Природа парниковых газов и кислотных дождей. Учебное пособие

(промышленных) источников, мощность которых определяется факторами развития техногенеза в перспективе.

Метан является сложной молекулой с широким диапазоном ИК-излучения. Его концентрация в атмосфере составляет 1,75 ppmv, и эта величина не постоянна, а продолжает увеличиваться ежегодно на 0,5 %. Метан поглощает ИК-излучение в областях от 3 до 4 и от 7 до 8,5 мкм. Эти области поглощения ИК-излучения, особенно вторая (7 – 8,5 мкм), считаются причиной проявления парникового эффекта. Следует отметить, что антропогенная часть проявления метана в атмосфере включает в себя сжигание топлива на электростанциях и транспорте, а также нефти и газа (20 Гт/г.).

Крупным (глобальным) «поставщиком» метана в атмосферу следует считать нефтегазоносные провинции мира и месторождения, от которых происходит утечка его в воздух (И. А. Карлович, 2005). Ярким свидетельством поступления метана в воздух служит его резкий запах в воде, поступаемой по водопроводу в дома над его месторождениями (например, в Татарстане, Башкирии, Тюмени и др.). Метан ‒ продукт разложения растительности в болотных экосистемах (Западная Сибирь, Мещера, Белорусское Полесье и др.). Много метана от полугнилой, непрожеванной пищи выделяют в воздух скопления жвачных животных ‒ овец, коров, коз. Например, в Дагестане иногда отары овец насчитывают свыше миллиона голов, аналогичные отары есть на Алтае и в других местах. Значительное количество метана поступает в воздух от свалок промышленного и бытового мусора. Исследования американских экологов показали, что от мусорных свалок США поступает в воздух до 40 % всего антропогенного метана.

Особым природным источником метана служит многолетняя мерзлота Северо-Востока России. Метан образовался в многолетнемерзлых породах за счет разложения растительности, произраставшей здесь в межледниковый период. Многолетняя мерзлота начала таять (особенно активно в XXI веке), а «замороженный» метан ‒ высвобождаться. Быстрое таяние многолетней мерзлоты, естественно, может привести к поступлению в воздух новых крупных порций метана, что, в свою очередь, вызовет возможное потепление климата. В основе процесса потепления климата лежит свойство высвобождающегося

71

чению использует лишь 9 % добытого минерального сырья, а остальное количество поступает в отвалы, мусор или сжигается, увеличивая тем самым техногенную нагрузку на окружающую среду (атмосферу, гидросферу и педосферу). Почти все поллютанты, попадающие в воздух, загрязняют его и в первую очередь это касается горючих полезных ископаемых, которые при горении выделяют CO2, тепло и энергию.

Процесс сгорания горючего полезного ископаемого (торф, уголь, нефть, газ) является экзотермическим процессом окисления. Известно, что ископаемые виды топлива из углеводородов при горении окисляются, выделяя в воздух диоксид углерода и воду. Химические связи, заложенные в ископаемых, разрываются, и образуются новые связи с выделением энергии в виде теплоты. Уравнение реакции при сгорании метана CH4 (природного газа) и нефти, а точнее, бензина (октан С8H18) можно записать в следующем виде:

CH4 + 2O2 → CO2 + H2O + теплота, 2C8H18 + 25O2 → 16CO2 + 18H2O + теплота.

Как следует из уравнений, при горении метана и октана образуются новые связи с выделением теплоты и энергии связи (табл. 3.3).

Таблица 3.3

Средние значения энергии связей по Дж. Е. Джирарду, 2008

На основе расчета количества энергии, необходимой для разрыва 1 моль определенных связей, химики определили тепловую энергию, выделяемую при окислении 1 моль CH4 до диоксида углерода и воды в соответствии с приведенной выше реакцией. Оказалось, что

73

при сгорании 1 моль CH4 образуется 196 ккал/моль теплоты, что соответствует тепловому эффекту, равному приблизительно 12,25 ккал/т (Дж. Е. Джирард, 2008, с. 272). Практически для каждого вида органического топлива найдены тепловые эффекты (см. табл. 3.2).

На основе данных теплового эффекта от сгорания органических полезных ископаемых можно рассчитать общий тепловой эффект от 20 млрд м3 углеводородов, сжигаемых в течение года.

3.2. Техногенез и аэрозоли

Техногенные вещества группируются в аэрозолях в системы облаков, туманов и пыльных бурь в аридной климатической, умеренной зонах и особенно в условиях холодного климата; отвлекают на себя потоки солнечной радиации; переносятся в аэрозольном состоянии и выпадают вместе с дождями и снегом на других территориях, порой удаленных от места их происхождения на значительные расстояния.

Механизмом переноса техногенного вещества выступают атмосферные фронты – циклоны и антициклоны. Ширина таких фронтов достигает нескольких десятков километров. Контакт различных воздушных масс вызывает быстрое изменение влажности, поглощение техногенных веществ и образование аэрозолей. Прохождение атмосферных фронтов сопровождается облачностью и выпадением осадков (кислотных дождей). Механизм формирования и выпадения кислотных осадков отвечает процессу соприкосновения разных по температуре воздушных фронтов: теплого и холодного.

3.2.1.Осадки

Взависимости от вида выпадающие осадки подразделяются на жидкие, твердые и смешанные. Поглощение осадками газовых и аэрозольных примесей выступает важным фактором загрязнения территории. Из курса метеорологии известно, что в начальный момент времени концентрация аэрозольных веществ зависит от времени жизни их в атмосфере и вида осадков (табл. 3.4).

74

Таблица 3.4

Среднее время жизни аэрозольных частиц при различных осадках

Газовые примеси в зоне жидких осадков растворяются в дождевых каплях в соответствии с законом Генри (например, N2O, СН4 и др.) с последующей обратимой гидратацией и диссоциацией (СО2 и NH3), вступают при растворении в необратимые превращения или реакции с другими веществами (SO2 и NO2). Исследователь из Германии Юнге определил концентрацию атмосферных примесей до и после дождя во Франкфурте-на-Майне (табл. 3.5).

Таблица 3.5

Вымывание примесей осадками, г, (мкг/м3)

Результаты анализа, помещенные в таблице, показывают, что загрязнения, вымытые из атмосферного воздуха, попали на земную поверхность и загрязнили ее.

3.2.2. Туманы

По физическим причинам принято различать следующие генетические типы возникновения туманов: туманы испарения, туманы охлаждения, туманы смешения и туманы восхождения. Туманы ха-

75

рактеризуются определенной водностью (табл. 3.6), которая может являться механизмом транспортировки техногенных веществ на земную и водную поверхности.

Вымывание химических элементов из тропосферы с осадками (в том числе и техногенных веществ) зависит от циркуляции воздушных масс, рельефа и температуры воздуха.

Основным поставщиком тропосферного аэрозоля следует считать осадки, которые определяются морскими воздушными массами. На равнинах наибольшее количество осадков выпадает в полосе между 55 и 65° с. ш. В ее пределах годовая сумма осадков уменьшается при удалении от Атлантического океана: в западной части Русской равнины – 750 – 900 мм, в Западной Сибири – 500 – 600 мм, в восточной части Среднесибирского плоскогорья – 250 – 400 мм. В Дальневосточном регионе количество осадков увеличено за счет воздействия Тихого океана и связанного с ним летнего муссона. В южных районах страны в течение года преобладает сухой континентальный воздух, здесь характерны выпадения загрязнений с сухими аэрозолями. Особо следует отметить выпадение осадков в горных условиях, где за счет рельефа происходит задерживание воздушных масс и повышенное количество осадков.

3.3. Атмосферные аэрозоли

Важнейшая положительная роль аэрозолей, являющихся ядрами конденсации, очевидна. Отрицательное действие аэрозолей заключается в загрязнении ими атмосферного воздуха и снижении естественного потока лучистой энергии на земную поверхность.

76

Выделяются естественные и техногенные аэрозоли. Считается, что доля последних в воздухе достигает 20 %. Казалось бы, это незначительная часть, но в отдельных промышленных районах и на окружающих их территориях техногенные аэрозоли могут превышать содержание природных. К этому следует добавить, что часто химический состав техногенных аэрозолей не имеет природных аналогов. К таким аэрозолям следует отнести смоги над промышленными центрами с химической и металлургической отраслями (города Лондон, Челябинск, Магнитогорск, Красноярск и др.).

Поступление первичных аэрозолей из различных источников оценивается следующими значениями, Мт/г. (по В. А. Исидорову):

‒океанический аэрозоль ‒ 1500;

‒терригенный аэрозоль (выветривание почв и горных пород) ‒ 750;

‒вулканические извержения ‒ 50;

‒разрушение метеоритного материала ‒ 1;

‒сжигание биомассы ‒ 140;

‒антропогенные выбросы ‒ 340.

Вметеорологии под аэрозолями принято понимать взвешенные

ввоздухе жидкие и твердые частицы. Чем меньше размер частиц, тем дальше они переносятся воздушными массами от места их зарождения (антропогенные источники техногенеза). Радиусы частиц, составляющих аэрозоли, колеблются от легких ионов (10–10 – 10–9м) до ка-

пель (10–7 – 10–3м).

Источниками естественных аэрозолей являются океаны, космическая пыль, частицы почв и горных пород, поднимаемых в воздух ветром (эоловая деятельность), органические вещества (пыльца растений, споры, бактерии), частицы дыма, продукты вулканических извержений. Над океаном концентрация аэрозолей достигает 100 см–3, но наиболее распространенной является концентрация 1 см–3. По химическому составу они различаются, и это несмотря на то, что морские аэрозоли представлены преимущественно кристаллами хлорида натрия. Дело в том, что в воздухе над акваторией океана происходят

77

сложные химические реакции морских аэрозолей и аэрозолей, сносимых ветром с суши.

Морские аэрозоли, переносимые на сушу, также вступают в разнообразные химические связи с компонентами воздуха над сушей. Взвешенные в воздухе солевые частицы в прибрежных районах наносят ощутимый урон сельскохозяйственным культурам и вызывают коррозию металла. Американский исследователь Д. Кэдл подсчитал количество соли, выпавшей из воздуха на океанические острова и в прибрежной части континентов. Оно составило 3 ‒ 4 т/км2 при максимальных величинах до 470 т/км2. Состав морских аэрозолей преимущественно хлоридно-натриевый. Наряду с этим в них присутствуют карбонаты, сульфаты, калий, магний и кальций, а также ряд органических соединений.

Аэрозоли континентального происхождения состоят главным образом из частиц пыли с преимущественным содержанием кремния, железа и алюминия. Основным растворимым компонентом континентальных аэрозолей можно назвать сульфат или гидросульфат аммония с концентрацией около 2 мкг(S)/м3. В аэрозолях присутствуют также другие компоненты: эфирорастворимые вещества в виде органических кислот, пыльца и другие – всего около 1 мкг/м3.

Значительное количество природных аэрозолей поступает при извержении вулканов. Например, при извержении вулкана Кракатау в 1883 г. эруптивные вещества были выброшены на высоту 30 км, а вулканическая пыль вращалась вокруг Земли два года, вызывая выпадение красного дождя в районах, удаленных от вулкана на большие расстояния.

Техногенные аэрозоли образуются в основном при сжигании органического топлива и выбросах пыли промышленными предприятиями. Над промышленными районами часто возникают смоги двух типов: дымные и фотохимические. Дымные смоги формируются при смешении аэрозольных частиц разного генезиса. В процессе сжигания органического топлива в больших количествах в атмосферу поступают сернистые соединения и диоксины. Концентрация взвешенных частиц в городском воздухе обычно повышена (табл. 3.7).

78

Таблица 3.7

Концентрации взвешенных частиц в городском воздухе (по данным справочника«Защитаатмосферы…»подред.С.Колверта,Г.М.Инглунда)

Время жизни аэрозолей в воздухе различно. Так, исследования метеорологов показали, что тропосферные аэрозоли существуют от 6 до 48 сут., а стратосферные аэрозольные частицы могут «жить» месяц в тропопаузе, 1 – 2 года ‒ на высоте 20 км и от 4 до 20 лет ‒ на высоте

50 км (Р. Д. Кэдл, 1976).

Лучистую энергию в атмосфере активно поглощают твердый атмосферный аэрозоль-пыль и дымы. Известно, что основной источник пыли ‒ это поверхность почвы, откуда при ветровой эрозии она поднимается в воздух. Типичные размеры пылевых частиц, способных длительное время удерживаться в воздухе, составляют 1 – 100 мкм. Поглощение радиации в атмосфере пылью и дымом носит в основном неселективный характер.

Важным фактором формирования потока рассеянной радиации наряду с другими считаются отражательные свойства подстилающей поверхности. К. Я. Кондратьев определил значения потока рассеянной радиации D при безоблачном небе и различных значениях альбедо подстилающей поверхности n0 = 30º (табл. 3.8).

Таблица 3.8

Поток рассеянной радиации при безоблачном небе и различных значениях альбедо

Космические аппараты, изучающие потоки рассеянной радиации, показали, что в области антициклонов в атмосферу над акваторией Атлантического океана с западных районов Сахары выносится огромное количество пыли, которая приводит к снижению суммарного количества радиации.

Массовая концентрация аэрозолей в городском воздухе может достигать 350 мкг/м3, в то время как над открытым океаном она редко превышает 90 мкг/м3. Исследования аэрозолей над сушей показали, что в спокойной обстановке (отсутствие пылевых бурь) удельная поверхность аэрозолей находится в пределах 50 ‒ 100 мкм2/см3, а в районах пыльных бурь она возрастает до двух-трех порядков величин. Масса тонкодисперсного аэрозоля оценивается величиной около 0,05 Гт, а скорость образования – около 5 Гт/г. (Л. С. Ивлев, 1982). Следовательно, в течение года сто раз происходит его полное обновление.

Изменение концентрации аэрозолей во времени описывается известным уравнением -dN/rt = 8πD2N2, где d – средний радиус частиц; N – их счетная концентрация; D – коэффициент диффузии. Последний определяется как D = kT(1+AL/r)/6πηε, где k – постоянная Больцмана

(1,38·10–23 Дж/К); η – вязкость воздуха (18,27·10–6 кг/(м·с)); А – коэффициент Стокса (1,257 + 0,4exp(‒1,1r/L).

Анализ частей данной формулы показывает, что единственным стоком аэрозолей из атмосферы оказывается осаждение на подстилающую поверхность. Различают сухое и влажное (с дождями, туманами) осаждения. Лучше осаждаются частицы, имеющие размеры 0,5 – 1 мкм и менее 0,05 мкм. Отсюда возникает условие, что адсорбированные мелкие аэрозоли, загрязняющие компоненты, при определенных условиях могут переноситься воздушным потоком на значительные расстояния.

Как суша, так и океан находятся в постоянном циклическом массообмене с нижними слоями атмосферы, поставляя аэрозольные частицы в воздух и получая их обратно в составе атмосферных осадков и сухих осаждений. Если исходить из анализа миграции частичек лессовой пыли, выполненного Д. П. Лисицыным (1978), то дальность их переноса достигает 10 тыс. км (а может, и более), а количество переносимого материала достигает порядка 1,6 млрд т. Многие исследователи приводят объемы перенесенной мелкой пыли, превышающие

80