8.7. Загрязнение атмосферы

В течение миллионов лет в атмосферу поступали различные загрязняющие вещества в результате извержений вулканов, природных пожаров, пылевых бурь и других причин. Однако атмосфера была способна ассимилировать и рециклизировать эти природные загрязнители, они рассеивались в атмосфере и затем выпадали на землю в виде осадков. Некоторые бактерии обладают способностью преобразовывать ядовитые вещества в безвредные, например, угарный (CO) и сернистый (SO₂) газы в углекислый газ и сульфат, служащие пищей для растений. Тем самым концентрации вредных веществ в атмосфере поддерживались гораздо ниже порогового уровня.

Хозяйственная деятельность человека, особенно в последние столетия бурного развития промышленности, привела к тому, что количество различных (в том числе и отсутствующих в естественных условиях) выбросов в атмосферу значительно возросло, и под сомнением находится возможность атмосферы их ассимилировать и рециклизировать.

Среди загрязнителей атмосферы выделяют первичные продукты, непосредственно поступающие в атмосферу с различными выбросами, ивторичные продукты, являющиеся результатом химических реакций в атмосфере с участием первичных продуктов. Количество загрязняющих веществ чрезвычайно велико, перечислим основные категории загрязнителей.

Аэрозоли (взвеси).Это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Визуально аэрозоли воспринимаются как дым, туман, пыль и т.п. Аэрозоли могут переносить другие загрязнители, растворенные в них или адсорбированные на их поверхности. Средний размер аэрозольных частиц составляет от 1 до 10 мкм. Частицы с диаметром больше 10 мкм обычно остаются в атмосфере не более одного-двух дней, выпадая затем на поверхность земли с осадками или под действием силы тяжести. Частицы с размерами от 1 до 10 мкм могут оставаться в атмосфере в течение нескольких суток, еще более мелкие частицы могут оставаться в тропосфере неделями, а в стратосфере – до пяти лет. Ежегодно в атмосферу Земли поступает около 200 миллионов тонн пылевидных частиц искусственного происхождения. Основными источниками аэрозольного загрязнения являются теплоэлектростанции, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих источников весьма разнообразны по химическому составу, включающему различные соединения кремния, кальция, углерода, оксиды железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест. В органической пыли, образующейся при сжигании нефти и нефтепродуктов, присутствуют ароматические и алифатические углеводороды, соли кислот (в основном нитратные (NO₃^–) и сульфатные (SO₄^2–)). Кроме того, в состав аэрозолей могут входить нефть, полихлорированные дифенилы, диоксины, различные пестициды и т.п. Большое количество пыли поступает в атмосферу при взрывных работах – более 150 т при взрыве средней мощности (250 – 300 т взрывчатки).

Углеводороды и другие летучие органические соединения.Эта категория загрязнителей включает в себя бензин, растворители для красок, растворы органических чистящих веществ и т.п., переходящие в атмосферу в виде паров, а также метан (CH₄), хлорфторуглероды и халоны, содержащие бром, образующиеся как побочные продукты при многих производствах; метан попадает в атмосферу также из-за утечек из газовых скважин газопроводов, газовых баллонов, печей и т.д. Летучие органические соединения антропогенного происхождения составляют до 35 % их количества в атмосфере, остальные 65 % обусловлены природными источниками, в основном растениями, в процессе жизнедеятельности которых образуются сложные органические соединения, метан образуется также в процессе анаэробного бактериального разложения.

Оксиды углерода.Образуются при сжигании различных видов топлива. При полном сгорании образуется диоксид углерода – углекислый газ (CO₂), при неполном (например, при плохой регулировке двигателей внутреннего сгорания) – весьма ядовитый монооксид углерода, или угарный газ (CO). Общий объем оксидов углерода, поступающих в атмосферу, превышает 700 миллионов тонн в год.

Оксиды азота.Возникают из-за того, что процесс горения происходит, как правило, в воздушной среде, на 78 % состоящей из азота. При высоких температурах часть атмосферного азота (N₂) окисляется до монооксида азота (NO), который в воздухе вступает в реакцию с кислородом с образованием диоксида (NO₂) и тетраоксида (N₂O₄) азота. К загрязнителям относится и закись азота N₂O. Большие количества оксидов азота поступают в атмосферу с выхлопными газами двигателей. В качестве основных загрязнителей также выступают предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид; ежегодное поступление в атмосферу оксидов азота составляет 150 миллионов тонн. Природные источники оксидов азота – это биогенные вещества и грозовые разряды.

Оксиды серы.В основном это диоксид серы (сернистый ангидрид), или сернистый газ (SO₂), весьма ядовитый как для растений, так и для животных, а также триоксид серы, или серный ангидрид (SO₃). Сернистый ангидрид образуется в основном при сгорании органического топлива (например, в каменном угле содержится от 0,2 до 5,5 % серы), а также при переработке сернистых руд. Серный ангидрид образуется далее при окислении сернистого ангидрида. Ежегодно в атмосферу Земли выбрасывается 200 миллионов тонн сернистого газа, еще от 4 до 16 миллионов тонн выделяется в атмосферу в результате вулканической деятельности.

Сероводород (H₂S) и сероуглерод (CS₂).Источниками поступления в атмосферу этих загрязнителей являются предприятия по изготовлению искусственного волокна, сахара, коксохимические и нефтеперерабатывающие предприятия, а также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному окислению до серного ангидрида.

Тяжелые металлы.Попадают в атмосферу при сжигании топлива, в состав которого входят те или иные тяжелые металлы, а также с газообразными отходами многих производств. Речь, прежде всего, идет о свинце, который в форме тетраэтилсвинца добавлялся в бензин.

Фотохимические окислители.К этим загрязнителям относятся озон (O₃), пероксиацетилнитраты, перекись водорода (H₂O₂), гидроксил (OH^–), альдегиды, такие, как формальдегид (CH₂O), образующиеся в атмосфере при взаимодействии кислорода, оксидов азота и летучих гидрокарбонатов и углеводородов под влиянием солнечного света. Ниже мы будем говорить о защитных функциях озонового слоя, однако озон в приповерхностных слоях атмосферы является высокотоксичным для животных и растений газом. Прекрасный пример формулы "загрязнитель – это вещество, оказавшееся не на месте".

Кислоты.В основном это серная и азотная кислоты, представляющие собой продукты взаимодействия паров воды с оксидами серы и азота. Присутствуют в атмосфере в виде взвешенных капель жидкости.

Соединения хлора.Поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих соляную кислоту, хлорсодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере встречаются в виде молекул хлора (Cl₂) или паров соляной кислоты (HCl).

Соединения фтора.Источники загрязнения – предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений. В атмосфере присутствуют в форме фтористого водорода (HF) или пыли фторидов натрия (NaF) и кальция (CaF₂).

Отметим, что загрязнители воздуха редко присутствуют в нем изолированно, как правило, на организмы воздействует одновременно сразу несколько загрязнителей, при этом часто наблюдается синергическийэффект. Отрицательные последствия воздействия некоторых загрязнителей нами уже рассмотрены. Отметим, что многие из них обладают канцерогенным действием, вызывают заболевания органов дыхания, обостряют протекание таких заболеваний, как астма, воздействуют на нервную систему человека, раздражают глаза, вызывают головные боли, тошноту, ухудшают общее самочувствие. Не менее опасно и воздействие на растения (угнетение роста и др.), а также на различные материалы.

Уровень загрязнения атмосферы определяется тремя факторами:

• поступлением загрязнителей в воздух;

• объемом пространства, в котором они рассеиваются;

• механизмами удаления загрязнений из воздуха.

Ниже мы рассмотрим четыре экологические проблемы, вызванные загрязнением атмосферы: смог, кислотные осадки, разрушение озонового слоя и парниковый эффект.