Выпадение тяжелых металлов на етр в начале XXI В.

Металл	Количество, т	От российских источников, %
Кадмий		64,3
Ртуть
Свинец

 

Загрязнение атмосферы в ряде случаев может сопровож­даться негативными явлениями на региональном уровне — воз­никновением в городах фотохимического смога и выпадением кислотных осадков на значительных техносферных и при­родных территориях.

Общая схема реакций образования фотохимического смога в городах сложна и в упрощенном виде может быть представ­лена реакциями

NO₂ + hv - NO + О

О + O₂ - O₃

_{}ПАН (пероксиацилнитраты)}

 

Смог весьма токсичен, так как его составляющие обычно находятся в пределах: 0₃ — 60—75%; ПАН, Н₂0₂, альдегиды и др. - 25-40%.

Для образования смога в атмосфере в солнечную погоду необходимо наличие оксидов азота и углеводородов (их выбрасывают в атмосферу автотранспорт, промышленные предприятия). Характерное распределение фотохимического смога по времени суток показано на рис. 5.28 (здесь — фоновая концентрация вещества в атмосферном воздухе).

Фотохимические смоги, впервые обнаруженные в 40-х гг. XX в. в Лос-Анджелесе, теперь периодически наблюдаются в городах мира, где широко используется печное отопление и массовый автотранспорт.

Кислотные дожди известны более 100 лет, однако про­блема влияния этих дождей на природу и человека возникла около 35 лет назад.

Источниками кислотных дождей служат газы, содер­жащие серу и азот. Основными из них являются S0₂, N0 , Н₂S. Кислотные дожди возникают вследствие неравномер­ного распределения этих газов в атмосфере. Например, кон­центрация S0₂ (мкг/м³) обычно такова: в городе — 50—1000, на территории около города в радиусе около 50 км — 10—50, в радиусе около 150 км — 0,1—2, над океаном — 0,1.

Основными в атмосфере являются следующие реакции: I вариант: S0₂+ ОН˙→ HS0₃; HS0₃ + ОН˙→Н₂S0₄ (моле­кулы в атмосфере быстро конденсируются в капли; здесь ОН˙— свободный радикал^l); II вариант: S0₂ + hv → S0₂ ˙(S0₂ ˙— молекула диоксида серы, находящаяся в возбужденном состоя­нии под действием гамма-кванта светового излучения); S0₂ + 0₂ →S0₄; S0₄ + 0₂ → S0₃ + О_з; S0₃ + Н₂ О → Н₂S0₄. Реак­ции обоих вариантов в атмосфере идут одновременно. Для серо­водорода характерна реакция Н₂S + 0₂ → S0₂ + Н₂О и далее осуществление I или II вариантов реакции.

Источниками поступления соединений серы в атмосферу являются следующие источники: естественные (вулканическая деятельность, действия микроорганизмов и др.) — 31—41%, антропогенные (ТЭС, промышленность и др.) — 59—69%; всего поступает 91—112 млн. т в год.

Концентрации соединений азота (мкг/м³) достигают сле­дующих значений: в городе — 10—100, на территории около города в радиусе 50 км — 0,25—2,5, над океаном — 0,25.

Из соединений азота основной вклад в прохождение кислотных дождей дают NO и N0₂. В атмосфере возникают реакции: 2NO + 0₂ → 2N0₂; N0₂+ ОН˙ → HNO . Источ­никами соединений азота являются следующие источники:

естественные (почвенная эмиссия, грозовые разряды, горе­ние биомассы и др.) — 63%, антропогенные (ТЭС, автотранс­порт, промышленность) — 37%; всего поступает 51—61 млн. т в год.

Серная и азотная кислоты поступают в атмосферу также в виде тумана и паров от промышленных предприятий и авто­транспорта. В городах их концентрация достигает 2 мкг/м³. Соединения серы и азота, попавшие в атмосферу, вступают в химическую реакцию не сразу, а в течение некоторого про­межутка времени, сохраняя свои свойства 2 и 8—10 сут соот­ветственно. За это время они могут вместе с атмосферным воздухом пройти расстояния 1000—2000 км и лишь после этого выпадают с осадками на земную поверхность.

Различают два вида седиментации: влажную и сухую. Влажная — это выпадение кислот, растворенных в капель­ной влаге, она возникает при влажности воздуха 100,5%; сухая реализуется в тех случаях, когда кислоты присутствуют в атмосфере в виде капель диаметром около 0,1 мкм. Скорость седиментации в этом случае весьма мала, и капли могут про­ходить большие расстояния (следы серной кислоты обнару­жены даже на Северном полюсе). В нашей стране повышенная кислотность осадков (рН = 4÷5.5)отмечается в отдельных про­мышленных регионах. Наиболее неблагополучными являются города Тюмень, Тамбов, Архангельск, Северодвинск, Воло­гда, Петрозаводск, Омск и др. Плотность выпадения осадков серы, превышающая 4 т/км² в год, зарегистрирована в 22 горо­дах страны, а более 8—12 т/км² в год — в городах Алексине, Новомосковске, Норильске, Магнитогорске.

Возникновение таких глобальных проблем, как парни­ковый эффект и разрушение озонового слоя верхних слоев атмосферы, также связаны с поступлением в атмосферу раз­личных примесей.

Парниковый эффект. Суть его заключается в том, что Земля поглощает солнечное излучение (преимущественно в видимом диапазоне) и испускает теплоту в инфракрас­ном диапазоне. Главными поглотителями теплового излуче­ния от земной поверхности служат диоксид углерода, метан и некоторые другие атмосферные примеси. Эти атмосфер­ные примеси действуют подобно прозрачной крыши парника, пропуская к Земле коротковолновую часть спектра и задер­живая у Земли длинноволновое тепловое излучение. Отсюда происходит и их название — парниковые газы. Чем выше их концентрация в атмосфере, тем выше парниковый эффект.

Рост содержания С0₂ в атмосфере обусловлен потребле­нием углеводородных видов топлива — газа, нефти, угля.

Другой источник С0₂ связан с изменениями раститель­ного и почвенного покрова континентов. Вырубка лесов, а также распашка целинных земель и общая интенсифика­ция земледелия приводят к более быстрому извлечению угле­рода из гумуса почв. За последние сто лет сжигание топлива дало выброс в атмосферу в среднем около 168 Гт углерода, а эмиссия вследствие изменения растительности континен­тов и необратимого нарушения почвенного покрова за это же время оценивается средней величиной 68 Гт углерода.

Основным каналом стока избыточного углерода из атмо­сферы является океаносфера. Около 60% углерода поглоща­ется океанами, а остальное количество — биотой континентов. Современная человеческая деятельность вносит значительные изменения в процесс функционирования морских экосистем. Через несколько десятилетий Мировой океан из-за загрязне­ния будет поглощать избыточный углерод менее эффективно, а доля остающегося в океаносфере С0₂ станет выше.

Метан поступает в атмосферу из природных и техногенных источников. К природным источникам относятся донные отложения водоемов и болот. Техногенными источниками являются сельскохозяйственное производство, свалки бытовых отходов.

Техногенные источники оксида азота (I) N₂0 связаны в основном с высокотемпературным окислением молеку­лярного азота в процессе горения различных видов топлива. В естественных условиях N₂0 поступает в атмосферу из почв, лесов и при грозовых разрядах. Из-за высокой химической инертности и малой растворимости в воде среднее время жизни N₂0 в атмосфере велико и составляет 120—150 лет.

Хлорфторуглеводороды (фреоны) с середины 1930-х гг. находят широкое применение в промышленности. Фреон-11 и фреон-12 использовались в качестве вспенивателей при получении пористых полимерных материалов, наполните­лей в аэрозольных упаковках, а также хладагентов в холо­дильниках и кондиционерах.

Во второй половине 1980-х гг. во многих промышленно развитых странах были введены ограничения на производ­ство и потребление этой продукции в связи с достигнутыми международными договоренностями о постепенном отказе от использования фторхлоруглеродов.

Однако концентрации фреонов в атмосфере будут уве­личиваться еще долгие годы даже после полного прекраще­ния их производства, поскольку среднее время пребывания фреона-11 и фреона-12 в атмосфере оценивается примерно в 55—120 лет. Кроме того, значительные концентрации фре­она-11 и фреона-12 и некоторых других соединений этого класса были зарегистрированы в газовых выбросах дейст­вующих вулканов и гидротермальных источников в сейсми­чески активных районах.

Увеличение концентрации диоксида углерода в атмо­сфере (особенно интенсивное в последние годы) приводит к росту эффективности поглощения инфракрасного излучения. В качестве примера на рис. 5.29 отображена тенденция роста углекислого газа в последние десятилетия XX в., в результате чего температура Земли возрастает. К повышению темпера­туры может привести и увеличение концентрации в атмосфере таких газов, как 0₃, СН₄, N₂0, N0₂, S0₂, фреоны.

Относительный вклад в парниковый эффект различных газов, возникающий при хозяйственной деятельности, пока­зан в табл. 5.18

 

Таблица 5.18

Вклад парниковых газов

Газ	Доля, %
СО2
Фреоны	1,3
СН	13,7
N20

Структура выбросов парниковых газов в России (рис. 5.30) более чем на 60% определяется сжиганием углеводородного топлива в энергетике, промышленности и жилищно-комму­нальном хозяйстве.

В 1995 г. по общему объему выбросов С0₂ на душу насе­ления Россия занимала пятое место в мире, после США, Канады, Австралии и Новой Зеландии. Сегодня на долю глав­ного парникового газа — С0₂ приходится около 80% парни­кового эффекта, около 10% дает метан, на вклад остальных газов (оксид азота (I), фреоны) приходятся оставшиеся 10%.

По причине резкого спада промышленного производства России в период с 1990 по 1999 г. почти на треть сократились и выбросы парниковых газов (рис. 5.31).

Однако вследствие экономического роста выбросы парниковых газов начиная с 2000 г. медленно нарастают.

 

 

 

В 2004 г. Российской Федерацией был ратифицирован Киотский протокол, в соответствии с которым были при­няты обязательства по ограничению выбросов парниковых газов до 2012 г. на уровне 1990 г., а фторсодержащих газов — на уровне 1995 г. Согласно данным Росгидромета выбросы парниковых газов в Российской Федерации в 2003 г. составили около 2040 млн т, что на 1000 млн т меньше, чем в 1990 г.

Разрушение озонового слоя. Озоновым слоем называют область атмосферы, расположенную на высотах от 18 км (в полярных областях от 10 км) до 45 км и характеризующуюся повышенным содержанием озона. Поглощение озоновым слоем большей части биологически активного ультрафиоле­тового излучения Солнца с длиной волны λ < 310 нм и пере­вод его в теплоту играет важнейшую роль в сохранении жизни на Земле. Во-первых, озон является единственным компонен­том атмосферного воздуха, защищающим все живое на суше от губительных доз ультрафиолетового облучения в диапа­зоне длин волн λ = 240÷310 нм. Во-вторых, нагревая атмо­сферу, озоновый слой ограничивает глобальные циркуляции воздуха тропосферой, принимая тем самым непосредствен­ное участие в формировании погоды и климата на Земле. Рав­новесие между процессами образования и разрушения озона нарушается при изменении солнечной активности, а также при появлении в озоновом слое веществ — катализаторов разложения озона. Среди таких катализаторов важнейшая роль принадлежит оксидам азота:

NO + O₃ → N0₂ + 0₂

N0₂ + O → NO + 0₂,

атомам хлора

С1 + О₃ →ClO + О

ClO + О → С1 + О₂,

а также НО˙- радикалам

HO˙+ O₃ → O₂ + HO_{2 (гидропероксидный радикал)}

Согласно теоретическим оценкам в результате протекания цепных каталитических реакций одна молекула N0 разру­шает до 10—12 молекул 0₃. Однако антропогенные выбросы NO в приземном слое существенной опасности для озоно­вого слоя не представляют, так как за время, необходимое для подъема молекул NO на высоту 25—35 км, составляющее по оценкам от 30 до 120 лет, оксид азота разрушается, вступая в химические реакции с другими веществами. Боль­шую опасность представляет эмиссия оксида азота непо­средственно в озоновом слое или в близлежащих областях из двигательных установок баллистических ракет и высот­ных реактивных самолетов.

Несравнимо большую опасность для озона представляет атомарный хлор. Согласно расчетам, один атом хлора по цеп­ной каталитической реакции разрушает до 10⁵ молекул 0₃. В настоящее время выявлено два основных источника посту­пления атомарного хлора в стратосферу. Первый из них свя­зан с непосредственной эмиссией хлора в озоновый слой при запусках твердотопливных баллистических ракет и космиче­ских аппаратов типа американского шаттла, использующих смесевые виды топлива на основе перхлоратов, например перхлората аммония NH₄C10₄. Суммарные выбросы хлора в атмосферу при эпизодических запусках ракет и космических аппаратов невелики и оцениваются сотнями тонн в год.

Гораздо более мощным источником поступления хлора в атмосферу является производство хлорфторуглеродов. В 1986 г. в мире было произведено 700 тыс. т этих веществ, а всего с начала их массового производства в 1960-х гг. — около 5 млн т. Благодаря своей высокой химической стойко­сти хлорфторуглероды в процессе многолетней циркуляции с воздухом поступают из приземных слоев атмосферы в озо­новый слой, где подвергаются фотодиссоциации с выделе­нием атомарного хлора.

Еще большую опасность для озонового слоя по сравне­нию с хлорфторуглеродами представляют бромсодержащие фреоны CF₂OBr и C₂F₂Br₂, применяемые в пожаротушении. Атомы брома в несколько раз активнее разрушают озоновый слой по сравнению с хлором.

При истощении озонового слоя возрастает доза облуче­ния человека ультрафиолетовыми лучами, что ведет к росту заболеваний катарактой, кожным заболеваниям (лишай, волчанка), ослаблению иммунной системы организма. Наибольшую опасность представляет рост заболеваемости злокачественной меланомой (раком кожи) Согласно медицинским данным истощение озонового слоя на 1 % сопровождается ростом заболеваемости меланомой на 6%

Увеличение ультрафиолетового солнечного излучения представляет опасность для всех живых организмов на суше и в воде. Высокие дозы этого излучения за счет действия на ДНК могут вызвать мутации у микроорганизмов, при­вести к ухудшению качества семян, понижению сопротив­ляемости растений вредителям и болезням. Установлено, что ультрафиолетовые лучи вызывают повреждение клеток и тканей у растений. По расчетам, потеря атмосферой 25% озона вызовет такой рост радиации, что количество фито­планктона в океане сократится на 35% с соответствующим уменьшением его продуктивности. Истощение озонового слоя оказывает негативное влияние и на климат Земли. Уменьше­ние концентрации озона ведет к снижению нагрева страто­сферы с соответствующим изменением характера поведения температуры воздуха в этой области и нарушением циркуля­воздушных масс в тропосфере.

Данные оценки потерь озона атмосферой в Арктике весьма противоречивы. Согласно результатам спутникового наблюдения к 1981 г. истощение озонового слоя составило 1%, а за семилетний период с 1981 по 1988 г. — 4%. К 2050 г. ожидается истощение озонового слоя на 30—50%. По другим данным к 2015 г. истощение озонового слоя достигнет 17% и затем стабилизируется на этом уровне.

В целях защиты озонового слоя наиболее развитые страны мира подписали в 1987 г. Монреальский протокол по сокра­щению производства хлорфторуглеводородов на 50%. После получения дополнительной информации о скорости разру­шения озонового слоя в 1990 г. был подписан Лондонский протокол о полном запрещении производства этих веществ в 2000 г.

В результате техногенного воздействия на атмосферу наблюдаются следующие негативные последствия:

— превышение ПДК многих токсичных веществ (СО, N0₂, S0₂, , бенз[а]пирена, свинца, бензола и др.) в городах и природных зонах;

— образование в городах фотохимического смога при интенсивных выбросах NO , ;

— выпадение кислотных дождей в регионах при интен­сивных выбросах SO ,NO .;

— проявление парникового эффекта при повышенном содержании С0₂, N0 ,СН₄ в атмосфере, что способст­вует повышению ее средней температуры;

— разрушение озонового слоя при поступлении NO и соединений хлора в него, что создает опасность УФ - облучения биосферы.

 

Воздействие на гидросферу

Гидросфера — водная среда Земли, образованная совокуп­ностью океанов, морей, поверхностных вод суши, включая лед и снег высокогорных и полярных районов. Гидросфера состоит из следующих частей (табл. 5.19).

 

Таблица 5.19

Состав гидросфера

Часть гидросферы	Доля, %
Океаны, моря
Поверхностные воды	0,03
Подземные воды
Снег и льды

 

 

Структура водопотребления (%) в Российской Федерации

в 2004 г. приведена ниже:

производственные нужны — 59,1;

хозяйственно-питьевое потребление — 0,7;

орошение — 12,6;

сельскохозяйственное потребление — 1,3;

прочие нужды — 6,3.

 

Всего из источников водопотребления в 2004 г. забрано около 80 км³ воды, а объем сточных вод составил 51,3 км³. Из них к категории загрязненных стоков отнесено 18,5 км³. Состав основных веществ, загрязняющих стоки, приведен в табл. 5.20.

Таблица 5.20