Основные загрязнители атмосферного воздуха и их поведение в атмосфере

Загрязнение атмосферы

Атмосферный воздух является самой важной жизнеобеспечивающей природной средой

и представляет собой смесь газов и аэрозолей приземного слоя атмосферы,

сложившуюся в ходе эволюции Земли, деятельности человека и находящуюся за

пределами жилых, производственных и иных помещений. Результаты экологических

исследований, как в России, так и за рубежом, однозначно свидетельствуют о

том, что загрязнение приземной атмосферы – самый мощный, постоянно

действующий фактор воздействия на человека, пищевую цепь и окружающую среду.

Атмосферный воздух имеет неограниченную емкость и играет роль наиболее

подвижного, химически агрессивного и всепроникающего агента взаимодействия

вблизи поверхности компонентов биосферы, гидросферы и литосферы.

В последние годы получены данные о существенной роли для сохранения биосферы

озонового слоя атмосферы, поглощающего губительное для живых организмов

ультрафиолетовое излучение Солнца и формирующего на высотах около 40 км

тепловой барьер, предохраняющий охлаждение земной поверхности.

Атмосфера оказывает интенсивное воздействие не только на человека и биоту, но

и на гидросферу, почвенно-растительный покров, геологическую среду, здания,

сооружения и другие техногенные объекты. Поэтому охрана атмосферного воздуха

и озонового слоя является наиболее приоритетной проблемой экологии и ей

уделяется пристальное внимание во всех развитых странах.

Загрязненная приземная атмосфера вызывает рак легких, горла и кожи,

расстройство центральной нервной системы, аллергические и респираторные

заболевания, дефекты у новорожденных и многие другие болезни, список которых

определяется присутствующими в воздухе загрязняющими веществами и их

совместным воздействием на организм человека. Результаты специальных

исследований, выполненных в России и за рубежом, показали, что между

здоровьем населения и качеством атмосферного воздуха наблюдается тесная

положительная связь.

Основные агенты воздействия атмосферы на гидросферу – атмосферные осадки в

виде дождя и снега, в меньшей степени смога, тумана. Поверхностные и

подземные воды суши имеют главным образом атмосферное питание и вследствие

этого их химический состав зависит в основном от состояния атмосферы.

Отрицательное влияние загрязненной атмосферы на почвенно-растительный покров

связано как с выпадением кислотных атмосферных осадков, вымывающих кальций,

гумус и микроэлементы из почв, так и с нарушением процессов фотосинтеза,

приводящих к замедлению роста и гибели растений. Высокая чувствительность

деревьев (особенно березы, дуба) к загрязнению воздуха выявлена давно.

Совместное действие обоих факторов приводит к заметному уменьшению плодородия

почв и исчезновению лесов. Кислотные атмосферные осадки рассматриваются

сейчас как мощный фактор не только выветривания горных пород и ухудшения

качества несущих грунтов, но и химического разрушения техногенных объектов,

включая памятники культуры и наземные линии связи. Во многих экономически

развитых странах в настоящее время реализуются программы по решению проблемы

кислотных атмосферных осадков. В рамках Национальной программы по оценке

влияния кислотных атмосферных осадков, учрежденной в 1980 году многие

федеральные ведомства США начали финансировать исследования атмосферных

процессов, вызывающих кислотные дожди, с целью оценки влияния последних на

экосистемы и выработки соответствующих природоохранных мер. Выяснилось, что

кислотные дожди оказывают многоплановое воздействие на окружающую среду и

являются результатом самоочищения (промывания) атмосферы. Основные кислотные

агенты – разбавленные серная и азотная кислоты, образующиеся при реакциях

окисления оксидов серы и азота с участием пероксида водорода.

Источники загрязнения атмосферы

К природным источникам загрязнения относятся: извержения вулканов,

пыльные бури, лесные пожары, пыль космического происхождения, частицы морской

соли, продукты растительного, животного и микробиологического происхождения.

Уровень такого загрязнения рассматривается в качестве фонового, который мало

изменяется со временем.

Главный природный процесс загрязнения приземной атмосферы – вулканическая и

флюидная активность Земли Крупные извержения вулканов приводят к глобальному

и долговременному загрязнению атмосферы, о чем свидетельствуют летописи и

современные наблюдательные данные (извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах

в 1991 году). Это обусловлено тем, что в высокие слои атмосферы мгновенно

выбрасываются огромные количества газов, которые на большой высоте

подхватываются движущимися с высокой скоростью воздушными потоками и быстро

разносятся по всему земному шару. Продолжительность загрязненного состояния

атмосферы после крупных вулканических извержений достигает нескольких лет.

Антропогенные источники загрязнения обусловлены хозяйственной

деятельностью человека. К ним следует отнести:

1. Сжигание горючих ископаемых, которое сопровождается выбросом 5 млрд. т.

углекислого газа в год. В результате этого за 100 лет (1860 – 1960 гг.)

содержание СО₂ увеличилось на 18 % (с 0,027 до 0,032%). За

последние три десятилетия темпы этих выбросов значительно возросли. При таких

темпах к 2000 г. количество углекислого газа в атмосфере составит не менее

0,05%.

2. Работа тепловых электростанций, когда при сжигании высокосернистых углей в

результате выделения сернистого газа и мазута образуются кислотные дожди.

3. Выхлопы современных турбореактивных самолетов с оксидами азота и

газообразными фторуглеводородами из аэрозолей, которые могут привести к

повреждению озонового слоя атмосферы (озоносферы).

4. Производственная деятельность.

5. Загрязнение взвешенными частицами (при измельчении, фасовке и загрузке, от

котельных, электростанций, шахтных стволов, карьеров при сжигании мусора).

6. Выбросы предприятиями различных газов.

7. Сжигание топлива в факельных печах, в результате чего образуется самый

массовый загрязнитель – монооксид углерода.

8. Сжигание топлива в котлах и двигателях транспортных средств,

сопровождающееся образованием оксидов азота, которые вызывают смог.

9. Вентиляционные выбросы (шахтные стволы).

10. Вентиляционные выбросы с чрезмерной концентрацией озона из помещений с

установками высоких энергий (ускорители, ультрафиолетовые источники и атомные

реакторы) при ПДК в рабочих помещениях 0,1 мг/м³. В больших

количествах озон является высокотоксичным газом.

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 атмосферного воздуха кроме крупнотоннажных оксидов серы,

азота, углерода, пыли и сажи являются сложные органические, хлорорганические

и нитросоединения, техногенные радионуклиды, вирусы и микробы. Наиболее

опасны широко распространенные в воздушном бассейне России диоксин,

бенз(а)пирен, фенолы, формальдегид, сероуглерод. Твердые 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 тяжелых металлов, а также сплавы и металлы в самородном виде.

В Западной Европе приоритет отдается 28 особо опасным химическим элементам,

соединениям и их группам. В группу органических веществ входят акрил, нитрил,

бензол, формальдегид, стирол, толуол, винилхлорид, а неорганических – тяжелые

металлы (As, Cd, Cr, Pb, Mn, Hg, Ni, V), газы (угарный газ, сероводород,

оксиды азота и серы, радон, озон), асбест. Преимущественно токсическое

действие оказывают свинец, кадмий. Интенсивный неприятный запах имеют

сероуглерод, сероводород, стирол, тетрахлорэтан, толуол. Ореол воздействия

оксидов серы и азота распространяется на большие расстояния. Вышеуказанные 28

загрязнителей воздуха входят в международный реестр потенциально токсичных

химических веществ.

Основные загрязнители воздуха жилых помещений – пыль и табачный дым, угарный

и углекислый газы, двуокись азота, радон и тяжелые металлы, инсектициды,

дезодоранты, синтетические моющие вещества, аэрозоли лекарств, микробы и

бактерии. Японские исследователи показали, что бронхиальная астма может быть

связана с наличием в воздухе жилищ домашних клещей.

Для атмосферы характерна чрезвычайно высокая динамичность, обусловленная как

быстрым перемещением воздушных масс в латеральном и вертикальном

направлениях, так и высокими скоростями, разнообразием протекающих в ней

физико-химических реакций. Атмосфера рассматривается сейчас как огромный

«химический котел», который находится под воздействием многочисленных и

изменчивых антропогенных и природных факторов. Газы и аэрозоли, выбрасываемые

в атмосферу, характеризуются высокой реакционной способностью. Пыль и сажа,

возникающие при сгорании топлива, лесных пожарах, сорбируют тяжелые металлы и

радионуклиды и при осаждении на поверхность могут загрязнить обширные

территории, проникнуть в организм человека через органы дыхания.

Выявлена тенденция совместного накопления в твердых взвешенных частицах

приземной атмосферы Европейской России свинца и олова; хрома, кобальта и

никеля; стронция, фосфора, скандия, редких земель и кальция; бериллия, олова,

ниобия, вольфрама и молибдена; лития, бериллия и галлия; бария, цинка,

марганца и меди. Высокие концентрации в снеговой пыли тяжелых металлов

обусловлены как присутствием их минеральных фаз, образовавшихся при сжигании

угля, мазута и других видов топлива, так и сорбцией сажей, глинистыми

частицами газообразных соединений типа галогенидов олова.

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.

Химическое загрязнение атмосферы

Под загрязнением атмосферы следует понимать изменение ее состава при

поступлении примесей естественного или антропогенного происхождения.

Вещества-загрязнители бывают трех видов: газы, пыль и аэрозоли. К последним

относятся диспергированные твердые частицы, выбрасываемые в атмосферу и

находящиеся в ней длительное время во взвешенном состоянии.

К основным загрязнителям атмосферы относятся углекислый газ, оксид углерода,

диоксиды серы и азота, а также малые газовые составляющие, способные

оказывать влияние на температурный режим тропосферы: диоксид азота,

галогенуглероды (фреоны), метан и тропосферный озон.

Основной вклад в высокий уровень загрязнения воздуха вносят предприятия

черной и цветной металлургии, химии и нефтехимии, стройиндустрии, энергетики,

целлюлозно-бумажной промышленности, а в некоторых городах и котельные.

Источники загрязнений - теплоэлектростанции, которые вместе с дымом

выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ, металлургические

предприятия, особенно цветной металлургии, которые выбрасывают в воздух

окислы 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% ежегодно

добываемого твердого и жидкого топлива.

 

22. Глобальные проблемы атмосферы. Приведите примеры

Под загрязнением понимается процесс привнесения в воздух или образование в нем физических агентов, химических веществ или организмов, неблагоприятно воздействующих на среду жизни или наносящих урон материальным ценностям. В определенном смысле загрязнением можно считать и изъятие из воздуха отдельных газовых ингредиентов (в частности, кислорода) крупными технологическими объектами. И дело не только в том, что попадающие в атмосферу газы, пыль, сера, свинец и другие вещества опасны для человеческого организма — они неблагоприятно влияют на круговороты многих компонентов на земле. Загрязняющие и ядовитые вещества переносятся на большие расстояния, попадают с осадками в почву, поверхностные и подземные воды, в океаны, отравляют окружающую среду, отрицательно сказываются на получении растительной массы.
Загрязнение атмосферы сказывается и на климате планеты. На этот счет существуют три точки зрения. 1. Наблюдающееся в текущем столетии глобальное потепление климата обусловлено возрастанием концентрации СОг в атмосфере, а к середине будущего столетия произойдет катастрофическое потепление климата, сопровождающееся сильным возрастанием высоты уровня Мирового океана. 2. Загрязнение атмосферы снижает уровень солнечной радиации, повышает количество ядер конденсации в облаках, в результате поверхность Земли охлаждается, что в свою очередь может вызвать новое оледенение в северных и южных широтах (сторонников этой точки зрения немного). 3. Согласно сторонникам третьей точки зрения, оба эти процесса уравновесятся и климат Земли существенно не изменится.
Главные источники загрязнения атмосферы — предприятия топливноэнергетического комплекса, обрабатывающей промышленности и транспорт. Более 80% всех выбросов в атмосферу составляют выбросы оксидов углерода, двуокиси серы, азота, углеводородов, твердых веществ. Из газообразных загрязняющих веществ в наибольших количествах выбрасываются окислы углерода, углекислый газ, угарный газ, образующиеся преимущественно при сгорании топлива. В больших количествах в атмосферу выбрасываются и оксиды серы: сернистый газ, сернистый ангидрид, сероуглерод, сероводород и др. Самым многочисленным классом веществ, загрязняющих воздух крупных городов, являются углеводороды. К числу постоянных ингредиентов газового загрязнения атмосферы относятся также свободный хлор, его соединения и др.

Помимо газообразных загрязняющих веществ в атмосферу поступают десятки миллионов тонн твердых частиц. Это пыль, копоть, сажа, которые в виде мелких частиц свободно проникают в дыхательные пути и оседают в бронхах и легких. Однако и это еще не все — «по пути» они обогащаются сульфатами, свинцом, мышьяком, селеном, кадмием, цинком и другими элементами и веществами, многие из которых канцерогенны. С этой точки зрения особенно опасна для здоровья человека асбестовая пыль. К первому классу опасности также принадлежат кадмий, мышьяк, ртуть и ванадий. (Любопытны результаты сравнительного анализа, выполненного американскими учеными. Содержание свинца в костях скелета аборигена Перу, жившего 1600 лет назад, в 1000 раз меньше, чем в костях современных граждан США.)
С загрязнением атмосферы ассоциируется и такое специфическое явление, как кислотные дожди.

Земная атмосфера сравнительно хорошо пропускает коротковолновую солнечную радиацию, которая почти полностью поглощается земной поверхностью. Нагреваясь за счет поглощения солнечной радиации, земная поверхность становится источником земного, в основном длинноволнового, излучения, часть которого уходит в космическое пространство.
Ученыеисследователи продолжают спорить о составе так называемых парниковых газов (58). Наибольший интерес в этой связи вызывает влияние увеличивающейся концентрации углекислого газа (СОг) на парниковый эффект атмосферы. Высказывается мнение, что известная схема: «рост концентрации углекислого газа усиливает парниковый эффект, что ведет к потеплению глобального климата» — предельно упрощена и очень далека от действительности, так как наиболее важным «парниковым газом» является вовсе не углекислый газ (и не закись азота, не метан или хлорфторуглеводороды), а водяной пар. При этом оговорки, что концентрация водяного пара в атмосфере определяется лишь параметрами самой климатической системы, сегодня уже не выдерживают критики, так как антропогенное воздействие на глобальный круговорот воды убедительно доказано.
В качестве научных гипотез укажем на следующие последствия грядущего парникового эффекта. Во-первых, согласно наиболее распространенным оценкам, к концу XXI в. содержание атмосферного СОг удвоится, что неизбежно приведет к повышению средней глобальной приземной температуры на 3—5 °С. При этом потепление ожидается более сильным в высоких широтах и соответственно станет более засушливым лето в умеренных широтах Северного полушария.
Во-вторых, предполагается, что подобный рост средней глобальной приземной температуры приведет к повышению уровня Мирового океана на 20—165 см за счет термического расширения воды. (Что касается ледникового щита Антарктиды, то его разрушение не является неизбежным, так как для таяния необходимы более высокие температуры. В любом случае, процесс таяния антарктических льдов займет весьма продолжительное время.)
Втретьих, концентрация атмосферного СОг может оказать весьма благоприятное воздействие на урожаи сельскохозяйственных культур. Результаты проведенных экспериментов позволяют предполагать, что в условиях прогрессирующего роста содержания СОг в воздухе природная и культурная растительность достигнут оптимального состояния: возрастет листовая поверхность растений, повысится удельный вес сухого вещества листьев, увеличатся средний размер плодов и число семян, ускорится созревание зерновых, а их урожайность повысится.
Вчетвертых, в высоких широтах естественные леса, особенно бореальные, могут оказаться весьма чувствительными к изменениям температуры. Потепление может привести к резкому сокращению площадей бореальных лесов, а также к перемещению их границ на север. Леса тропиков и субтропиков окажутся, вероятно, более чувствительными к изменению режима осадков, а не температуры. Однако прогнозы предстоящих изменений осадков очень неопределенны.
В целом, парниковый эффект атмосферы — это уравнение со многими неизвестными. Большая часть ученых полагает, что потепление реально проявится. Более того, многие утверждают, что глобальное потепление (примерно на 1° в XX в.) уже произошло (по крайней мере, его первая фаза), но оно было как бы замаскировано естественными климатическими изменениями. Однако есть ученые, считающие, что, как это ни парадоксально, ускоряющееся накопление СОг может привести не к потеплению, а к похолоданию. Подобное мнение основывается на том, что прогноз «перегрева» Земли при удвоении концентрации СОг в воздухе сделан исходя из ошибочной оценки парникового эффекта этого газа. Считается, что сторонники «перегрева» не учитывают колоссальной роли вод Океана в поглощении антропогенного СОг и недооценивают значения наземной биоты, и следовательно, почв как мощных ассимиляторов «избыточной» атмосферной углекислоты.

ПРИМЕРЫ: Экологические: засорение атмосферы, радиоактивные свалки, таяние айсбергов, парниковый эффект, уничтожение редких животных и растений.
Политические: перенаселение, ресурсы питания, терроризм,..
Социальные: алкоголизм, наркомания, социальное сиротство, беспризорность, бедность...
Экономические: кризис перепроизводства, неустойчивость курсов валют, урегулирование мировых цен на нефть и золото, импорт/экспорт трудовых ресурсов, безработица...