Влияние автомобмлмзации на окружающую среду

1) углеродсодержащие вещества – продукты полного и неполного сгорания топлива (СО2, CO, углеводороды, в том числе полициклические ароматические, сажа);

2) вещества, механизм образования которых непосредственно несвязан с процессом сгорания топлива (оксиды азота – по термическому механизму);

3) вещества, выброс которых связан с примесями, содержащимися в топливе (соединения серы, свинца, других тяжелых металлов), воздухе (кварцевая пыль, аэрозоли), а также образующимися в процессе износа деталей (оксиды металлов).

Рассмотрим подробнее механизмы образования тех из веществ, содержание которых в отработавших газах двигателей нормируется или предполагается нормировать в будущем.

Монооксид углерода СО – образуется при сгорании углеводородного топлива с некоторым недостатком воздуха, а также при диссоциации СО2 (при температурах более 2000 К). Образование СО является одним из принципиально возможных направлений реакций в механизме горения (окисления) углеводородов.

Диоксид углерода СО2 является не токсичным, но вредным веществом в связи с фиксируемым повышением его концентрации в атмосфере планеты и его влиянием на изменение климата. Несмотря на постоянно предпринимаемые шаги по регламентированию его выброса объектами энергетики, промышленности и транспорта, концентрация диоксида углерода имеет общую тенденцию к росту.

Углеводороды СХНУ – образуются в результате реакций цепочно-теплового взрыва – пиролиза и синтеза (альдегиды, полициклические ароматические углеводороды – ПАУ, фенолы); а также неполноты сгорания топлива в результате нарушения процесса горения. Это происходит из-за прекращения реакций окисления углеводородов при низких температурах, неоднородности топливовоздушной смеси, пропусков зажигания в отдельных циклах или цилиндрах двигателя (несгоревшие компоненты топлива и масла).

Наиболее токсичными из углеводородов являются ПАУ. Современный мониторинг загрязнения компонентов биосферы ориентирован только на одно соединение – бенз(а)пирен, на самом деле имеются сведения о том, что в выхлопных газах автомобильных двигателей присутствуют до 150 представителей ПАУ, их замещенных производных и гомологов. При этом пирена и флуорена содержится в десятки раз больше, чем бенз(а)пирена. Для легковых автомобилей это соотношение может достигать 25, а для дизельных двигателей – 50. Содержание  
1,12-бензперилена, коронена и тетрафена также превышает содержание бенз(а)пирена более чем в 10 раз. В городах с интенсивным автомобильным движением присутствуют и другие характерные ПАУ: хризен, 3,4-бензфенантрен, циклопента (cd)пирен, бензнафтотиофен (Майстренко и др., 1996).

В присутствии оксидов азота ПАУ образуют другие канцерогенные нитропроизводные. Исследования показали, что образование нитросоединений зависит от концентрации NOх, в атмосфере и температуры. Кроме того, ПАУ реагируют с сильными окислителями, например с озоном.

В городском воздухе ПАУ адсорбированы в основном с частицами сажи. В таком состоянии ПАУ длительно существуют во времени и переносятся на большие расстояния (аэрогенная миграция).

В водных экосистемах, вблизи которых находятся автомобильные дороги, ПАУ накапливаются в донных отложениях и способны оказывать негативное воздействие на водные организмы. Так как ПАУ обладают высоким сродством к липопротеидам, они накапливаются в репродуктивных органах рыб, что оказывает влияние на их воспроизводство.

Твердые частицы включают нерастворимые (твердый углерод, оксиды металлов, диоксид кремния, сульфаты, нитраты, асфальтены, соединения свинца) и растворимые в органических растворителях вещества (смолы, фенолы, альдегиды, лак, нагар, тяжелые фракции, содержащиеся в топливе и масле). Твердые частицы в отработавших газах дизелей состоят на 68–75 % из нерастворимых веществ, на 25–32 % – из растворимых.

Твердый углерод (сажа) является основным компонентом нерастворимых твердых частиц. Образуется при объемном пиролизе (термическом разложении углеводородов в газовой или паровой фазе при недостатке кислорода).

В отрегулированных двигателях с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием (бензиновых, газовых) вероятность появления зон с низкой концентрацией кислорода незначительна. У дизелей локальные переобогащенные топливом зоны образуются чаще и в полной мере способствуют процессам сажеобразования. Поэтому выбросы сажи с отработавшими газами у дизелей больше, чем у двигателей с искровым зажиганием (табл. 2). Образование сажи зависит от свойств топлива: чем больше отношение С/Н в топливе, тем выше выход сажи. В состав твердых частиц кроме сажи входят соединения серы, свинца. 

 

Таблица 2

Состав отработавших газов разных двигателей 

 

Вещество	Объемная доля, %
	Бензиновый двигатель	Дизельный двигатель
О2 СО2 Н2О N2 NOХ, мг/м3 СО СХНУ Альдегиды SOХ, мг/м3. Сажа, мг/м3 Бенз(а)пирен, мкг/м3	0,05–8,0 5–12,5 3–13 74–77 0,05–0,5 0,1–10 0,2–2,0 0–0,2 0,003 До 100 25	2,0–18,0 1–12 0,5–10 76–78 0,1–1,0 0,01–0,5 0,01–0,5 0–0,05 0,015* До 20 000* 10

Сера, содержащаяся в моторном топливе, во время горения интенсивно окисляется в SO2 по механизму, схожему с механизмом образования СО. Диоксид серы может окисляться (с существенно меньшей скоростью) до SОз по уравнению

SO2 + 0,5O2 = SO3.

Далее происходит реакция SОз с парами воды, приводящая к образованию Н2SО4, которая протекает на стенках при температуре ниже 815 К.

Свинец в составе твердых частиц (из-за использования этилированных бензинов) присутствует в виде соединений галогенидов свинца, которые образуются по сходному механизму образования сажи.

Оксиды азота NOх представлены следующими соединениями азота: N2O, NO, N2O3, NO2, N2O4 и N2O5. Преобладает NO (99 % в бензиновых двигателях и более 90 % в дизелях). В камере сгорания NO может образовываться:

1) при высокотемпературном  окислении азота воздуха (термический NO);

2) в результате  низкотемпературного окисления  азотсодержащих соединений топлива (топливный NO), к ним относятся амины, пиридин и карбазол;

3) при столкновении углеводородных радикалов с молекулами азота в зоне реакций горения при наличии пульсаций температуры (быстрый NO).

В камерах сгорания доминирует термический NO, образующийся из молекулярного азота во время горения бедной топливо-воздушной смеси и смеси, близкой к стехиометрической.

Азотсодержащие составляющие топлива являются важными источниками образования NO при температурах 1300–1400 К, так как на это требуется меньше энергии, чем на разрушение связей молекулярного азота. Кроме того, эти вещества легче вступают в реакции окисления, чем атмосферный азот. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Дорожно-транспортная сеть

Опережающие темпы роста численности автомобильного парка по сравнению с темпами роста протяженности дорог общего пользования, усугубляемые неравномерным распределением транспортных потоков на сети, способствовали в последние годы росту негативного воздействия транспорта на проживающее вблизи автомагистралей население и придорожные экосистемы.

Даже если стремиться к достижению международных стандартов по уровню автомобилизации (не менее одного автомобиля в семье) и созданию опорной сети дорог с твердым покрытием между всеми крупными населенными пунктами, регионами (это около 1,1–1,5 млн. км), то тенденция опережающего роста численности парка машин по сравнению с приростом протяженности дорог сохранится и в последующие годы.  
Это значит, роль автотранспорта в качестве важного фактора, воздействующего на природные комплексы, будет сохраняться.

Воздействие дорожно-транспортной системы можно рассматривать в качестве мощного фактора, оказывающего прямое и косвенное влияние на стабильность разных компонентов биосферы: прямое – загрязнение атмосферы, преобразование наземных экосистем; косвенное – загрязнение водных экосистем, в форме поступления загрязняющих веществ из атмосферы и с поверхностным стоком с придорожных ландшафтов, вблизи мостовых переходов, подводных трубопроводов и др.

Влияние на окружающую среду дорожной сети как совокупности инженерных сооружений проявляется постепенно. Однако эта группа воздействий опасна своими последствиями. Постоянный рост сети автомобильных дорог общего пользования вызывает деградацию природных экосистем.

В настоящее время дорожная сеть России и объекты транспортной инфраструктуры оказывают негативное влияние на окружающую среду на площади более 15 млн. га. Зона влияния дороги на параметры окружающей среды в зависимости от интенсивности движения и при отсутствии лесонасаждений составляет 95–214 м. При наличии лесонасаждений ширина полосы избыточного загрязнения сокращается до 75–154 м (данные ГипродорНИИ).

Оседающие на покрытии автодорог и в придорожной полосе пыль, продукты износа покрытий, шин и тормозных накладок, топливно-смазочные, антигололедные и другие материалы приводят к чрезмерному насыщению вод поверхностного стока и почвы взвесями, нефтепродуктами, солями, химическими веществами, которые затем попадают в водотоки. Почти 2 тыс. т асбеста, 50 тыс. т резиновой пыли, 2 тыс. т соединений свинца и других тяжелых металлов ежегодно оседают в придорожной полосе на расстоянии до 30 м и уносятся поверхностным стоком в водоемы.

Гололед. Большой вред зеленым насаждениям, растущим вдоль автомагистралей, особенно в городе наносится в зимнее время во время гололеда. Деревья погибают от высокой «солевой» нагрузки. Так, предельно допустимые нормы калия в придорожном снегу на некоторых улицах при их обработке солью, бывают превышены более чем в 40 раз, хлоридов – в 50 раз, натрия – в 60 раз. После такой нагрузки происходит засоление почвы, что приводит к существенному изменению, не только ее физико-химических показателей, но и к гибели растительности, включая крупные деревья. Так, в Москве весной 1996 г. погибло около  
250 тыс. деревьев, росших вдоль магистралей (Протасов, 2000). По статистическим данным, в РФ средний сброс хлоридов со стоками и снегом за пределы дорог составляет около 500 тыс. т в год.

Пыль. Автодороги являются одним из источников образования пыли в приземном атмосферном слое. При движении автомобилей происходит истирание дорожных покрытий и автомобильных шин, продукты износа которых смешиваются с твердыми частицами отработавших газов. К этому добавляется грязь, занесенная на проезжую часть с прилегающего к дороге почвенного слоя. В результате образуется пыль, в сухую погоду поднимающаяся над дорогой в воздух. Она может переноситься ветром на расстояния от нескольких до сотен километров.

Химический состав и количество пыли зависят от материалов дорожного покрытия. Наибольшее количество пыли создается на грунтовых и гравийных дорогах. Дороги с покрытием из зернистых материалов (гравийные) образуют пыль, состоящую, в основном, из диоксида кремния. На грунтовых дорогах пыль состоит на 90 % из кварцевых частиц, остальную долю составляют оксиды алюминия, железа, кальция.

Валовый выброс пыли на автомобильных дорогах без капитального покрытия (грунтовые общего пользования, гравийные, щебеночные) составляет свыше 56 тыс. т в год. На дорогах с асфальто-бетонным покрытием в состав пыли дополнительно входят продукты износа вяжущих битумсодержащих материалов, частицы краски или пластмассы от линий разметки дороги на полосы. Пыль создает предпосылки возникновения дорожно-транспортного происшествия в момент начала дождя.  
Мелкие сухие частицы пыли насыщены воздухом и не сразу пропитываются влагой. Поэтому первые капли дождя не смачивают частицы пыли, и пока дождь не усилится, они не смываются с дороги. В результате образуется грязь, и коэффициент сцепления шин с дорогой резко снижается. Торможение в таких условиях может привести к блокировке колес, заносу и вызвать ДТП.

Экологические последствия запыленности отражаются на людях, находящихся вблизи от дороги, водителях и пассажирах транспортных средств, которые вместе с воздухом вдыхают огромное количество пылевидных частиц, нанося вред здоровью.

Пыль оседает также на растительности и обитателях придорожной полосы. Леса и лесопосадки вдоль дорог угнетаются. Сельскохозяйственные культуры, посаженные вблизи дорог, накапливают вредные вещества, содержащиеся в пылевых выбросах и отработавших газах, в том числе полициклические ароматические углеводороды и ионы тяжелых металлов.

Эти загрязнения попадают и в прилегающие водоемы, действуя отрицательно на растительность, рыб и других гидробионтов, а также накапливаются в донных отложениях, влияя на бентосные сообщества. Туда же попадает поверхностный сток с автодорог, содержащий хлориды и другие противогололедные реагенты.

Антропогенная нагрузка дорожной сети проявляется также в распашке кормовых угодий; вырубке лесов; осушении территории; добыче полезных ископаемых; ландшафтных нарушениях. Изменяется транспортная доступность и пространственная конфигурация местных путей сообщения, условия сохранения памятников истории, культуры, археологии (при наличии). Но эти вопросы методически проработаны недостаточно. Поэтому конкретных рецептов учета воздействия дорожной сети на окружающую среду очень мало.

Автомобильная дорога оказывает воздействие на все компоненты биосферы, преобразуя ландшафты – влияет на биогеоценозы и их биологическое разнообразие, изменяет гидрологический режим рек в местах вырубки леса, химический состав поверхностного стока вблизи магистралей и мостовых переходов, вызывает целый ряд биосферных преобразований (табл. 3).