2. Классификация и основные характеристики источников загрязнения атмосферы. Последствия загрязнения атмосферы.

Важнейшей характеристикой воздушного бассейна является его качество, так как жизнедеятельность людей требует не просто воздуха, но воздуха определенной чистоты. От качества воздуха зависят здоровье людей, состояние растительного и животного мира, прочность и долговечность любых конструкций зданий и сооружений. Под атмосферным загрязнением понимают присутствие в воздухе газов, веществ, тепла, колебаний, излучений, которые неблагоприятно влияют на человека, животных, растения, климат, материалы, здания и сооружения. Особенно острой проблема загрязнения атмосферы стала во второй половине XX в., то есть в период научно-технической революции, выработкой и потреблением электроэнергии, выпуском и использованием в большом количестве транспортных средств. Загрязнение атмосферного воздуха может быть локальным, региональным и глобальным. Локальное загрязнение обусловлено одним или несколькими источниками выбросов. Под региональным загрязнением понимается загрязнение атмосферного воздуха на территории в сотни километров. Глобальное загрязнение, распространяется на тысячи километров от источника загрязнения и нередко смыкается в пределах всего земного шара.

Основными источниками загрязнения атмосферы являются природные, производственные а также бытовые процессы. Естественное, или природное загрязнение происходит за счет естественных факторов: пылевых бурь, извержения вулканов, выдувания почв, различных продуктов растительного, животного или микробиологического происхождения, лесных пожаров.

Слайд6 Основные естественные и антропогенные загрязнители атмосферы.

К первым можно отнести - извержения вулканов, лесные и степные пожары, и, наконец, космическая пыль. Со всеми этими загрязнителями биосфера как саморегулирующаяся система благополучно справляется. Иногда, правда, катастрофические катаклизмы могут нарушать сложившийся в природе баланс. Так, вулкан Кракатау близ острова Ява при извержении в 1883 г. выбросил огромное количество пепла и пыли. Все это сказалось на локальном изменении интенсивности солнечной радиации у поверхности Земли и вызвало небольшое изменение теплового баланса планеты. Сходный эффект могут вызывать крупные лесные пожары и пылевые бури.

Однако гораздо более опасны искусственные загрязнители. Условно их можно разделить на несколько групп.

1. Механические загрязнители - различные выбросы промышленных предприятий (цементные заводы), дым от сгорания угля в котельных, сажа от сгорания нефти, истирающаяся резина автопокрышек и т.п.

2. Химические загрязнители - пылевидные или газообразные вещества, способные вступать в химические реакции (фотохимический смог).

3. Радиоактивные загрязнители - опасные выбросы радионуклидов в результате аварий на атомных электростанциях, атомных военных объектах, радиоактивное загрязнение от оружия массового поражения и от отходов ядерного производства.

Поступление вредных веществ из атмосферы:

1.С атмосферными осадками. Многие химические соединения (газы - оксиды серы и азота), попадающие в атмосферу в результате работы предприятий, затем растворяются в капельках атмосферной влаги и с осадками попадают в почву.

2.Осаждающиеся в виде пыли и аэрозолей. Твердые и жидкие соединения при сухой погоде обычно оседают непосредственно в виде пыли и аэрозолей.

3.При непосредственном поглощении почвой газообразных соединений. В сухую погоду газы могут непосредственно поглощаться почвой, особенно влажной.

4.С растительным опадом. Различные вредные соединения, в любом агрегатном состоянии, поглощаются листьями или оседают на поверхности. Затем, когда листья опадают, все эти соединения поступают в почву.

Самыми распространенными вредными веществами, загрязняющими атмосферу являются: оксид углерода (СО), диоксид серы (S0₂,) оксид азота (NO), метан (СН₄ )и пыль.

Слайд7 Десять главных соединений-загрязнителей биосферы (по данным ЮНЕСКО)

Аэрозоли - это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Твердые компоненты аэрозолей в ряде случаев особенно опасны для организмов, а у людей вызывают специфические заболевания. В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или дымки. Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнении воздуха являются ТЭС, обогатительные фабрики, металлургические, цементные заводы.

Загрязнение атмосферы таит в себе и другую опасность - оно снижает количество солнечной радиации, достигающей поверхности Земли. По данным Национального управления США по изучению атмосферы над территорией этой страны солнечная радиация уменьшается осенью на 8 %. В среднем с 1964 г. она упала на 1,3 %, что эквивалентно потере примерно 10 мин солнечного дня в сутки. Эта, казалось бы, мелочь может иметь серьезные климатологические последствия. Слайд8

Основным источником загрязнения атмосферы является промышленность и прежде всего тепловые электростанции и топки промышленных предприятий. Дымовые трубы электростанции ежегодно выбрасывают в атмосферу Земли более 250 млн. т золы, до 60 млн. т сернистого газа. Угольная электростанция мощностью 700 МВт, работающая при полной или средней нагрузке и потребляющая в год около 1 млн т угля. с содержанием серы 1%, за час работы выбрасывает в воздух: 500 т диоксида углерода, 0,15 т оксида углерода, 7,0 т диоксида серы, 1,7 т оксидов азота, 0,05 т углеводородов и 0,7 т пыли. При сжигании одной тонны угля поглощается такое количество кислорода, сколько его необходимо для 3.5 тыс. человек. Так, в 1 т угольной золы в среднем содержится 200 г свинца, 400 г урана, по 500 г германия и мышьяка, 700 г никеля и т.д.

От сжигания всех видов топлива, в том числе и каменного угля, за последние полвека содержание диоксида углерода в атмосфере увеличилось почти на 288 млрд.т, а израсходовано более 300 млрд.т кислорода. Таким образом, с момента первых костров первобытного человека атмосфера потеряла около 0,02 % кислорода, а приобрела до 12 % углекислого газа. В настоящее время ежегодно человечество сжигает 7 млрд.т топлива, на что потребляется более 10 млрд.т кислорода, а прибавка диоксида углерода в атмосфере доходит до 14 млрд.т. В ближайшие же годы эти цифры будут расти, к 2020 г. в атмосфере исчезнет около 12 000 млрд.т кислорода (0,77 %). Таким образом, через 100 лет состав атмосферы существенно изменится и, надо полагать, в худшую сторону.

Значительную лепту в общий баланс механических загрязнителей вносят и цементные заводы. Цементная пыль способна превратить зеленый оазис в безжизненно-серый пустырь, кроме того, она значительно влияет на здоровье человека.

На загрязнении воздушного бассейна Земли сказывается и сельскохозяйственная деятельность человека. Вносимые в почву агрохимикаты распространяются в окружающую среду за счет выветривания и с почвенной влагой. Особенно возрастает влияние животноводства в связи со строительством крупных животноводческих комплексов. В результате в атмосферу поступают и распространяются на значительные расстояния аммиак, сероводород и другие газы.

Все более мощными загрязнителями воздушного бассейна выступают различные виды транспорта. Значительно загрязняет атмосферу автотранспорт, парк которого уже сейчас насчитывает более 500 млн. По подсчетам специалистов, машины „размножаются" в 7 раз быстрее людей. Загрязнение атмосферы различными вредными газами и твердыми частицами приводит к тому, что воздух крупных городов становится опасным для жизни людей. В некоторых городах США, Японии, Германии регулировщики уличного движения дышат кислородом из специальных баллонов. Пешеходам эта возможность предоставляется за дополнительную плату. В Токио и некоторых других городах Японии на улицах устанавливаются кислородные баллоны для детей, чтобы они по дороге в школу могли глотнуть свежего воздуха. Японские предприниматели открывают специальные бары, где люди поглощают не алкогольные напитки, а свежий воздух.

До недавнего времени наиболее опасными источниками загрязнения свинцом были двигатели автомобилей. Еще древние греки и римляне знали, что рабы, работающие на свинцовых рудниках, подвержены отравлению свинцовой пылью. Коварство отравления свинцом связано с тем, что при многолетнем поступлении в организм даже ничтожных количеств металла развивается тяжелое заболевание, поначалу никак себя не обнаруживающее. Даже если человек получает ежедневно всего миллиграмм свинца, у него через определенное время появляются боли в области сердца.

Интересно утверждение американского историка медицины Сибири Гилфиллана о том, что массовое отравление населения свинцом привело к крушению Римской империи. Такое утверждение может вызвать усмешку, однако не следует торопиться. Дело в том, что в империи было принято подслащать вино так называемой сапой - сильно уваренным в котлах виноградным соком. И с этой вот сапой представители высшего света древнеримского общества на своих пиршествах ежедневно получали намного более миллиграмма свинца в день. В дальнейшем привычка подслащать сапой вино перекочевала и в Германию. В итоге в конце XVII в. в стране разразились многочисленные эпидемии кишечных колик, которые были напрямую связаны со свинцовым отравлением. В Вюртемберге в 1696 г. был даже принят закон, по которому каждому, кто будет подслащать вино "свинцовым сиропом", грозит смертная казнь.

Переход на бессвинцовый бензин несколько улучшил ситуацию. Тем не менее свинец, содержащийся в выхлопных газах автомобилей, может повышать содержание свинца в почве близ оживленных автострад. Именно поэтому не рекомендуется собирать и использовать растения и их плоды вблизи автодорог.

Появляются различные проекты создания двигателей, работающих на других видах топлива. Электромобили уже не новость, во многих странах мира есть опытные образцы, но пока их широкое внедрение в жизнь сдерживается из-за малой мощности аккумуляторов. В последнее время появилась новая идея - автомобиль с инерционным двигателем. К сооружению его приступили американские компании. Он будет снабжен двумя тяжелыми маховиками, работающими в вакууме. Для их раскручивания перед выездом предусмотрен электромотор, питающийся от бытовой сети. Одной зарядки хватит на 80 км пробега со скоростью 96 км/ч. Максимальная скорость такого автомобиля достигает 160 км/ч. Автомобиль, которому не нужен ни бензин, ни другое горючее и который не производит выхлопных газов скоро будет внедрятся в жизнь.

В Бразилии по распоряжению президента парк официальных транспортных средств переводится на автомобили со спиртовыми двигателями. Государственный заказ на изготовление партии экологически чистых машин – по 24 тыс. в год – получил филиал итальянской компании «Фиат». Бразилия первой начала использовать технический спирт в качестве автомобильного топлива. Она же обладает лучшей в мире технологией производства этого продукта из сахарного тростника. В спирте отсутствует свинец, от него значительно меньше вредных выбросов в атмосферу. По примеру бразильцев в США нашли способ производства спирта из кукурузы, который пока слишком дорогой, но в будущем может стать рентабельным. В Италии спирт получают из сорго, в России – из древесных опилок.

До недавнего времени существует проблема загрязнения атмосферы резиновой пылью от истирающихся автопокрышек колес автомобилей. Несмотря на усовершенствование технологий производства автопокрышек эта проблема пока еще остается насущной. Достаточно сказать, что в год каждый автомобиль выделяет примерно 10 кг резиновой пыли. По сведениям американских специалистов над Вашингтоном помутнение атмосферы в результате запыленности может составлять от 60 %до 88 %. Над Тихим океаном прозрачность атмосферы снизилась на 30 % всего за десять лет - с 1957 г. по 1967 г.

Такой материал, как асбест, широко применяемый в технике, способен провоцировать заболевания легких. В последнее время благодаря разработке и внедрению эффективных фильтров для промышленных предприятий количество поступающих в атмосферу механических частиц снизилось. Первенство перешло к химическим загрязнителям.

Автомобиль также и один из источников шумового загрязнения города. В городах с интенсивным автомобильным движением уровень шума превышает 70 дБ (децибел).

Загрязнение воздушной среды железнодорожным транспортом происходит при использовании тепловозов, проведении погрузочно-разгрузочных работ. Серьезную опасность представляет авиация, так как работа реактивных двигателей связана с расходованием огромного количества кислорода. Чтобы пересечь Атлантический океан, современный реактивный лайнер поглощает 35 т кислорода и оставляет инверсионные следы, увеличивающие облачность. Запуск сверхмощных ракет нарушает целостность озонового слоя атмосферы.

Многие бытовые процессы также ведут к загрязнению воздушной среды, прежде всего — накопление, сжигание и переработка бытовых отходов. Каждый человек ежедневно выдыхает около 10 м³ воздуха, содержащего около 4 % углекислого газа. Поэтому в городе с пятимиллионным населением люди ежесуточно выделяют в атмосферу около 2 млн. м³ углекислого газа, 600 м³ водяного пара.

Радиоактивное загрязнение. Источниками радиоактивного загрязнения окружающей среды явились, прежде всего, экспериментальные взрывы при испытаниях атомных и водородных бомб, различные производства, связанные с изготовлением ядерного оружия, а также ядерные реакторы и атомные электростанции, отходы атомных предприятий и установок. . Слайд9Крупнейшей катастрофой явился взрыв ядерного реактора на Чернобыльской АЭС в 1986 г. Радиоактивное загрязнение воздушной среды такими летучими элементами, как цезий-137, стронций-90, плутоний распространилось по всей Европе. Слайд10Самое большое пятно очень сильного загрязнения (более 40 Ки на 1 км²) находится в Беларуси — 2,6 км², далее идут Украина — 0, 56 км - и Россия — 0,46 км², пятна были обнаружены в Финляндии, Австрии, Швеции и Франции. Подсчитано, что социально-экономический ущерб от аварии за 30 лет (1986—2015 гг.) составит 235 млрд. дол. США.

Воздушная среда является распространителем таких специфических "загрязнителей", как инфразвук, вибрации, электромагнитные поля и ионизирующие излучения.

В результате сжигания ископаемого топлива в атмосферу земли поступают оксиды серы - SO₂ и азота - NO_x (N₂O, NO₂). Соединяясь с частицами воды, оксиды серы и азота образуют серную (H₂SO₄) и азотную (HNO₃) кислоты. Слайд11 Рассмотрим образования кислотных осадков, связанных с выбросами в атмосферу закиси азота – N₂O.

Слайд12Для рассмотрения механизмов их вредного воздействия на экосистемы и людей введены такие понятия как кислотность водного раствора. Водные растворы могут иметь рН от 0 до 14. Нейтральные растворы имеют рН 7, кислая среда характеризуется значениями рН меньше 7, а щелочная - больше 7. Чистая дождевая вода имеет слабокислый показатель водорода. В дождевой воде практически нет щелочноземельных элементов (Ca⁺², Mg⁺²), поэтому она мягкая (требуется большое количество этой воды, чтобы смыть мыло или шампунь). Изменение значения pH на единицу соответствует изменению концентрации ионов водорода в 10 раз.

Атмосферные осадки, рН которых меньше, чем среднее значение рН дождевой воды (средний рН для дождевой воды равняется 5,6), получили название кислотных (кислых) дождей. Впервые этот термин был введен в употребление британским химиком Робертом Энгусом Смитом в1872г. Занимаясь вопросами загрязнение города Манчестера, Смит доказал, что дым и пары содержат вещества, вызывающие серьезные изменения в химическом составе дождя, и что эти изменения можно заметить не только вблизи источника их выделения, но и на большом расстоянии от него". Он также открыл некоторые виды вредных воздействий кислотных дождей: обесцвечивание тканей, коррозию металлических поверхностей, разрушение строительных материалов и гибель растительности. Кислотный дождь оказывает отрицательное воздействие на водоемы. Водяные растения лучше всего растут в воде со значениями рН между 7 и 9,2. С увеличением кислотности водяные растения начинают погибать. Когда кислотность повышается до рН 5,5, погибают донные бактерии, которые разлагают органические вещества и листья. Затем гибнет планктон. Когда кислотность достигает рН 4,5, погибает вся рыба.

Хотя почвы и являются менее восприимчивыми к подкислению, нежели водоемы, произрастающая на них растительность крайне негативно реагирует на увеличение кислотности. Кислые осадки в виде аэрозолей обволакивают хвою и листву деревьев, проникают в крону, стекают по стволу, накапливаются в почве. Прямой ущерб выражается в химическом ожоге растений, снижении прироста, в изменении состава подпологовой растительности.

Несмотря на то что сигнал тревоги Роберта Смита прозвучал давно, индустриальные государства долго игнорировали опасность кислотных осадков. И только в начале 50-х годов канадское правительство разработало программу изучения и мониторинга вод в озерах Новой Шотландии, где наблюдалось быстрое повышение кислотности. В 60-е годы Скандинавия сообщила об уменьшении косяков рыбы и даже ее полном исчезновении в некоторых озерах. За несколько десятилетий размах этого бедствия стал настолько широк, что в 1982 г. в Стокгольме состоялась специальная международная конференция по кислотным дождям, в которой приняли участие представители 20 стран и ряда международных организаций.

Специалисты отмечают, что термин "кислотные дожди" недостаточно точен. Для такого типа загрязнителей лучше подходит выражение "кислотные осадки", т.к. загрязняющие вещества могут выпадать не только в виде дождя, но и в виде снега, облаков, тумана ("влажные осадки"), либо в виде газа и пыли ("сухие осадки").

Следует отметить, что от действия кислотных осадков страдает не только природное окружение человека. Их разрушительным действиям подвергаются многие эстетически значимые для человека памятники мировой культуры. Так, например, всемирно известный памятник архитектуры Древней Греции – Акрополь подвергается постепенному разрушению. Немаловажное значение при этом имеет действие кислотных дождей. Греческий специалист подсчитал, что за последние -25 лет афинские памятники разрушились от загрязнения воздушной среды в большей степени, чем за предыдущие 2400 лет.

Под действием слабых растворов кислот разъедается древний мрамор. Для соединения отдельных архитектурных элементов древние греки использовали небольшие стержни и скобы из железа, покрытых тонким слоем свинца. Тем самым они были защищены от ржавчины. Во время же реставрационных работ (1896-1933 гг.) были использованы стальные детали без всяких мер предосторожности. Поэтому сейчас под действием раствора кислот в мраморных структурах образуются обширные трещины, мрамор раскалывается.

В Италии классические мраморные бюсты превращаются в безносые и безухие гипсовые нелепости. В Катовице поезда вынуждены на некоторых участках снижать скорость из-за коррозии железнодорожных путей вследствие повышенной кислотности среды. Чтобы сохранить для потомков эти бесценные творения древних зодчих, специалисты намерены покрыть наиболее пострадавшие части памятников специальным защитным слоем из пластика.

Результаты исследований, проведенных по инициативе одной из комиссий ООН, свидетельствуют, что кислотные осадки также оказывают губительное воздействие и на старинные витражные стекла в Европе. Под угрозой находится более 100 000 образцов цветного стекла. Исследования показали, что старинные витражи находились в хорошем состоянии до начала XX века. Однако за последние годы процесс разрушения ускорился, и через несколько десятков лет они могут погибнуть окончательно, если не будут проведены необходимые реставра­ционные работы.

Слайд13Специфическая особенность кислотных дождей – их перенос на большие расстояния. Трансграничный перенос кислотных осадков – одна из причин конфликтных взаимоотношений США и Канады. Главными виновниками загрязнения воздуха и выпадения кислотных дождей являются США, страны СНГ, Польша, Германия, Великобритания, Канада и Китай.

Загрязнение тропосферы газами приводит к образованию канцерогенного фотохимического тумана, называемого смогом. Термин "смог" впервые был употреблен более 100 лет назад, применительно к жёлтой смеси из дыма и тумана. Позже его применяли для характеристики задымлённых условий в атмосфере в Лос-Анджелесе, Детройте, Нью-Йорке. Слайд14,15,16Лос-анджелесский смог. Детройтский смог. Нью-йоркский смог.

Особую опасность для жизни людей представляют смертоносные туманы, опускающиеся на крупные города. Самая большая трагедия произошла в 1952 г. в Лондоне. Проснувшись утром 5 декабря, лондонцы не увидели солнца. Необычайно плотный смог, смесь дыма и тумана, держался над городом 3-4 дня. Этот смог, по официальным данным, унес 4 тыс. жизней. Такие туманы не раз душили людей и других городов Западной Европы, Америки и Японии. В бразильском городе Сан-Паулу уровень загрязнения воздуха в 3 раза превышает максимально допустимые нормы, а в Рио-де-Жанейро - в 2 раза. Японский город Нагоя получил титул „японской столицы смога".Токио вышел на третье место среди японских городов по числу заболеваний, вызванных загрязнением окружающей среды. В середине октября 1975 г. серьезная угроза отравления нависла над этим огромным городом. Концентрация различных вредных оксидов в несколько раз превысила допустимый уровень. Токийские власти отдали распоряжение всем фабрикам и заводам сократить потребление топлива на 40 %.

Осаду смертоносных туманов не выдерживают даже растения. При повышении концентрации смога на листьях растений уже через 6 ч. появляются белые пятна. За последние 10 лет зеленая зона Токио сократилась на 12 %, сейчас на каждого горожанина приходится не более 1 м² зеленых насаждений. Появились фирмы, которые сдают деревья напрокат. Аренда полуметрового живого растения в горшке стоит в месяц примерно 4000 йен. Но и эти кочующие по городу „одноместные парки" не выдерживают загрязнения атмосферы, чахнут и увядают. Все чаще и чаще для „озеленения" промышленность выпускает синтетические пальмы, бамбук, цветы, траву и целые искусственные газоны.

Чтобы вовремя принять защитные меры от смога, в Кентском университете (США) сконструирован специальный мини-противогаз. Если загрязнение воздуха принимает угрожающие размеры, то на приборе вспыхивает миниатюрная лампочка. Одним движением руки можно достать портативную маску и защитить свои легкие от ядовитых веществ. В Японии выведен специальный сорт бегонии „зимняя королевская", которая служит индикатором фотохимического смога.

Можно выделить два типа смога: связанный с загрязнением воздуха 1.-выхлопными газами транспорта, содержащими окислы азота (лос-анджелесского смога), и 2 -связанный с загрязнением атмосферы дымами, содержащими двуокись серы (лондонский смог).

Слайд17Некоторые характеристики антропогенных облаков и туманов.

Как видно из таблицы, лос-анджелесский смог появляется при более высокой температуре и меньшей влажности, чем лондонский. Смог образуется в ясную солнечную погоду при низкой влажности воздуха, смог вызывает у людей раздражение глаз и губит листву у растений. Например, в 1952 г в течении 3-х недель в Лондоне от смога умерло 4000 человек.

Как известно, парниковый эффект вызывают повышенные концентрации в атмосфере парниковые газы. Это - Слайд18. Первостепенную роль в формировании эффекта (до 61 %) играет диоксид углерода (СО₂). Если до 1859 г. концентрация СО₂ в атмосферном воздухе составляла 275 промилле, то в 1987 г. она равнялась уже 348 промилле, сегодня - 385 прогнозируемый ее уровень к середине 21 века достигает 400–550 промилле. Если учесть что ежегодно увеличивается на 2 промиле, а при1200 промиле наступит катастрофа. Посчитайте через сколько лет это произойдет. Исследования показали, что для избежания глобальной катастрофы необходимо уменьшить выбросы углерода в атмосферу до 2 млрд т в год (одна треть нынешнего объема).

Слайд19Величина выбросов различных веществ в отдельных странах различна. В наибольшей степени загрязняют атмосферу опасными углеродными смесямипять стран, на долю которых приходится более половины всех выбросов в мире, это: США, Китай, Россия, Япония, Германия.

Наиболее часто конфликты из-за трансграничных атмосферных загрязнений происходят в Европе. Виновниками загрязнений атмосферы многих стран в Европе являются Англия и Германия. В умеренных широтах Европы со стороны Атлантики, на восток. и северо-восток, происходит перемещение атмосферных загрязнений. Слайд20 Среднесуточное поступление в атмосферу оксидов серы

Англия - одна из главных виновниц загрязнения ряда стран Европы. Чтобы не загрязнять собственные ландшафты, на ряде английских предприятий были сооружены высокие (до 300-400 м) трубы. В результате выбрасываемые из них загрязнения еще легче подхватываются воздушными течениями и транспортируются в континентальную Европу. Подсчитано, что ежегодно таким образом из Англии «экспортируется» около 1 млн т окиси серы. Североевропейские страны (Норвегия, Швеция, Дания, Финляндия и Исландия) неоднократно обращались к Великобритании, в международные организации по поводу этого загрязнения. На сессии Северного совета, в который входят пять вышеперечисленных стран Европы, премьер-министр Швеции обвинил Англию в ведении настоящей «экологической войны» против своих соседей, потребовав ее прекращения.

Для сравнения - территория республики Беларусь также подвергается загрязнению вредными примесями, выбрасываемыми в соседних странах. Так, по данным Минприроды Республики Беларусь, доля трансграничной серы в выпадениях на территории Беларуси составляет 84—86 %, окисленного азота — 89—94 %, восстановленного азота — 38—65 %.