Міністерство освіти і науки України

Приазовський державний технічний університет

Кухар В.В.,

Данилова Т.Г.

Тема 6: «Захист атмосфери»

Маріуполь, 2008

6. Захист атмосфери

6.1. Характеристика та склад атмосфери. Атмосфера Землі (від грецьких слів atmos - пар і sphaira - куля) - це повітряне середовище навколо Землі, що обертається разом із нею. Атмосфера містить у собі шар повітря в підґрунті, ґрунті і над її поверхнею. Маса атмосфери приблизно дорівнює 5,51*10¹⁵ т.

Ця величезна величина дорівнює тільки одної мільйонної частини всієї маси нашої планети.

Найбільшої щільності повітря досягає біля земної поверхні, де його 1 м³ має масу близько 1290 грам. З висотою його щільність і маса швидко зменшуються та близько 20 км від поверхні Землі 1 м³ повітря має масу тільки 90 грам, а на відстані 40 км - лише 4 грами.

Склад атмосфери. В атмосфері біля поверхні Землі міститься 78,1% азоту, 21% кисню, 0,9% аргону, у незначних частках відсотка - вуглекислий газ, водень й інертні гази.

Атмосферу землі відносять до азотно-кисневого типу. За сучасною точкою зору, виникнення біологічного життя у всесвіті можливо тільки в такому типі атмосфери.

У нижніх шарах атмосфери на висоті до 20 км міститься водяний пар (біля земної поверхні: від 3% у тропіках, до 2·10^-5 % в Антаркти­ді). Кількість водяного пару із збільшенням висоти швидко знижується.

Газовий склад залишається майже незмінним до висоти 100 - 110 км. Вище повітря також зберігає в основному свій склад, але під дією ультрафіолетових променів Сонця молекулярний кисень розпадається на атоми, а з висоти 200 км азот також піддається розщепленню на атоми (тобто до 50-110 км - N₂, O₂, O₃; 200-250 км - N, O)

Азот - газ, який є основою складовою частиною повітря, не підтримує дихання та горіння, але він необхідний для зростання рослин, життя тварин і людини. Азот виробляється мікроорганізмами, що перебувають у земній корі.

Кисень - найважливіший для життєдіяльності компонент повітря. Він є складовою частиною всіх тваринних і рослинних організмів, входячи до складу білків, жирів і вуглеводів. Кисень необхідний для подиху та горіння. Без їжі людина може обходитися до 5 тижнів, без води - до 5 днів, без атмосферного кисню - тільки до 5 хвилин.

Кисень виробляється зеленими рослинами в процесі фотосинтезу - 100 млрд. тонн щорічно. Основна роль у цьому належить фітопланктону, що виділяє приблизно 70 % усього атмосферного кисню. Повне відновлення кисню планети здійснюється за допомогою живих організмів протягом від 3000 років до 5200 - 5800 років (за даними різних джерел).

Впродовж мільйонів років частина накопиченого природою в атмосфері кисню склала близько 21%, але його запаси, що раніше вважалися невичерпними, зараз катастрофічно зменшуються в результаті інтенсивного господарчого впливу. Відтворення його природою сильно сповільнилося через знищення зеленого поясу планети.

За попередні 100 років зміст кисню у повітрі зменшилося на 240 млрд. тон, а в цей час зменшується на 10 млрд. тонн щорічно, причому 95% цієї величини використовується в техногенних процесах. Наприклад, міжконтинентальний переліт одного літака вимагає спалювання близько 100 тон кисню.

Учені попереджають: виникає загроза світового кисневого голоду. Якщо кількість кисню в атмосфері знизиться до 16 %, будуть зупинені основні природні процеси - подих, горіння, гниття, тобто припиниться життя.

Озон утворюється в атмосфері з молекулярного кисню, до якого приєднується атомарний кисень при електричних розрядах в атмосфері та під впливом ультрафіолетового випромінювання Сонця.

Вуглекислий газ надходить у повітря в результаті процесів спалювання палива, гниття й розкладання органічних речовин, подиху людей і тварин. Однак істотного нагромадження вуглекислого газу в атмосфері не відбувається, тому що рослини поглинають його в процесі фотосинтезу. Щорічно рослини витягають із атмосфери більше 160 млрд. тонн вуглекислого газу. У результаті процентна частина вуглекислого газу в атмосфері незначна і становить близько 0,03%.

В останні роки відзначається деяке збільшення змісту вуглекислого газу в атмосфері, що викликає негативні екологічні наслідки, що буде розглянуто пізніше.

6.2. Значення й будова атмосфери. Якщо воду, котрої з давнини не вистачало, називали "ресурсом життя", то про повітря згадали лише в нашу урбанізовану епоху. Нагадаємо, що без їжі людина може прожити кілька десятків днів, а без повітря - тільки до 5-7 хвилин. Крім того, людині необхідне чисте повітря, якого, особливо в містах й індустріальних центрах, не вистачає.

Значення атмосфери. Атмосферне повітря - найважливіший природний ресурс, його призначення (для Землі й людства):

- забезпечити людей, тваринний і рослинний світ життєво необхідними газовими елементами (киснем, вуглекислим газом);

- пом'якшити температурні перепади (повітря - поганий провідник тепла й холоду), тобто забезпечити терморегуляцію на планеті;

- захистити поверхню Землі від космічних, радіаційних й ультрафіолетового сонячного випромінювань;

- захистити Землю від метеоритів та інших космічних тіл, більшість маси яких згорає в атмосфері;

- забезпечити виробничі антропогенні процеси киснем, азотом, воднем і нейтральними газами.

Атмосфера "зігріває" нашу планету, поглинаючи тепло, випромінюване Землею у світовий простір, і частково повертаючи його у вигляді зустрічного випромінювання. Атмосфера розсіює сонячні промені, в результаті чого створюється поступовий перехід від світла до тіні (сутінки). У нічний час вона випромінює світлові промені й служить джерелом освітлення земної поверхні.

Нічне світіння атмосфери (люмінесценція) - це світіння розріджених газів повітря на висотах від 80 до 300 км. Воно забезпечує 40 - 45 % загальної освітленості земної поверхні в безмісячну ніч, у той час як зоряне світло становить близько 30 %, а на світло, що розсіюється міжзоряним пилом, доводяться інші 25 - 30 %. Різновидом світіння атмосфери є полярні сяйва. На Землі вони спостерігаються у високих широтах тільки вночі під час відсутності хмар. З космосу полярні сяйва примітні завжди, і при цьому одночасно над великими територіями.

Будова атмосфери. У складі атмосфери виділяють кілька шарів - сфер, між якими немає різко виражених границь.

1. Тропосфера - нижній основний шар атмосфери. Він найбільше добре вивчений. Висота тропосфери досягає 10 км над полюсами, 12 км у помірних широтах і до 18 км над екватором.

Тропосфера містить більш 4/5 всієї маси атмосферного повітря. У ній найбільше яскраво проявляються різноманітні погодні явища. Відомо, що з підйомом на 1 км температура повітря в цьому шарі знижується більш ніж на 6 градусів. Це відбувається тому, що повітря пропускає до поверхні Землі сонячні промені, які її нагрівають. Від земної поверхні нагріваються й прилягаючі до Землі шари атмосфери.

Зимою поверхня Землі сильно прохолоджується, чому сприяє сніжний покрив, що відбиває більшу частину сонячних променів. Із цієї причини повітря біля поверхні Землі виявляється холодніше, ніж угорі, тобто утвориться так називана інверсія температури. Інверсія температури часто спостерігається й у нічний час доби.

Літом поверхню Землі сильно й нерівномірно прогріває сонячними променями. Від найбільш нагрітих її ділянок піднімаються нагору повітряні вихри. На зміну повітрю, що здійнялося, притікає повітря з боку менш нагрітих ділянок Землі, у свою чергу, що заміщає повітрям з верхніх шарів атмосфери. Виникає конвекція, що викликає перемішування атмосфери у вертикальному напрямку. Конвекція сприяє розсіюванню туману й знижує запиленість нижнього шару атмосфери.

У верхніх шарах тропосфери на висоті 12 - 17 км при прольоті літаків часто утворяться білі хмарні сліди, добре видні з великої відстані. Ці сліди називаються конденсаційними, або слідами інверсії. Основною причиною конденсаційних слідів являється конденсація, або сублімація водяного пару, який потрапляє з авіаційних двигунів в атмосферу із газами, що відпрацювали, тому що при спалюванні керосину в авіаційному двигуні утвориться водяний пар.

Для спалювання у двигуні 1 кг палива витрачається близько 11 кг атмосферного повітря, при цьому утвориться близько 12 кг газів, які відпрацювали, утримуючих майже 1,4 кг водяного пару.

2. Стратосфера знаходиться над тропосферою до висоти 50-55 км. У ній втримується менш 20 % маси всього атмосферного повітря. У цьому шарі є незначне переміщення газів і відбувається зростання температури з висотою (до 0⁰ С у верхньої границі).

Нижня частина стратосфери становить потужний затримуючий шар, під яким скупчується водяний пар, кристали льоду й інші тверді частки. Відносна вологість повітря тут завжди близька до 100 %.

У стратосфері розташований озоновий шар, що відбиває згубне для життя космічне випромінювання й частково ультрафіолетові промені Сонця. Найбільша концентрація озону є на висоті 15-35 км, де вільний кисень під впливом сонячної радіації перетворюється в озон.

3. Мезосфера простирається вище стратосфери на висоті приблизно від 50 до 80 км. На її частку доводиться менш 1 % повітря. Для неї характерне зниження температури зі збільшенням висоти, приблизно від 0° С на границі зі стратосферою до -90° С у верхніх шарах мезосфери.

4. Іоносфера знаходиться над мезосферою. Вона характеризує значним змістом атмосферних іонів та вільних електронів. У іоносфері відбувається під дією ультрафіолетової рентгенівської сонячної радіації іонізація сильно розрядженого повітря, а також космічного випромінювання, які викликають розклад молекул атмосферних газів на іони та електрони. Особливо інтенсивніша іонізація на висоті від 80 до 400 км. Іоносфера сприяє розповсюдженню радіохвиль. Верхня границя іоносфери що є зовнішню частиною магнітосфери Землі. іоносферу часто називають термосферою.

6.3. Джерела забруднення атмосфери. Джерела забруднення численні й різноманітні й по своїй природі. Основні джерела забруднення атмосфери – природні, промислові й побутові процеси. Їх поєднують у групи:

• забруднювачі природного походження (мінеральні забруднення, рослинні, тварини, мікробіологічні);

• забруднювачі, що утворяться при згорянні палива для потреб промисловості, опалення житлових будинків, при роботі всіх видів транспорту;

• забруднювачі, що утворяться в результаті промислових викидів;

• забруднювачі, обумовлені згорянням і переробкою побутових і промислових відходів.

Найпоширеніші забруднення оксидом вуглецю CO, двоокису сірки, оксидом азоту, вуглеводнями, і пилом.

Розрізняють природне й антропогенне забруднення атмосфери.

Природне забруднення виникає, як правило, у результаті природних процесів поза всяким впливом людини, а антропогенне - у результаті діяльності людей.

Природне забруднення атмосфери обумовлене надходженням у неї вулканічного попелу, космічного пилу (до 150-165 тис. т. щорічно), рослинного пилка, морських солей і т.п. Основними джерелами природного пилу є пустелі, вулкани й оголені ділянки земель.

До антропогенних джерел забруднення атмосферного повітря ставляться енергетичні установки, що спалюють викопне паливо, промислові підприємства, транспорт, сільськогосподарське виробництво. Із усього кількості забруднюючих речовин, викинутих в атмосферу, близько 90 % становлять газоподібні речовини й близько 10 % - частки, тобто тверді або рідкі речовини. Зараз загальновизнано, що найбільше сильно забруднює повітря промислове виробництво. Джерела забруднень - теплоелектростанції, які разом з димом викидають у повітря сірчистий і вуглекислий газ; металургійні підприємства.

Американські вчені підрахували, що в США кількість забруднюючих речовин, які викидаються в повітря, перевищило 200 млн. т, тобто майже 1 т на кожного жителя країни.

Структура викидів, тобто джерел забруднення атмосфери, у країнах Східної й Західної Європи не однакова.

Так, якщо всі викиди забруднювачів країн Західної Європи, а також США, тобто найбільше промислово розвинених країн, прийняти за 100 %, те частка транспорту буде становити 60,6 %, промисловості - 12,2 %, теплоелектростанцій - 14,1 %, атомних станцій - 5,6 %, твердих відходів - 3,5 %. В окремих містах планети, таких, як Нью-Йорк, Лос-Анджелес, Токіо, ступінь забруднення міського повітря транспортом досягає 90 %.

У країнах Східної Європи (у тому числі в Україні) і країнах, що розвиваються, в останні десятиліття розподіл забруднюючих речовин від окремих галузей виробництва й транспорту можна представити так, як це наведено в таблиці 6.1.

Таблиця 6.1 - Розподіл забруднювачів атмосфери по галузях

(для країн Східної Європи)

Галузі виробництва	Відсоток забруднення, % в %
Металургія чорна й кольорова	35
Теплоелектростанції	27
Нафтовидобувна й хімічна промисловість	17
Автомобільний транспорт	13
Інші галузі	8

Найвищий рівень забруднення атмосферного повітря в Україні зареєстрований у містах Донецьку, Дніпропетровську, Дніпродзержинську, Запоріжжі, Кривому Розі, Києві, Маріуполі, Одесі, Северодонецьку й ін. Ці міста увійшли до числа 68 міст колишнього СРСР із найбільшим рівнем забруднення.

6.4. Основні забруднюючі речовини. Забруднення атмосфери - результат викидів забруднюючих речовин з різних джерел. Причинно-наслідкові зв'язки цього явища потрібно шукати в природі земної атмосфери. Так, забруднення переносяться по повітрю від джерел появи до місць їхнього руйнуючого впливу; в атмосфері вони можуть перетерплювати зміни, включаючи хімічні перетворення одних забруднень в інші, ще більш небезпечні речовини.

Атмосферні забруднювачі розділяють на первинні, вступники безпосередньо в атмосферу, і вторинні, що є результатом перетворення останніх. Основними шкідливими домішками пірогенного походження є наступні:

а) Оксид вуглецю. Виходить при неповнім згорянні вуглецевих речовин. У повітря він попадає в результаті спалювання твердих відходів, з вихлопними газами й викидами промислових підприємств. Щорічно цього газу надходить в атмосферу не менш 1250 млн.т. Оксид вуглецю є з'єднанням, що активно реагує зі складовими частинами атмосфери й сприяє підвищенню температури на планеті, і створенню парникового ефекту.

б) Сірчистий ангідрид. Виділяється в процесі згоряння палива або переробки сірчистих руд.

в) Сірчаний ангідрид. Утвориться при окислюванні сірчистого ангідриду. Кінцевим продуктом реакції є аерозоль або розчин сірчаної кислоти в дощовій воді, що підкисляє ґрунт, загострює захворювання дихальних шляхів людини. Випадання аерозолю сірчаної кислоти з димових факелів хімічних підприємств відзначається при низької хмарності й високої вологості повітря. Листові пластинки рослин, що виростають на відстані менш 11 км. від таких підприємств, звичайно бувають густо засіяні дрібними некротичними плямами, що утворилися в місцях осідання краплі сірчаної кислоти.

г) Сірководень і сірковуглець. Надходять в атмосферу роздільно або разом в іншими з'єднаннями сірки. Основними джерелами викиду є підприємства по виготовленню штучного волокна, цукру, коксохімічні, нафтопереробні, а також нафтопромисли.

д) Оксиди азоту. Основними джерелами викиду є підприємства, що роблять азотні добрива, азотну кислоту й нітрати, анілінові барвники.

е) З'єднання фтору. Фторомісткі речовини надходять в атмосферу у вигляді газоподібних з'єднань - фтороводеню або пилу фторида натрію й кальцію. З'єднання характеризуються токсичним ефектом. Похідні фтору є сильними інсектицидами.

ж) З'єднання хлору. Надходять в атмосферу від хімічних підприємств, що роблять соляну кислоту. В атмосфері зустрічаються як домішка молекули хлору й пар соляної кислоти.