Химическое загрязнение атмосферы

9. Вентиляционные выбросы  с чрезмерной концентрацией озона  из помещений с установками  высоких энергий (ускорители, ультрафиолетовые  источники и атомные реакторы).

При процессах сгорания топлива наиболее интенсивное загрязнение приземного слоя атмосферы происходит в мегаполисах и крупных городах, промышленных центрах ввиду широкого распространения в них автотранспортных средств, ТЭЦ, котельных и других энергетических установок, работающих на угле, мазуте, дизельном топливе, природном газе и бензине. Вклад автотранспорта в общее загрязнение атмосферного воздуха достигает здесь 40 – 50%. Мощным и чрезвычайно опасным фактором загрязнения атмосферы являются катастрофы на АЭС (Чернобыльская авария) и испытания ядерного оружия в атмосфере. Это связано как с быстрым разносом радионуклидов на большие расстояния, так и с долговременным характером загрязнения территории.

Высокая опасность химических и биохимических производств заключается в потенциальной возможности аварийных выбросов в атмосферу чрезвычайно токсичных веществ, а также микробов и вирусов, которые могут вызвать эпидемии среди населения и животных.

В настоящее время в приземной атмосфере находятся многие десятки тысяч загрязняющих веществ антропогенного происхождения. Ввиду продолжающегося роста промышленного и сельскохозяйственного производства появляются новые химические соединения, в том числе сильно токсичные. Главными антропогенными загрязнителями атмосферы кроме крупнотоннажных оксидов серы, азота, углерода, пыли и сажи являются сложные органические, хлорорганические и нитросоединения, техногенные радионуклиды, вирусы и микробы. Наиболее опасны широко распространённые в воздушном бассейне диоксин, бенз(а)пирен, фенолы, формальдегид, сероуглерод. Твёрдые взвешенные частицы представлены главным образом сажей, кальцитом, кварцем, гидрослюдой, каолинитом, полевым шпатом, реже сульфатами, хлоридами. В снеговой пыли специально разработанными методами обнаружены окислы, сульфаты и сульфиты, сульфиды тяжёлых металлов, а также сплавы и металлы в самородном виде.

Серьезные последствия имеет загрязнение воздуха хлорфторметанами, или фреонами. Широкое использование фреонов в холодильных установках, в производстве аэрозольных баллонов приводит к появлению их на больших высотах, в стратосфере и мезосфере. Высказываются опасения относительно возможности взаимодействия озона с галогенами, которые выделяются из фреонов под действием ультрафиолетового излучения.

Радиоактивное загрязнение атмосферы особенно опасно для людей, животных и растений. Источники радиоактивного загрязнения в основном техногенного происхождения. Это экспериментальные взрывы атомных, водородных и нейтронных бомб; различные производства, связанные с изготовлением термоядерного оружия; атомные реакторы и электростанции; предприятия, где используются радиоактивные вещества.

 

 

 

Таблица № 1

Примеси	Основные источники		Средняя концентрация в воздухе мг/м3
	Естественные	Антропогенные
Пыль	Вулканические извержения, пылевые бури, лесные пожары	Сжигание топлива в промышленных и бытовых условиях	в городах 0,04 — 0,4
Диоксид серы	Вулканические извержения, окисление серы и сульфатов, рассеянных в море	Сжигание топлива в промышленных и бытовых установках	в городах до 1,0
Оксиды азота	Лесные пожары	Промышленность, автотранспорт, теплоэлектростанции	В районах с развитой промышленностью до 0,2
Оксиды углерода	Лесные пожары, природный метан	Автотранспорт, испарение нефтепродуктов	В районах с развитой промышленностью до 0,3
Летучие углеводороды	Лесные пожары, природный метан	Автотранспорт, испарение нефтепродуктов	В районах с развитой промышленностью до 0,3
Полициклические ароматические углеводороды	-	Автотранспорт, химические и нефтеперерабатывающие заводы	В районах с развитой промышленностью до 0,01

 

2.3 Аэрозольное  загрязнение атмосферы

Из естественных и антропогенных источников в атмосферу ежегодно поступают сотни миллионов тонн аэрозолей. Аэрозоли – это твёрдые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Аэрозоли разделяются на первичные (выбрасываются из источников загрязнения), вторичные (образуются в атмосфере), летучие (переносятся на далёкие расстояния) и нелетучие (отлагаются на поверхности вблизи зон пылегазовыбросов).

К естественным источникам относятся пыльные бури, вулканические извержения и лесные пожары. Газообразные выбросы (например, Газообразные выбросы (например, SO2) приводят к образованию в атмосфере аэрозолей. Несмотря на то, что время пребывания в тропосфере аэрозолей исчисляется несколькими сутками, они могут вызвать снижение средней температуры воздуха у земной поверхности на 0,1 – 0,3ºС. Не меньшую опасность для атмосферы и биосферы представляют аэрозоли антропогенного происхождения, образующиеся при сжигании топлива либо содержащиеся в промышленных выбросах.

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 ( 1250-3000 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.

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 1-5 мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает около 1 куб.км. пылевидных частиц искусственного происхождения. Большое количество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельности людей. Сведения о некоторых источниках техногенной пыли приведены ниже:

Таблица №2  Производственный процесс. Выброс пыли млн.т/год

1. Сжигание каменного  угля	93,600
2. Выплавка чугуна	20,210
3. Выплавка меди (без очистки)	6,230
4. Выплавка цинка	0,180
5. Выплавка олова (без  очистки)	0,004
6. Выплавка свинца	0,130
7. Производство цемента	53,370

 

2.3 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. Его возникновению способствуют определённые метеорологические условия: отсутствие ветра и дождя, а также температурная инверсия. Смог крайне вреден для живых организмов. Во время смога ухудшается самочувствие людей, резко увеличивается число лёгочных и сердечнососудистых заболеваний, возникают эпидемии гриппа.

Смог бывает следующих типов:

Влажный смог лондонского типа – сочетание тумана с примесью дыма и газовых отходов производства.

Ледяной смог аляскинского типа – смог, образующийся при низких температурах из пара отопительных систем и бытовых выбросов.

Радиационный туман – туман, который появляется в результате радиационного охлаждения земной поверхности и массы влажного приземного воздуха до точки росы. Обычно радиационный туман возникает ночью в условиях антициклона при безоблачной погоде и лёгком бризе.

Сухой смог лос-анджелесского типа – смог, возникающий в результате фотохимических реакций, которые происходят в газовых выбросах под действием солнечной радиации; устойчивая синеватая дымка из едких газов без тумана.

 

 

 

 

 

Рисунок №1.  Смог в Нью-Йорке

 

 

 

 

 

 

 

 

Фотохимический смог - смог, основной причиной возникновения которого считаются автомобильные выхлопы. Автомобильные выхлопные газы и загрязняющие выбросы предприятий в условиях инверсии температуры вступают в химическую реакцию с солнечным излучением, образуя озон.

Фотохимический смог может вызвать поражение дыхательных путей, рвоту, раздражение слизистой оболочки глаз и общую вялость. В ряде случаев в фотохимическом смоге могут присутствовать соединения азота, которые повышают вероятность возникновения раковых заболеваний.

Смог наблюдается обычно при слабой турбулентности (завихрение воздушных потоков) воздуха, и следовательно, при устойчивом распределении температуры воздуха по высоте, особенно при инверсиях температуры, при слабом ветре или штиле.

Инверсии температуры в атмосфере, повышение температуры воздуха с высотой вместо обычного для тропосферы её убывания. Инверсия температуры встречается и у земной поверхности (приземные инверсии температуры), и в свободной атмосфере. Приземные инверсии температуры чаще всего образуются в безветренные ночи (зимой иногда и днём) в результате интенсивного излучения тепла земной поверхностью, что приводит к охлаждению как её самой, так и прилегающего слоя воздуха. Толщина приземных инверсий температуры составляет десятки – сотни метров. Увеличение температуры в инверсионном слое колеблется от десятых долей градусов до 15 - 20ºС и более. Наиболее мощны зимние приземные инверсии температуры в Восточной Сибири и в Антарктиде.

В тропосфере, выше приземного слоя, инверсия температуры чаще образуется в антициклонах благодаря оседанию воздуха, сопровождающемуся его сжатием, а следовательно – нагреванием (инверсия оседания). В зонах фронтов атмосферных инверсия температуры создаётся вследствие натекания тёплого воздуха на нижерасположенный холодный. В верхних слоях атмосферы (стратосфере, мезосфере, термосфере) инверсия температуры возникает из-за сильного поглощения солнечной радиации. Так, на высотах от 20 – 30 до 50 – 60км расположена инверсия температуры, связанная поглощением ультрафиолетового излучения Солнца озоном. У основания этого слоя температура равна от -50 до -70ºС, у его верхней границы она поднимается до -10ºС - +10ºС. Мощная инверсия температуры, начинающаяся на высоте 80 – 90км и простирающаяся на сотни км вверх, также обусловлена поглощением солнечной радиации.

Смог снижает видимость, усиливает коррозию металлов и сооружений, оказывает отрицательное воздействие на здоровье человека. Интенсивный и длительный смог может явиться причиной повышения заболеваемости и смертности.