Химическое загрязнение атмосферы

Угарный газ, входящий в состав смога, представляет собой соединение углерода с кислородом; газ без цвета и запаха. Отравление угарным газом возможны на производстве и в быту: в доменных, литейных цехах; при испытании двигателей, использовании топливных газов для сушки и подогрева; в химической промышленности; в гаражах; при дровяном отоплении и т.п.

Одним из вредных компонентов смога является и озон (О3). В крупных городах при образовании смога его естественная концентрация (1· 10ˉ) повышается в 10 раз и более. Озон здесь начинает оказывать вредное воздействие на лёгкие и слизистые оболочки человека и на растительность.

2.5 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.  Загрязнение 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 ЗАГРЯЗНИЕ АТМОСФЕРЫ ОТ ПОДВИЖНЫХ ИСТОЧНИКОВ

В  последние  десятилетия  в  связи  с  быстрым развитием автотранспорта и авиации существенно увеличилась доля выбросов, поступающих   в  атмосферу   от  подвижных   источников:  грузовых и легковых  автомобилей,   тракторов,  тепловозов   и  самолетов. Согласно оценкам, в городах на долю автотранспорта  приходится (в зависимости т развития в данном  городе промышленности и числа автомобилей) от 30 до 70 % общей массы выбросов. В США в целом по стране по крайней мере 40 % общей массы пяти основных загрязняющих веществ составляют выбросы подвижных источников.

3.1 Автотранспорт

Основной вклад в загрязнение атмосферы вносят автомобили, работающие на бензине (в США на их долю приходится около 75 %), затем самолеты (примерно  5 % ), автомобили  с дизельными двигателями (около  4 %), тракторы и  другие сельскохозяйственные машины (около 4 % ), железнодорожный и водный транспорт (примерно 2 %). К основным загрязняющим атмосферу веществам, которые выбрасывают  подвижные источники (общее число таких веществ превышает 40), относятся оксид углерода (в США его доля в общей массе составляет около 70 %), углеводороды (примерно 19 % ) и оксиды азота (около 9 % ). Оксид углерода (CO) и оксиды азота (N0x) поступают в атмосферу только с выхлопными газами, тогда как не полностью сгоревшие углеводороды (HnСm ) поступают как вместе с выхлопными газами (что составляет примерно 60 %  от общей массы выбрасываемых углеводородов), так и из картера (около 20 %), топливного бака (около 10 %) и карбюратора (примерно 10 %); твердые примеси поступают в основном с выхлопными газами (90 %) и из картера (10 %).

Наибольшее количество загрязняющих веществ выбрасывается при разгоне автомобиля, особенно при быстром, а также при движении с малой скоростью (из диапазона наиболее экономичных). Относительная доля (от общей массы выбросов) углеводородов и оксида углерода наиболее высока при торможении и на холостом ходу, доля оксидов азота - при разгоне. Из этих данных следует, что автомобили особенно сильно загрязняют воздушную среду при частых остановках и при движении с малой скоростью.

Создаваемые в городах системы движения в режиме "зеленой волны", существенно  сокращающие число  остановок транспорта на перекрестках, призваны сократить загрязнение атмосферного воздуха в городах. Большое влияние на качество и количество  выбросов примесей оказывает режим  работы двигателя, в частности соотношение между массами топлива и воздуха, момент зажигания, качество топлива, отношение поверхности камеры сгорания к ее объему и др. При увеличении отношения массы воздуха и топлива, поступающих в камеру  сгорания, сокращаются выбросы оксида углерода и углеводородов, но  возрастает выброс оксидов азота

Несмотря на то что  дизельные двигатели  более экономичны, таких веществ,  как  СО, HnCm, NОx, выбрасывают  не более, чем бензиновые,  они  существенно  больше  выбрасывают дыма (преимущественно несгоревшего углерода), который к тому же обладает неприятным запахом создаваемым некоторыми  несгоревшими углеводородами). В сочетании же с создаваемым шумом дизельные двигатели не только сильнее загрязняют  среду, но и воздействуют на здоровье человека гораздо в большей степени, чем бензиновые.

3.2 Самолеты

Хотя  суммарный  выброс  загрязняющих  веществ двигателями самолетов сравнительно невелик (для  города, страны), в районе аэропорта эти выбросы вносят определяющий вклад  в загрязнение  среды. К тому же турбореактивные двигатели (так же как дизельные) при посадке и взлете выбрасывают  хорошо заметный на глаз шлейф дыма. Значительное  количество примесей  в аэропорту выбрасывают  и  наземные передвижные  средства, подъезжающие и отъезжающие  автомобили.

Согласно оценкам, в  среднем около  42 % общего расхода топлива тратится на выруливание самолета  к взлетно-посадочной полосе  (ВПП) перед  взлетом и  на заруливание с ВПП после посадки (по времени в среднем около 22 мин). При этом доля  несгоревшего и  выброшенного в  атмосферу топлива при рулении намного  больше, чем  в полете.  Помимо улучшения работы двигателей (распыление топлива,  обогащение смеси  в зоне горения, использование присадок к топливу, впрыск воды и др.), существенного  уменьшения  выбросов  можно  добиться путем сокращения  времени работы  двигателей на  земле и  числа работающих двигателей при рулении (только за счет последнего достигается снижение выбросов в 3 - 8 раз).

В последние 10 - 15 лет большое  внимание уделяется исследованию тех эффектов, которые могут возникнуть в связи с полетами сверхзвуковых  самолетов  и  космических  кораблей. Эти полеты сопровождаются   загрязнением стратосферы оксидами азота и серной кислотой (сверхзвуковые  самолеты), а также частицами оксида  алюминия  (транспортные  космические корабли). Поскольку  эти загрязняющие вещества разрушают озон, то первоначально создалось мнение (подкрепленное соответствующими модельными расчетами), что планируемый рост числа полетов сверхзвуковых самолетов и транспортных космических кораблей приведет к существенному уменьшению содержания озона со всеми последующими губительными воздействиями ультрафиолетовой радиации на биосферу  Земли. Однако более глубокий подход к этой проблеме позволил сделать заключение о слабом влиянии выбросы сверхзвуковых самолетов на состояние стратосферы. Так, при современном числе сверхзвуковых самолетов и выбросе загрязняющих веществ на высоте около 16 км относительное уменьшение содержания О3 может составить примерно 0.60 ; если их число возрастет до 200 и высота полета будет близка к 20 км, то относительное уменьшение содержания О3 может подняться до 17%. Глобальная приземная температура воздуха за счет парникового эффекта, создаваемого выбросами  сверхзвуковыми самолетами может повысится не более чем на 0,1°C/

Более сильное воздействие на озонный слой и глобальную температуру воздуха могут оказать хлорфторметаны (ХФМ0 фреон-11 и фреон-12 - газы, образующиеся в частности, при испарении аэрозольных препаратов, которые используются (преимущественно женщинами) для крашения волос. Поскольку ХФМ очень инертны, то они распространяются и долго живут не только в тропосфере, но и в стратосфере. Обладая довольно сильными полосами поглощения в окне прозрачности атмосферы (8-12 мкм), фреоны усиливают парниковый эффект. Наметившееся в последние десятилетия темпы роста производства фреонов могут привести к увеличению содержания фреона-11 и фреона-12 в 2030 г. до 0,8 и 2,3 млрд (при современных значениях 0,1 и 0,2 млрд). Под влиянием такого количества фреонов общее содержание озона в атмосфере уменьшится на 18%, а в нижней стратосфере даже на 40;  глобальная приземная температура возрастет на 0,12-0,21°С.

3.3 Ракетоносители

Загрязнение воздушной среды транспортом с ракетными двигательными установками происходит главным образом при их работе перед стартом, при взлете и посадке, при наземных испытаниях в процессе их производства и после ремонта, при хранении и транспортировке топлива, а так же при заправке топливом летательных аппаратов. Работа жидкостного ракетного двигателя сопровождается выбросом продуктов полного и неполного сгорания топлива, состоящих из O, NOx, OH и др.

При сгорании твердого топлива из камеры сгорания выбрасываются H2O, CO2, HCl, CO, NO, Cl, а также твердые частицы Al2O3 со средним размером 0,1 мкм (иногда до 10 мкм).

В двигателях космического корабля «Шатл» сжигается как жидкое так и твердое топливо. Продукты сгорания топлива по мере удаления корабля от Земли проникают в различные слои атмосферы (табл. 2.2), но большей частью в тропосферу.

Таблица 2.2

В условиях запуска у пусковой системы образуется облако продуктов сгорания, водяного пара от системы шумоглушения, песка и пыли. Объем продуктов сгорания можно определить по времени (обычно 20 с) работы установки на стартовой площадке и в приземном слое. После запуска высоко температурное облако поднимается на высоту до 3 км и перемещается под действием ветра на расстояние 30 – 60 км, оно может рассеятся, но может стать и причиной кислотных дождей.

При старте и возвращении на Землю Ракетные двигатели неблагоприятно воздействуют не только на приземный слой атмосферы, но и на космическое пространство, разрушая озоновый слой Земли. Масштабы разрушения озонового слоя определяются числом запусков ракетных систем и интенсивностью полетов сверхзвуковых самолетов. За 40 лет существования космонавтики в СССР и позднее России произведено свыше 1800 запусков ракет-носителей. По прогнозам фирмы Aerospace в XXI в. для транспортировки грузов на орбиту будет осуществляться до 10 запусков ракет в сутки, при этом выброс продуктов сгорания каждой ракеты будет превышать 1,5 т/с.

Согласно ГОСТ 17.2.1.01 – 76 выбросы в атмосферу классифицируют:

1. по агрегатному состоянию вредных веществ в выбросах, это – газообразные и парообразные (SO2, CO, NOx углеводороды и др.); жидкие (кислоты, щелочи, органические соединения, растворы солей и жидких металлов); твердые (свинец иего соединения, органическая и неорганическая пыль, сажа, смолистые вещества и др.);
2. по массовому выбросу, выделяя шесть групп, т/сут:

1. менее 0,01 вкл.;
2. свыше 0,01 до 0,1 вкл.;
3. свыше 0,1 до 1,0 вкл.;
4. свыше 1,0 до 10 вкл.;
5. свыше 10 до 100 вкл.;
6. свыше 100.

 В  связи с развитием авиации  и ракетной техники, а также  интенсивным использованием  авиационных  и ракетных двигателей в других  отраслях народного хозяйства  существенно возрос их общий  выброс вредных примесей в  атмосферу. Однако на долю этих  двигателей приходится пока не  более 5% токсичных веществ, поступающих  в атмосферу от транспортных  средств всех типов.

4 ВЛИЯНИЕ ЗАГРЕЗНЕНИЯ  АТМОСФЕРЫ НА ЧЕЛОВЕКА, РАСТИТЕТЕЛЬНЫЙ И ЖИВОТНЫЙ МИР

Все загрязняющие атмосферный воздух вещества в большей или меньшей степени оказывают отрицательное влияние на здоровье человека.

Различают два вида воздействий химических загрязняющих веществ на организм человека: специфическое, приводящее к возникновению определенных заболеваний в результате избирательного воздействия на органы и системы организма, и неспецифическое, при котором действие элементов способствует росту болезней, этиологически связанных с другими факторами (по Буштуевой, Слуганко, 1979). Специфическое действие характерно для большинства загрязняющих веществ, в том числе ртути, кадмия, свинца, мышьяка, фтора. Например при действии избыточных количеств фтора поражаются кальцинированные ткани и возникает флюороз. Загрязнение рыбы ртутью в Японии  вызвало тяжелую болезнь минамата.