їх на поверхні більш великих часток. При відсутності атмосферних опадів проходить випадання аерозолів в результаті зіткнення нижнього шару повітря із земною поверхнею та предметами, що знаходяться на ній. Так повітряні потоки, що переносять забруднення, очищуються, зустрічаючи на своєму шляху ліс. На деревах осаджуються не тільки тверді частки, але і летючі речовини.

Внаслідок турбулентного перемішування приземний шар повітря весь час оновляється, тому на поверхню відкладається значна кількість аерозолей.

Процеси самоочищення атмосфери зв’язані не тільки з випаданням опадів та утворенням висхідних потоків, але і із іншими метеорологічними явищами.

Всяке забруднення викликає у природи захисну реакцію, спрямовану на його нейтралізацію. Ця здібність природи довгий час експлуатувалась людиною бездумно та по-хижацькому. Відходи виробництва викидались в повітря в розрахунку на те, що будуть знешкоджені та перероблені самою природою. Здавалось, що якою б не була велика загальна маса відходів, порівняно з відновлювальними властивостями біосфери вона незначна. Проте процес забруднення різко прогресує, і стає очевидним, що природні системи самоочищення рано чи пізно не зможуть витримати такого натиску, так як здібність атмосфери до самоочищення має обмежені кордони.