Контрольні запитання

1. Які найнебезпечніші процеси відбуваються у довкіллі та які основні механізми антропогенного впливу на довкілля?

2. Як поділяються забруднювачі довкілля за шкідливою дією?

3. Охарактеризуйте екологічну ситуацію в Україні.

4. Перелічіть основні міжнародні природозахисні організації. Які природозахисні нормативи прийняті в Україні?

5. Охарактеризуйте основні екологічні терміни.

6. Що таке хімічний склад об’єктів довкілля та в яких формах перебувають інгредієнти у довкіллі?

7. Охарактеризуйте вимоги до основних етапів виконання аналізу об’єктів довкілля.

8. Якими нормативами керуються під час виконання аналізу об’єктів довкілля?

3. Характеристика речовинного складу окремих об’єктів довкілля

3.1. Природне повітря та його забруднювачі

Забруднення атмосфери сильно впливає на здоров’я людини і живих організмів, бо з атмосфери речовини потрапляють в організм через органи дихання, а 50% частинок розміром 0,01-0,1 мкм потрапляючи у легені, залишаються там. Має значення тривалість дії забруднення. Існує зв’язок між забрудненням повітря і ураженням органів дихання, серцевою недостатністю, іншими хворобами. Відомі сумні наслідки забруднення атмосфери Лондона. Так 5-8 грудня 1852 року задимленість разом з туманом призвела до смерті 4000 мешканців, а в січні 1956 року з тієї самої причини загинуло 1000 людей. Основною причиною був надмір CO₂, SO₂ і диму в повітрі.

Атмосфера складається з декількох шарів.

1. Тропосфера, яка простягається на висоту до 16-18 км над екватором та 7-10 км над полюсами. При підвищенні на 1 км температура понижується на 6^о. У тропосфері зосереджена майже вся водяна пара.

2. Стратосфера розташовується вище від тропосфери і сягає висоти 8-17 км над полюсами і 50-55 км над екватором. Вона містить N₂, утворений під дією ультрафіолетового випромінювання, і озоновий шар, який поглинає ультрафіолетове випромінювання. Поглинаючи УФ випромінювання, азот підвищує температуру повітря, тим впливаючи на формування клімату. З підвищенням температура зростає за рахунок нагрівання сонячним випромінюванням і на верхній межі досягає +10С.

3. Мезосфера простягається до 80 км. Температура з підвищенням у мезосфері понижується і на висоті 80 км сягає -70– -80С.

4. Термосфера досягає висоти 800-1000 км. На висоті біля 100 км вона має температуру близьку до 0С, на висоті 200 км досягає 500С, а на висоті 600 км – 1500С.

5. Екзосфера – сфера розсіювання, це найбільш розріджена частина атмосфери. У термосфері та в екзосфері до висоти 1900-2000 км містяться іонізовані гази, температура з підвищенням зростає і досягає 2000С. Іонізація спричиняє світіння газів, відоме як полярне сяйво. Термосферу та екзосферу разом називають іоносферою.

6. Геокорона – умовно простягається до 20 000 км, далі атмосфера поступово переходить у міжпланетний космічний вакуум.

Хімічний склад атмосферного повітря

Речовини, які знаходяться у приземному шарі атмосфери (до 100 км висоти), вказані у таблиці 3.1. Вище за 400-500 км атмосфера містить речовину лише в атомарному стані. У повітрі є домішки токсичних газів природного походження з концентрацією в межах декількох мкг/м³: вулканічного, пожеж (SO₂, NH₃, HCl, CO, HF, CH₄), леткі продукти розкладу відмерлих організмів, продукти згоряння метеоритів, бризки від хвилювання морів. Основна маса повітря зосереджена до 6 км висоти; густина повітря з висотою швидко зменшується (1,033 на рівні моря, 0,319 на висоті 12 км, і 0,004 г/дм³ на висоті 40 км).

Таблиця 3.1.Склад природного атмосферного повітря, об’ємні %

Інгредієнт	Вміст	Інгредієнт	Вміст
N2	78,08	Rn	510-5
O2	20,95	SO2	110-4
H2O	3 – 4	H2S	110-4
Аг	0,934	NH3	110-4
СO2	3,310-2	О3	4,510-5
Ne	1,810-3	Xe	810-6
Не	510-4	NO	210-6
Кг	1 10-4	N2O	210-6
CH4	1,510-4	NO2	210-7
CO	110-4	J2	мікрокількості
H2	510-5	H C=O H	210-4

Фактори впливу на хімічний склад атмосфери

Сонячне випромінювання включає -випромінювання, рентгенівське, ультрафіолетове та видиме, інфрачервоне випромінювання, радіохвильове, але основна частка (44%) припадає на УФ і ІЧ ділянку спектру. Інтенсивність сонячного випромінювання на поверхню Землі становить 1,37 кВт/м².^. Під впливом сонячного випромінювання відбувається атомізація та іонізація молекул O₂ i N₂:

;

,

яка призводить як до утворення озону, так і до його руйнування:

.

У поглинанні інфрачервоного випромінювання значну роль відіграє пара води та СО₂, атмосфера нагрівається, змінюється її вологість.

Космічне випромінювання, космічні тіла. Радіоактивне випромінювання, яке потрапляє з космосу, взаємодіє зі складовими атмосфери і призводить до утворення нових радіоактивних ізотопів: та інших, що зумовлює радіоактивний фон атмосфери; відбувається збудження та іонізація атомів.

З метеоритного потоку потрапляють у верхні шари атмосфери нестійкі за звичайних умов частинки, які при сильному розрідженні досить стабільні: CN, CO, OH, NH, NH₃, H, O, Na, Fe, Ni, Cr, Cu, Mg, Ca. Якщо ж метеорит падає на землю, то розігрівається і вибухає. Випаровується як його речовина, так і речовина Землі, а пари потрапляють у атмосферу. В результаті випаровування та окиснення у пароподібний стан переходять оксиди SO₂, SO₃, SiO₂, CaO, Fe₂O₃, Al₂O₃, CO, CO₂, NO, NO₂, продукти перетворення СaSiO₃, H₂O₂, H₂S, S.

Радіоактивні ізотопи літосфери. У нижніх шарах атмосфери, міститься газоподібний радон ( ), важчий від повітря у 7,5 раз, на який припадає 6∙10^-12%. Він утворюється в результаті радіоактивного розпаду ²³⁸U та ²³²Th.

Геологічні процеси. Внаслідок землетрусів у атмосферу потрапляє велика кількість пилу, водяної пари, змінюються фізичні параметри повітря (температура, тиск). Викиди вулканів забруднюють атмосферу твердими аерозольними частинками оксидів та силікатів алюмінію, феруму, важких металів. Вулканічні гази містять багато токсичних речовин: CH₄, NH₃, H₂S, SO₂, SO₃, NO, NO₂. Підвищується температура атмосфери, деякі молекули іонізуються і взаємодіють між собою. З гейзерами потрапляють в атмосферу CO₂, H₂S, H₂, CH₄, NH₃, H₂SO₄, Cl₂, F₂.

Розклад органічних речовин. У результаті біохімічних процесів, що відбуваються з залишками органічних речовин біологічного походження в атмосферу потрапляють продукти їх розкладу, бродіння, гниття: CH₄, CO, CO₂, H₂S, (CH₃)₂S, J₂, N₂, NH₃, вуглеводні, спирти, кетони, альдегіди, кислоти, ефіри, сечовина. Деяка кількість органічних речовин самозаймається, виникають пожежі і в атмосферу потрапляють оксиди карбону, сульфуру.

Вплив кліматичних умов. На стан атмосфери впливає циркуляція повітряних мас. Вітри переносять речовини у повітрі далеко від джерела потрапляння, і таким чином забруднення розсіюється. Відсутність вітру призводить до локального концентрування забруднень. Сильні вітри піднімають в атмосферу пил. Якщо переміщення повітря відбувається вертикально (наприклад у циклонах), то і речовини переміщуються у вищі шари атмосфери. Атмосферні опади (дощ, сніг) вимивають з повітря аерозольні і пароподібні частинки, очищаючи його. В умовах забруднення повітря часто виникають смоги. Якщо вологість повітря велика, то до висоти 200 м утворюється вологий смог. При сухому і жаркому кліматі у застояному приземному повітрі виникає сухий смог – синювата димка. У дуже холодному кліматі пара утворює густий туман, який може містити забруднення.

Проблема озону. О₃ сильно поглинає ультрафіолетове випромінювання (максимум поглинання припадає на 255 нм). Основна маса озону знаходиться в стратосфері на висоті 20-50 км. У 1975-76 рр. встановлено зниження вмісту О₃ в озоновому шарі. З 1978 по 1990 рр. його кількість зменшилася на ~45%. В Антарктиді виявлено простір з пониженим вмістом озону на 50%. Ця „озонова діра” поступово зростає і на сьогодні більша за Антарктиду. „Озонову діру” виявлено і над островом Шпіцберген у північній півкулі включно з північчю Європи, Канади, Балтійським морем, північчю Сибіру до Уралу і Байкалу. Є різні гіпотези виникнення озонової „діри”. Одна із них – 11-річний цикл сонячної активності. Сонячне випромінювання призводить до накопичення оксидів нітрогену в атмосфері, які взаємодіють з озоном:

NO+O₃=NO₂+O₂,

O₃=O₂+O,

NO₂+O=NO+O₂,

O₃+O=2O₂.

Друга гіпотеза ґрунтується на інтенсивній взаємодії з озоном оксидів нітрогену та галогенпохідних вуглеводнів при сильному перемішуванні атмосфери. Найбільшу шкоду приносять фреони – хлорфторвуглеводні, які випаровуються в атмосферу (наприклад CFCl₃, CF₂ClBr). Фреони широко використовуються як холодоагенти, як аерозольні розбризкувачі в балонах з фарбами, парфумами, для очищення напівпровідникових схем, як газові вогнегасники. Щорічно в світі випускається 1,2-1,4 млн. т фреонів. Основними виробниками фреонів є США та Японія, а також Великобританія.

Руйнування озону пов’язане також з польотом надзвукових літаків, які викидають оксиди нітрогену.

Для людини фреони не шкідливі, проте можуть зберігатися в атмосфері 75-100 років. Пари фреонів у стратосфері під впливом УФ-випромінювання розпадаються, вивільняючи атоми галогену:

CF₃Br CF₃ + Br , CFCl₃ CFCl₂ + Cl .

Радикали галогенів є каталізаторами розкладу озону (один атом хлору розкладає до 100 тис. молекул О₃), причому радикали брому у 40 раз активніші ніж хлору:

Cl + O₃  ClO +O₂, Br + O₃  BrO +O₂,

ClO + O₃  ClО₂ +O₂, BrO + O₃  BrО₂ +O₂.

Природні гази

Вперше класифікацію природних газів ввів у 1917 р. В.І.Вернадський. Він поділяв гази на: вільні, у тому числі атмосфера; гази, поглинуті твердими гірськими породами; гази океанів.

Згідно наступних класифікацій гази поділяють на: атмосферні, земної поверхні, осадові гази (супутні до покладів кам’яного вугілля, нафти).

За генетичними ознаками гази поділяють на хемогенні, радіогенні, біогенні, утворені в результаті радіоактивних перетворень.

Окремо класифікують природні горючі гази. Основними у класифікаціях є поділ газів за вмістом насичених вуглеводнів, беручи до уваги вміст метану, етану, пропану, бутану та ізобутану. Класифікують гази за вмістом невуглеводневих компонентів: нітрогену, сульфуру (H₂S), СО₂, гелію. Розрізняють поклади супутніх газів за вмістом рідких вуглеводнів (переважно стосується покладів нафти).

Забруднювачі атмосфери

Речовини, які потрапляють в атмосферу в результаті антропогенної і техногенної діяльності людини, називають первинними забруднювачами.

Щороку в атмосферу потрапляє величезна кількість різноманітних токсичних речовин (табл.3.2), біля 1 км³ аерозольних часточок, які утворюють стійкі зависі і містять оксиди більшості важких металів, сажу, пил цементу, вуглеводні. Загальна маса промислово-побутових викидів становить за рік 600 Гт. За останні 100 років в атмосферу потрапило 1,35 Мт силіцію, 1,5 Мт арсену, 1Мт нікелю і кобальту, 0,6 Мт цинку і стибію. Атмосфера є багатокомпонентною системою з речовинами різного вмісту і різної стійкості, змінюється фізичний стан атмосфери. На газоподібні речовини припадає 90% викидів.

При згорянні палива виділяються оксиди карбону, нітрогену, сульфуру (особливо при спалюванні мазуту), залишки вуглеводнів (метан, етилен, ацетилен), альдегіди, феноли, карбонові кислоти, сажа, а іноді і радіоактивні елементи.

Оксиди нітрогену (щороку викидається до 15-20 Мт NO₂), карбону, які утворюються в двигунах внутрішнього згоряння, залишки вуглеводнів, сполуки плюмбуму потрапляють з викидами автомобільного транспорту. Автомобіль на 1 км пробігу викидає 30 г СО, 4 г NO і NO₂, 2 г вуглеводнів. Найбільше забруднення спостерігається при швидкому розгоні (NO), при частому гальмуванні та нейтральному ході (СО, вуглеводні). Оксиди сульфуру та нітрогену у вологій атмосфері спричинюють виникнення „кислотних” дощів:

SO₂+H₂O H₂SO₃;

2SO₂+O₂ 2SO₃;

у вологій атмосфері: SO₂+NO₂+H₂OH₂SO₄+NO.

Утворені SO₂ та H₂SO₄ прискорюють корозію металевих конструкцій.

На автомобільний транспорт припадає 50% викидів органічних речовин. При неповному згорянні пального утворюються канцерогенні речовини, особливо в дизельних двигунах. Дуже небезпечним є викид акролеїну. У викидах і в продуктах згоряння міститься дуже токсичний 3,4-бензпірен, озон, пероксиди.

При спалюванні на сміттєзвалищах крім зазначених газів виділяються сажа, метан, хлориди, фосфін, леткі залишки органічних сполук. Викиди промислових підприємств дуже різноманітні, крім зазначених речовин, виділяються аерозолі важких металів та їх сполук.

Джерелом забруднення повітря є видобування корисних копалин відкритим способом, особливо коли це супроводжується вибухами.

У зонах великих міст та промислових виробництв міститься велика кількість газів антропогенного походження: NO₂, SO₂, CO₂, NH₃, H₂S, Cl₂, Br₂, HF, HCl, AsH₃, PH₃, галогенорганічних сполук, альдегідів, спиртів, кетонів, аміно- і нітросполук, ароматичних, сульфуровмісних сполук, пестицидів. Ще одним джерелом потрапляння речовин у атмосферу є викиди після аварій.

Біогенних елементів та мікроелементів у повітрі, а також в опадах дуже мало. Це слід враховувати, коли аналізують атмосферні опади та сніг. При вивітрюванні осадових і вулканічних порід, в результаті виробничої діяльності щороку у повітря виділяється до 12 тис.т Hg. Концентрація плюмбуму, який потрапляє в атмосферу з вулканічних викидів, пожеж, викидів промисловості, в дощовій воді становить 1-6 мкг/л. Об’єм атмосферного викиду кадмію становить щороку 1,7-8,6 тис.т. Радіоактивний пил і аерозолі з повітря випадають на поверхню Землі переважно на 45 широти у північній півкулі. Найчастіше це ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs і найнебезпечніший, бо хімічно токсичний, ²³⁹Pu.

Таблиця 3.2 Антропогенне забруднення атмосфери, млн.т/рік

Речовина	Величина викиду	Тривалість перебування в атмосфері
CO2	>3∙104	8 років
СО	380	0,1-3 роки
Метали	600	3 роки
NO2	100	5 днів
SO2, SO42-	150	5 днів
H2S	70	0,5 днів
Вуглеводні	1	різна
NH3	4	1-5 днів
Фреони	1,0	30-70 років

Військова діяльність, яка супроводжується вибухами і пострілами, призводить до потрапляння в атмосферу твердих аерозольних часточок, серед яких сполуки плюмбуму, берилію, хлорорганічні речовини, фториди, діоксин, несиметричний диметилгідразин (CH₃)₂N–NH₂ (гептил), радіоактивні ізотопи урану, плутонію.

Дуже небезпечними є викиди твердих аерозолів, серед яких сажа (500 Мт в рік), що діє на органи дихання, поглинає сонячну енергію; цемент (з викидами втрачається до 3% виробленої продукції); в індустріальних районах в атмосфері містяться силікати, оксиди феруму та інших металів.

Повітря виробничої зони

Виробнича зона – простір висотою до 2 м над поверхнею, на якій перебувають працівники. Це або постійне робоче місце, або місце перебування працівників протягом 50% часу роботи.

Перетворення забруднювачів у повітрі

Повітря містить одночасно декілька забруднювачів, одні з яких стійкі, інші лабільні. Якщо навіть кожен з них має концентрацію, меншу за граничнодопустиму і є нешкідливий, то сумарний вплив може мати таку дію, як дія речовини з перевищеним допустимим вмістом. Це явище називають ефектом сумації шкідливої дії речовин. Наприклад ефект сумації мають ацетон та фенол, фталевий ангідрид, оксиди нітрогену та сполуки хлору, аерозолі V₂O₅ та MnO₂ або Cr₂O₃ чи SO₂. Для деяких речовин (HF та фториди; бутилакрилат та метилметакрилат) притаманний ефект потенціювання – взаємне підсилення впливу двох або більше речовин у довкіллі, при якому сумарний ефект впливу перевищує суму ефектів, що виникають при дії окремо кожної з цих речовин (явище синергізму).

З табл. 3.2 видно, що надзвичайно стійкими є хімічно інертні фреони, хлоровмісні пестициди. Фреони є одною з причин виникнення парникового ефекту. Стійкими є СО₂, СН₄ (стійкий до 3 років), СО; NH₃, SO₂, можуть бути незмінними від 2 до 5 днів; H₂S – малостійкий. Нестійкі речовини взаємодіють між собою, вступають у різноманітні реакції між собою, часто під впливом радіоактивного та ультрафіолетового випромінювання – так виникають вторинні забруднювачі.

Нижче наведено деякі приклади перетворень речовин у повітрі.

1. Оксиди нітрогену і сульфуру під впливом ультрафіолетового випромінювання окиснюються, потім взаємодіють з вологою і утворюють аерозолі кислот

2NO + O₂ 2NO₂, 2SO₂ + O₂ 2SO₃,

4NO₂ + O_{2 +} 2H₂O  4HNO₃, SO₃ + H₂O  H₂SO₄,

що призводить до випадання „кислотних” дощів. Утворені кислоти можуть вступати у взаємодію і з іншими речовинами:

з газами: C₂H₆ + HNO₃ C₂H₅-NO₂ + H₂O,

NH₃+ H₂SO₄  NH₄HSO₄,

H₂SO₄ + 3H₂S  4S + 4H₂O;

з аерозолями: 2NaCl + H₂SO₄  Na₂SO₄+ 2HCl.

2. Аміак у викидах, крім взаємодії з кислотами, окиснюється до N₂ i NO; гідроген сульфід окислюється до SO₂.

3. Якщо в атмосфері є аерозольні часточки оксидів металів, сажі, то вони за участю оксидів карбону, сульфуру перетворюються в солі:

CaO + CO₂ CaCO₃,

CuO + H₂S  CuS + H₂O,

С + 2H₂SO₄  CO₂ + 2SO₂ + 2H₂O.

4. Під впливом УФ-випромінювання NO₂розкладається у повітрі.

NO₂ NO+O.

Утворений радикал оксигену O вступає у взаємодію з вуглеводнями, утворюючи пероксиацетилнітрат (ПАН):

O+O₂O₃,

O+С_xН_yНСО, RCO,

RCO+O₂RCO₃,

RCO₃+O₂RCO₂+O₃;

О

RCO₃+NO₂RС-O-О-NO₂  R-О-NO₂+CO.

(ПАН)

У взаємодію вступає також NO, який зокрема руйнує озон:

C₂H₆+NO+2O₂CH₃CO-O-NO₂+H₂O,

CH₃CO-O-NO₂  CH₃-O-NO₂+ CO,

NO+O₃ NO₂+O₂.

Так утворюється смог коричнюватого кольору, який містить пероксиацетилнітрати, нітроефіри, оксиди нітрогену, СО.

Подібно відбувається перетворення під впливом космічного випромінювання або каталітичної дії важких металів.

5. Атомарний оксиген О, утворений при фотохімічному розкладі NO₂, спричиняє взаємодію з вуглеводнями, утворюючи альдегіди:

О + O₂ O₃,

6. Фреони та хлорорганічні пестициди фотолітично розкладаються з утворенням оксидів хлору. Оксиди хлору і хлор утворюються також при згорянні ракетного палива. Одержані оксиди хлору окиснюються озоном, як було показано вище. Таким чином дія оксидів хлору та NO спричиняє руйнування озону.

Класифікація забруднювачів повітря

1. Основні забруднювачі: CO, SO₂, NO, NO₂, С_хН_у, тверді природні речовини.

2. Поліциклічні ароматичні сполуки .

3. Метали, серед яких важкі (всього близько 60): As, Be, Cd, Pb, Mg, Cr, Ba, Hg, Bi, Co, Cu, Fe, Mn, Sb, Mo, Ni, Se, Te, Tl, Sn, Ti, U, V, Zn, Zr); неметали (F, Br, Cl).

4. Стійкі гази: CO₂, СН₃СІ, СС1₄, CCl₂F₂.

5. Пестициди.

6. Абразивні тверді: SiО₂, азбест.

7. Інші різноманітні речовини: нітрозоаміни, поліхлорвінілові, О₃, SO₄^2-, NО₃^-, R-CO-H, R’-CO-R.

Викиди у повітря складаються на 90% з газів (оксиди карбону, нітрогену, сульфуру, органічні речовини), на 10% з твердих речовин (розпилені метали, пил, радіоактивні речовини, органічні сполуки) та до 1% з рідин. Тверді речовини і рідини утворюють аерозолі, тривалість існування яких у повітрі залежить від дисперсності частинок та переміщень повітря. Аерозолі є центрами конденсації вологи у повітрі, які за розмірами (радіус, см) поділяються на:

• <210^-5 – найменші, частки Айткена;

• 210^-5-110^-4 – великі;

• >110^-4 – гігантські.

Найбільша кількість аерозолів міститься у повітрі над сушею промислових районів, а найменше в гірських районах. Основна маса речовин, які випадають з опадами, міститься в аерозолях. Кислотними вважаються опади, рН яких меншим за 5,6.

Антропогенні викиди спричинюють зміну фізичних властивостей повітря. Так, СО₂ не поглинає короткохвильового сонячного випромінювання і поверхня Землі нагрівається. Нагріта поверхня випромінює інфрачервоне випромінювання, яке поглинає СО₂, температура в нижніх шарах атмосфери підвищується. З іншого боку сажа в складі пилу добре поглинає сонячне випромінювання, що призводить до охолодження задимлених територій. Викиди в атмосферу викликають зміну кліматичної ситуації міст. Найбільше забруднення спричинене спалюванням твердого палива. Цікаво, що з космосу в екологічно чистому місці можна побачити машину на дорозі, але нічого не можна розрізнити в місті – все покрите туманом. У місті завжди вищі температури. Забудова у місті веде до зміни напрямку вітру. Між будинками виникає протяг і сюди стягається забруднене повітря, а на озеленених територіях швидкість вітру значно менша і особливо при землі. Тому в місті формуються димка, туман, смоги.

Димка містить обводнені частинки, видимість у ній 1-10 км.

Туман теж містить обводнені частинки, рідкі аерозолі. Видимість в тумані менша за 1 км. У тумані вологість досягає 100%. Смог містить пероксиацетилнітрати (ПАН), утворені під дією сонячної радіації, та NO₂ коричневого кольору, тверді частинки. Вологість у смогу невисока. Смоги переважають у містах гарячої зони зі значною сонячною радіацією.

Атмосферні опади також над різними частинами міста неоднакові. Забруднення, які потрапляють в атмосферу, поширюються в ній під впливом перенесення повітряними потоками, турбулентним обміном – невпорядкованим рухом повітря, ламінарним – рухом по плавних паралельних траєкторіях, захопленням частинок хмарами чи туманами із наступним вимиванням опадами. Внаслідок таких рухів концентрація забруднень зменшується з висотою за гіперболічною залежністю.