Экология. Загрязнение атмосферы Земли

    Время «жизни»  газов и аэрозолей в атмосфере  колеблется в очень  широком диапазоне (от 1 – 3 минут до нескольких месяцев) и зависит в основном от  их химической устойчивости размера (для аэрозолей)  и  присутствия  реакционно- способных компонентов (озон, пероксид водорода и др.).    

Оценка и тем более прогноз состояния приземной атмосферы являются очень

сложной проблемой.  В  настоящее  время  ее  состояние  оценивается  главным образом  по  нормативному  подходу.  Величины  ПДК  токсических   химических веществ и  другие  нормативные  показатели  качества  воздуха  приведены  во многих справочниках и руководствах. В таком  руководстве  для  Европы  кроме токсичности загрязняющих веществ (канцерогенное, мутагенное,  аллергенное  и другие  воздействия)  учитываются  их  распространенность  и  способность  к аккумуляции в организме человека и  пищевой  цепи.  Недостатки  нормативного подхода – ненадежность принятых значений  ПДК  и  других  показателей  из-за слабой  разработанности  их  эмпирической  наблюдательной  базы,  отсутствие

учета совместного воздействия загрязнителей  и  резких  изменений  состояния приземного слоя атмосферы во времени  и  пространстве.  Стационарных  постов наблюдения за  воздушным  бассейном  мало,  и  они  не  позволяют  адекватно оценить его состояние в крупных промышленно –  урбанизированных  центрах.  В качестве  индикаторов  химического   состава   приземной   атмосферы   можно использовать хвою, лишайники,  мхи.  На  начальном  этапе  выявления  очагов радиоактивного загрязнения, связанных  с  чернобыльской  аварией,  изучалась хвоя сосны, обладающая способностью накапливать радионуклиды, находящиеся  в воздухе. Широко известно покраснение игл хвойных деревьев в  периоды  смогов в городах.

    Наиболее чутким  и надежным индикатором  состояния  приземной  атмосферы является   снеговой   покров,   депонирующий   загрязняющие   вещества    за сравнительно   длительный   период   времени   и   позволяющий    установить местоположение  источников  пылегазовыбросов  по  комплексу  показателей.  В снеговых  выпадениях  фиксируются  загрязнители,  которые  не   улавливаются прямыми измерениями или расчетными данными по пылегазовыбросам.

    К  перспективным  направлениям  оценки  состояния  приземной  атмосферы крупных промышленно – урбанизированных территорий  относится  многоканальное дистанционное  зондирование.  Преимущество  этого   метода   заключается   в способности быстро, неоднократно и в «одном ключе» охарактеризовать  большие площади. К  настоящему  времени  разработаны  способы  оценки  содержания  в атмосфере  аэрозолей.  Развитие  научно-технического   прогресса   позволяет надеяться на выработку таких способов  и  в  отношении  других  загрязняющих

веществ.

    Прогноз состояния  приземной  атмосферы  осуществляется  по  комплексным данным. К ним прежде всего относятся результаты  мониторинговых  наблюдений, закономерности миграции и трансформации загрязняющих  веществ  в  атмосфере, особенности  антропогенных  и  природных  процессов  загрязнения  воздушного бассейна изучаемой территории, влияние  метеопараметров,  рельефа  и  других факторов на распределение загрязнителей в  окружающей  среде.  Для  этого  в

отношении конкретного региона разрабатываются эвристичные  модели  изменения приземной атмосферы во времени и пространстве. Наибольшие успехи  в  решении этой сложной проблемы достигнуты  для  районов  расположения  АЭС.  Конечный результат  применения  таких   моделей   –   количественная   оценка   риска загрязнения воздуха и  оценка  его  приемлемости  с  социально-экономической точки зрения. [2.]

1.2. Химическое загрязнение атмосферы

Основные загрязняющие вещества Свой контрольную я начну с обзора тех факторов, которые приводят к ухудшению состояния одной из важнейших составляющих биосферы - атмосферы . Человек загрязняет атмосферу уже тысячелетиями, однако последствия употребления огня, которым он пользовался весь этот период, были незначительны. Приходилось мириться с тем, что дым мешал дыханию и что сажа ложилась черным покровом на потолке и стенах жилища. Получаемое тепло было для человека важнее, чем чистый воздух и незаконченные стены пещеры. Это начальное загрязнение воздуха не представляло проблемы, ибо люди обитали тогда небольшими группами, занимая неизменно обширную нетронутую природную среду. И даже значительное сосредоточение людей на сравнительно небольшой территории, как это было в классической древности, не сопровождалось еще серьезными последствиями. Так было вплоть до начала девятнадцатого века. Лишь за последние сто лет развитие развитие промышленности "одарило" нас такими производственными процессами, последствия которых вначале человек еще не мог себе представить. Возникли города-миллионеры, рост которых остановить нельзя. Все это результат великих изобретений и завоеваний человека. В основном существуют три основных источника загрязнения атмосферы: промышленность, бытовые котельные, транспорт. Доля каждого из этих источников в общем загрязнении воздуха сильно различается в зависимости от места. Сейчас общепризнанно, что наиболее сильно загрязняет воздух промышленное производство. Источники загрязнений - теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ; металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, которые выбрасывают в воздухоксилы азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка; химические и цементные заводы. Вредные газы попадают в воздух в результате сжигания топлива для нужд промышленности, отопления жилищ, работы транспорта, сжигания и переработки бытовых и промышленных отходов. Атмосферные загрязнители разделяют на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом превращения последних. Так, поступающий в атмосферу сернистый газ окисляется до серного ангидрида, который взаимодействует с парами воды и образует капельки серной кислоты. При взаимодействии серного ангидрида с аммиаком образуются кристаллы сульфата аммония. Подобным образом, в результате химических, фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы, образуются другие вторичные признаки. Основным источником пирогенного загрязнения на планете являются тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия, котельные установки, потребляющие более 170% 0ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива. Основными вредными примесями пирогенного происхождения являются следующие: _ 3а) Оксид углерода . 0. Получается при неполном сгорании углеродистых веществ. В воздух он попадает в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодно этого газа поступает в атмосферу не менее 1250 млн.т. 0Оксид углерода является соединением, активно реагирующим с составными частями атмосферы и способствует повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта. _ 3б) Сернистый ангидрид. . 0Выделяется в процессе сгорания серосодержащего топлива или переработки сернистых руд (до 170 млн.т. в год). Часть соединений серы выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах. Только в США общее количество выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида составило 65 процентов от общемирового выброса. _ 3в) Серный ангидрид. Образуется при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий отмечается при низкой облачности и высокой влажности воздуха. Листовые пластинки растений, произрастающих на расстоянии менее 11 км. от таких предприятий, обычно бывают густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшихся в местах оседания капель серной кислоты. Пирометаллургические предприятия цветной и черной металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу 1десятки миллионов тонн серного ангидрида. _ 3г) Сероводород и сероуглерод. Поступают в атмосферу раздельно или вместе в другими соединениями серы. Основными источниками выброса являются предприятия по изготовлению искусственного волокна, сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному окислению до серного ангидрида. _ 3д) Оксиды азота. .Основными источниками выброса являются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид. Количество оксидов азота, поступающих в атмосферу, составляет 20 млн.т. в год. _ 3е) Соединения фтора. Источниками загрязнения являются предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений. Фторсодержащие вещества поступают в атмосферу в виде газообразных соединений - фтороводорода или пыли фторида натрия и кальция. Соединения характеризуются токсическим эффектом. Производные фтора являются сильными инсектицидами. _ 3ж) Соединения хлора. Поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих соляную кислоту, хлорсодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере встречаются как примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты. Токсичность хлора определяется видом соединений и их концентрацией. В металлургической промышленности при выплавке чугуна и при переработке его на сталь происходит выброс в атмосферу различных тяжелых металлов и ядовитых газов. Так, в расчете на 11 т. 0передельного чугуна выделяется кроме 12,7 кг. 0сернистого газа и 14,5 кг. 0пылевых частиц, определяющих количество соединений мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, паров ртути и редких металлов, смоляных веществ и цианистого водорода. Аэрозольное загрязнение атмосферы 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. Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с водяным паром. Средний размер аэрозольных частиц составляет 11-5 1мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает около 11 куб.км. 0пылевидныхчастиц искусственного происхождения. Большое количество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельности людей. Сведения о некоторых источниках техногенной пыли приведены ниже: Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще всего в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода, реже - оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест. Еще большее разнообразие свойственно органической пыли, включающей алифатические и ароматические углеводороды, соли кислот. Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях. Постоянными источниками аэрозольного загрязнения являются промышленные отвалы - искусственные насыпи из переотложенного материала, преимущественно вскрышных пород, образуемых при добыче полезных ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности, ТЭС. Источником пыли и ядовитых газов служат массовые взрывные работы. Так, в результате одного среднего по массе взрыва ( 1250-300 тонн взрывчатых веществ) в атмосферу выбрасывается около 12 тыс.куб.м. условного оксида углерода и более 1150 т. пыли. Производство цемента и других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью. Основные технологические процессы этих производств - измельчение и химическая обработка шихт, полуфабрикатов и получаемых продуктов в потоках горячих газов всегда сопровождается выбросами пыли и других вредных веществ в атмосферу. К атмосферным загрязнителям относятся углеводороды - насыщенные и ненасыщенные, включающие от 11 до 13 атомов углерода. Они подвергаются различным превращениям, окислению, полимеризации, взаимодействуя с другими атмосферными загрязнителями после возбуждения солнечной радиацией. В результате этих реакций образуются перекисные соединения, свободные радикалы, соединения углеводородов с оксидами азота и серы часто в виде аэрозольных частиц. При некоторых погодных условиях могут образовываться особо большие скопления вредных газообразных и аэрозольных примесей в приземном слое воздуха. Обычно это происходит в тех случаях, когда в слое воздуха непосредственно над источниками газопылевой эмиссии существует инверсия - расположения слоя более холодного воздуха под теплым, что препятствует воздушных масс и задерживает перенос примесей вверх. В результате вредные выбросы сосредотачиваются под слоем инверсии, содержание их у земли резко возрастает, что становится одной из причин образования ранее неизвестного в природе фотохимического тумана.          Фотохимический туман (смог)      

Фотохимический туман представляет собой многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц первичного и вторичного происхождения. В состав основных компонентов смога входят озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические соединения перекисной природы, называемые в совокупности фотооксидантами. Фотохимический смог возникает в результате фотохимических реакций при определенных условиях: наличии в атмосфере высокой концентрации оксидов азота, углеводородов и других загрязнителей, интенсивной солнечной радиации и безветрия или очень слабого обмена воздуха в приземном слое при мощной и в течение не менее суток повышенной инверсии. Устойчивая безветренная погода, обычно сопровождающаяся инверсиями, необходима для создания высокой концентрации реагирующих веществ. Такие условия создаются чаще в июне-сентябре и реже зимой. При продолжительной ясной погоде солнечная радиация вызывает расщепление молекул диоксида азота с образованием оксида азота и атомарного кислорода. Атомарный кислород с молекулярным кислородом дают озон. Казалось бы, последний, окисляя оксид азота, должен снова превращаться в молекулярный кислород, а оксид азота - в диоксид. Но этого не происходит. Оксид азота вступает в реакции с олефинами выхлопных газов, которые при этом расщепляются по двойной связи и образуют осколки молекул и избыток озона. В результате продолжающейся диссоциации новые массы диоксида азота расщепляются и дают дополнительные количества озона. Возникает циклическая реакция, в итоге которой в атмосфере постепенно накапливается озон. Этот процесс в ночное время прекращается. В свою очередь озон вступает в реакцию с олефинами. В атмосфере концентрируются различные перекиси, которые в сумме и образуют характерные для фотохимического тумана оксиданты. Последние являются источником так называемых свободных радикалов, отличающихся особой реакционной способностью. Такие смоги - нередкое явление над Лондоном, Парижем, Лос-Анджелесом, Нью-Йорком и другими городами Европы и Америки. По своему физиологическому воздействию на организм человека они крайне опасны для дыхательной и кровеносной системы и часто бывают причиной преждевременной смерти городских жителей с ослабленным здоровьем. Проблема контролирования выброса в атмосферу загрязняющих веществ промышленными предприятиями (ПДК) Приоритет в области разработки предельно допустимых концентраций в воздухе принадлежит СССР. ПДК - такие концентрации, которые на человека и его потомство прямого или косвенного воздействия, не ухудшают их работоспособности, самочувствия, а также санитарно-бытовых условий жизни людей. Обобщение всей информации по ПДК , получаемой всеми ведомствами, осуществляется в ГГО - Главной Геофизической Обсерватории . Чтобы по результатам наблюдений определить значения воздуха, измеренные значения концентраций сравнивают с максимальной разовой предельно допустимой концентрацией и определяют число случаев, когда были превышены ПДК , а также во сколько раз наибольшее значение было выше ПДК . Среднее значение концентрации за месяц или за год сравнивается с ПДК длительного действия - среднеустойчивой ПДК. Состояние загрязнение воздуха несколькими веществами, наблюдаемые в атмосфере города, оценивается с помощью комплексного показателя - индекса загрязнения атмосферы (ИЗА). Для этого нормированные на соответствующее значения ПДК и средние концентрации различных веществ с помощью несложных расчетов приводят к величине концентраций сернистого ангидрида, а затем суммируют. Максимальные разовые концентрации основных загрязняющих веществ были наибольшими в Норильске (оксиды азота и серы), Фрунзе (пыль), Омске (угарный газ). Степень загрязнения воздуха основными загрязняющими веществами находится в прямой зависимости от промышленного развития города. Наибольшие максимальные концентрации характерны для городов с численностью населения 1 более 500 тыс. жителей. 0Загрязнение воздуха специфическими веществами зависит от вида промышленности, развитой в городе. Если в крупном городе размещены предприятия нескольких отраслей промышленности, то создается очень высокий уровень загрязнения воздуха, однако проблема снижения выбросов многих специфических веществ до сих пор остается нерешенной. [3.]

1.3. Аэрозольное загрязнение атмосферы

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, или мглы дымке Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с водяным паром. Средний размер аэрозольных частиц составляет 1-5 мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает около 1 к 1 км3 пылевидных частиц искусственного происхождения Большое количество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельности людей. Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевый заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще всего в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода, реже - оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест. Еще большее разнообразие свойственно для органической пыли, включающей алифатические и углеводороды, соли кислот. Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях. Постоянными источниками аэрозольного загрязнения являются промышленные отвалы - искусственные насыпи из отложенного материала, преимущественно вскрышных пород, образуемых при добыче полезных ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности и ТЭС. Источником пыли и ядовитых газов служат массовые взрывные работы. Так, в результате одного среднего по массе взрыва (250-300 тонн взрывчатых веществ) в атмосферу выбрасывается около 2 тыс.2 тис.м3 условного оксида углерода и более 150 т пыли. Производство цемента и других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью. Основные технологические процессы этих производств - измельчение и  химическая обработка шихт, полуфабрикатов и получаемых продуктов в потоках горячих газов всегда сопровождается выбросами пыли и других вредных веществ в атмосферу. К атмосферным загрязнениям относятся углеводороды - насыщенные и ненасыщенные, включающие от 1 до 13 атомов углерода. Они подвергаются различным превращениям, окислению, полимеризации, взаимодействуя с другими атмосферными загрязнениями после опроминення солнечной радиацией. В результате этих реакций образуются перекисные соединения, свободные радикалы, соединения углеводородов с оксидами азота и серы часто в виде аэрозольных частиц.

Обычно это происходит в тех случаях, когда в слое воздуха непосредственно над источниками газопылевой эмиссии существует инверсия - расположения слоя более холодного воздуха под теплым, что препятствует воздух воздушным массам и задерживает перенос примесей вверх. В результате вредные выбросы сосредотачиваются под слоем инверсии, содержание их у поверхности земли резко возрастает, что становится одной из причин образования ранее неведомого в природе фотохимического тумана. [4.]

1.4. Фотохимический туман (смог)

Отдельные компоненты выхлопных газов автотранспорта в атмосфере могут вступать   дальнейшие реакции, давая вторичные продукты. Озон и многочисленные активные органические соединения образуются в результате химических взаимодействий между оксидами азота и летучими углеводородами, стимулируемых солнечным светом. Так как последний сообщает энергию для этих растений их продукты называют фотохимическими окислителями. Особое внимание заслуживает фотохимический смог, в возникновение которого вносят весомый вклад отдельные компоненты автотранспорта.  
Фотохимический смог, инициируемый солнечным светом, представляет собой желтовато-коричневую Дымку над городами, уменьшающую видимость, с наличием химических веществ, которые вызывают раздражение дыхательных путей и слезоточивость. Указанный цвет объясняется присутствием диоксида азота, раздражение вызывают озон, алифатические альдегиды и органические нитраты. Появление фотохимического смога инициируется сочетанием следующих факторов: 1) солнечный свет; 2) оксиды азота ; 3) углеводороды; 4) температура выше 18 °С (при этих значениях реакции происходят достаточно быстро для устойчивого формирования вредных веществ). Выбросы автомобилей служат причиной увеличения концентрации NO, которая затем окисляется в NO2. Диоксид азота фотолизируется на солнечном свете, и эта реакция протекает тем быстрее, чем выше интенсивность фотонов. Происходит накопление «приземного» (в противоположность стратосферному) озона и его фотолиз ведет к формированию ОН. Выбросы автомашин также поставляют органические вещества (субстраты) реакций с ОН; промежуточные и побочные продукты окисления этих веществ - альдегиды и органические нитриты, - являются компонентами смога , вызывающие раздражение слизистых оболочек. Многие из этих реакций зависят от темпер и поэтому в жаркое время года смог проявляется гораздо заметнее. Впервые фотохимический смог зафиксирован в г. Лос-Анджелесе (штат Калифорния, США), обладающем своеобразным климатом. В городе с огромным числом автомобилей весьма часты температурные инверсии - до 260 дней в году. Инверсионный слой располагается на небольшой высоте, а интенсивность солнечной радиации в этом месте достаточно велико, потому явно выраженный фотохимический туман наблюдается здесь более 60 Дней в году. 
Все четыре условия фотохимического смога должны проявить я одновременно, и поэтому место и время возникновения этого явления могут быть предсказаны. Так как именно автотранспорт поставляет NOx и углеводороды, поэтому фотохимический смог - явление, характерное для Больших, насыщенных автомобилями городов, особенно расположенных в низких широтах ,таковыми являются Нью-Йорк, Чикаго, Бостон, Детройт, Токио, Милан, Москва и др. Следует подчеркнуть, что в густонаселенных районах Северной Америки, Европы возможен трансграничный перенос ЗВ. Так, причиной возникновения смога в Торонто (Канада) признаны выбросы автомобилей в соседних городах среднего Запада США.