Источники загрязнения атмосферы
Колоссальная масса воздушной оболочки Земли и сбалансированность естественного круговорота в биосфере её газовых компонентов создают иллюзию неисчерпаемости ресурсов атмосферного воздуха. Однако, если учесть, что кроме исчерпаемости, атмосфера должна сохранять природные качества, эта иллюзия исчезает.
Уже начиная с XIX столетия, по мере развития промышленности, а затем энергетики и транспорта газовое равновесие в атмосфере начинает нарушаться: в круговорот естественный начинает вмешиваться социальный обмен веществ (см. главу 2 [2]).
Сегодня загрязнение атмосферы достигло колоссальных масштабов.
Главные источники загрязнения атмосферы: естественный и антропогенный [1]:
I. Естественное загрязнение:
- внеземное (космическая пыль);
- земное:
а) морское;
б) континентальное:
- дым;
- неорганическое (выветривания, вулканизм);
- органическое (растения, животные).
II. Антропогенное загрязнение:
1). радиоактивное: 2). прочие:
а) урановая руда: а) промышленность;
- добыча; б) транспорт;
- транспортировка; в) жилища;
- переработка; г) сельское хозяйство.
б) эксплуатация реакторов;
в) атомные взрывы;
г) отходы ТЭЦ.
Космическая пыль образуется из остатков сгоревших метеоритов при их прохождении в атмосфере. Ежегодно её выпадает на Землю 2…5 млн.т.
Природная пыль является составной частью земной атмосферы. Она представляет собой мельчайшие твёрдые взвешенные в воздухе частицы и ядра конденсации. Частицы природной пыли имеют органическое и неорганическое происхождение и образуются в результате разрушения и выветривания горных пород и почвы, вулканических извержений, лесных, степных и торфяных пожаров, испарения с поверхности морей. Одним из источников пыли в нижних слоях атмосферы являются безводные пустыни и степи. Кроме того, пыль образуется аэропланктоном, спорами растений, плесневыми и другими грибами, продуктами гниения, брожения и разложения растений и животных.
Атмосферный воздух над океаном включает мельчайшие кристаллы солей магния, натрия, калия, кальция, которые образуются в результате высыхания в воздухе брызг воды.
Как правило, естественное загрязнение не угрожает отрицательными последствиями для экосистем и обитающих в них живых организмов.
Источниками антропогенного загрязнения атмосферы являются транспорт, теплоэнергетика, предприятия ядерно-топливного цикла (ЯТЦ), промышленные и сельскохозяйственные предприятия. Несмотря на многообразие веществ, выбрасываемых в атмосферу этими источниками, можно указать наиболее распространённые выбросы: зола, пыль, оксиды серы, азота, сероводород, углеводороды, аммиак, оксиды углерода и т.д. За год в атмосферу Земли выбрасывается 200 млн.т. оксида углерода, более 20 млрд.т. диоксида углерода, 150 млн.т. диоксида серы, 53 млн.т. оксидов азота, свыше 250 млн.т. пыли, 120 млн.т. золы, более 50 млн.т. углеводородов [1].
Последствия загрязнения атмосферы
Парниковый эффект
Загрязнение атмосферы оказывает неблагоприятное воздействие не только на человека, но и на флору, фауну и различного рода сооружения.
Рассмотрим несколько наиболее важных последствий загрязнения воздушной среды.
С 1880 г. содержание диоксида углерода в атмосфере увеличилось с 0,027 % до 0,033 %. Учёные считают, что содержание СО2 в атмосфере будет удваиваться каждые 23 года.
Повышение концентрации СО2 в атмосфере может, по мнению многих учёных, вызвать глобальные изменения климата Земли в связи с так называемым парниковым эффектом.
Сущность этого эффекта состоит в том, что слой воздуха, обогащённого СО2, хорошо пропускает солнечную радиацию, но задерживает длинноволновое тепловое излучение Земли. Отражённый земной поверхностью солнечный свет в инфракрасной области поглощается в тропосфере и нижних слоях стратосферы, приводя к повышению их температуры.
Прошедший в 1997 г. Всемирный экологический форум в Киото констатировал, что через двадцать лет на Земле станет теплее на 3 градуса. Такого не наблюдалось за всю предыдущую историю человечества. Ночи будут теплее, летом станет больше жарких дней, а зимой – холодных. Проливные дожди будет сменять продолжительная засуха. Самый стремительный рост средней температуры на Земле за последние 50 лет наблюдается в районе Антарктиды. Здесь потеплело на 2,5 градуса, что вызвало обрушение ледников площадью в несколько тысяч квадратных километров и повышение уровня Мирового океана. Уровень воды в морях и океанах за последнее время поднялся на 10…15 сантиметров. К 2100 году, по прогнозам специалистов, он увеличится ещё на метр. Это приведёт к затоплению береговой линии и необходимости эвакуировать сотни миллионов человек. Увеличение температуры воздуха может привести к увеличению смертности среди лиц старше 65 лет. Однако Земле грозит не только большой потоп. По мнению американского эколога Уолленса Бороскера из Колумбийского университета, увеличение концентрации промышленных газов может изменить океанические течения. Например, обогревающий Европу Гольфстрим. И тогда температура в Дублине упадёт на 10 градусов.
Итоговый протокол форума в Киото зафиксировал обязательства стран Европейского союза сократить к 2010 году загрязнение атмосферы на 8 % по сравнению с 1990 годом.
Разрушение озонового слоя
От перераспределения и содержания озона, количество которого в атмосфере невелико (2×10-6 % по объёму), зависит не только метеообстановка, но и жизнедеятельность всей биосферы. Озон не пропускает на Землю опасное ультрафиолетовое излучение с длиной волны меньше 0,2 мкм. Вместе с тем, озон не пропускает около 20 % земного излучения – это препятствует охлаждению планеты.
В 1975 году сотрудники Калифорнийского университета Молина и Роуленд опубликовали результаты теоретических исследований, где предсказали, что накопление хлорфторуглеродов, в частности, фреонов в атмосфере может стать причиной разрушения озонового слоя и вызвать в ближайшем будущем ряд проблем, ставящих под угрозу жизнь человечества.
Фреоны или хладоны находят широкое применение в холодильных установках, в аэрозольных огнетушителях, в бытовых аэрозольных упаковках, при производстве пластмасс, компьютерных микросхем.
В начале 80-х годов английские учёные на станции Халли-Бей в Антарктиде заметили уменьшение концентрации озона над континентом. Исследования показали, что в 1980г. содержание озона в атмосфере над станцией уменьшилось на 20 % по сравнению с нормой, в 1983 г. – на 30 %, в 1984 г. – на 35 %, в 1985 г. – на 40 %. В 1987 г. озоновая дыра занимала площадь 8 млн. км2, причём количество озона в этой области сократилось почти на 50 %. Местами дыра вышла за пределы Антарктиды, захватив Мельбурн. При этом в Австралии значительно возросла заболеваемость меланомой – раком кожи.
В чём угроза накопления фреонов в атмосфере для озонового слоя? Предполагается, что диффундируя в стратосферу, молекулы фреонов под действием солнечного излучения в ходе химического разложения выделяют атомы хлора, которые катализируют распад озона, особенно при низких температурах. Производные хлора попадают в стратосферу и с продуктами сгорания топлива космических ракет.
Слой озона уменьшается не только над Антарктидой. В 1994 году гигантская озоновая аномалия захватила территории Западной, Восточной Европы, бывшего СССР, США, над которыми – на протяжении 12 месяцев – озоновый слой уменьшался на 10…15 %, а в отдельные месяцы – на 20…30 %. В феврале 1995 года над рядом районов Восточной Сибири зарегистрировано снижение озона на 40%.
В 1985 г. была принята Венская конвенция по охране озонового слоя, в 1987 г. – Монреальский протокол к конвенции по веществам, разрушающим озоновый слой. Предусмотрено поэтапное сокращение производства и потребления хлорфторуглеродов.
Кислотные осадки
Диоксиды серы и азота, главным источником которых являются мощные теплоэлектростанции, путешествуя на высоте нескольких сотен метров, за счёт соединения с атмосферной влагой образуют серную и азотную кислоты, выпадающие с осадками, часто в десятках километров от источника выделения. Так, Норвегия, выбрасывая в атмосферу двуокиси серы меньше других стран (таблица 1.2), более других страдает от кислотных осадков. В Швеции и Норвегии рыба погибла в 6500 озёрах и 7 реках [4]. Ущерб не ограничивается гибелью водных обитателей. По пищевой цепи гибнут птицы и животные. Выбросы попадают в Норвегию, которая вытянута вдоль направления миграции загрязнений атмосферы.
Кислотные осадки разрушают хлорофилл в листьях растений. Листья темнеют, краснеет хвоя. К кислотным осадкам очень чувствительны злаки, фасоль, свёкла, редис, помидоры. Происходит закисление почв и подземных вод, что делает непригодной для употребления колодезную воду.
Диоксид серы и другие её соединения раздражают слизистую оболочку глаз и дыхательные пути. Продолжительное действие малых концентраций SO2 ведёт к возникновению хронического гастрита, бронхита, ларингита, рака лёгких [1].
Таблица 1.2 - Динамика выбросов двуокиси серы (1985г.)
| Страна | Выбросы, тыс. т. в год |
| 1 Норвегия 2 Швеция 3 Финляндия 4 СССР (европейская часть) 5 ФРГ 6 ГДР 7 Дания 8 Великобритания 9 Франция |
Смог
Промышленные предприятия, городской транспорт и теплогенерирующие установки являются причиной смога -–колоссального загрязнения воздушной среды над городами. Способствуют смогу и неблагоприятные погодные условия – отсутствие ветра, температурная инверсия.
При обычных условиях температура воздуха над воздушным бассейном населённого пункта значительно ниже той температуры, которую имеет воздух в околоземном пространстве. Поэтому даже при отсутствии ветра происходит вентилирование воздушного бассейна: имеющий меньшую плотность тёплый загрязнённый воздух поднимается вверх, а чистый воздух, большей плотности, поступает вниз. В некоторых местах Земли города (Лондон, Лос-Анджелес, Кемерово, Нижний Тагил и т.д.) часто возникает температурная инверсия, когда воздух над воздушным бассейном имеет более высокую температуру, чем в приземном слое, и, следовательно, меньшую плотность. Поэтому чистый воздух не может опуститься вниз и вентилировать воздушный бассейн. Ситуация ещё более усугубляется отсутствием ветра – все вредные вещества, поступающие в воздушный бассейн, остаются над городом.
В 1952 году смог в Лондоне за 5 дней погубил 5000 человек, а 10000 получили тяжёлые заболевания.
Различают следующие типы смогов:
1) ледяной (аляскинского типа) – сочетание газообразных загрязнителей, пылевых частиц и кристаллов льда, возникающих при замерзании капель тумана;
2) влажный (лондонского типа) - сочетание газообразных загрязнителей (в основном сернистого ангидрида), пылевых частиц и капель тумана;
3) сухой, фотохимический (лос-анджелеского типа) – вторичное (кумулятивное) загрязнение воздуха, возникающее разложение загрязняющих веществ солнечными лучами, особенно ультрафиолетовыми.
Главным ядовитым компонентом фотохимического смога является озон (О3), кроме того, в его состав входят угарный газ (СО), соединения азота (NOх), перекись ацетилнитрата, азотная кислота (HNO3) и др. На образование и устойчивость этого типа смога влияют температурная инверсия, солнечное излучение и степень загрязнения воздуха транспортными и промышленными газами.
Если вдуматься в сложившуюся ситуацию, то можно прийти к выводу о том, что наблюдается процесс медленного самоубийства человечества. По сравнению с 1900 годом в мире в несколько раз увеличилась заболеваемость, связанная со злокачественными новообразованиями. Медики и экологи считают, что практически 40 % заболеваний (онкология, инфекционные заболевания, сахарный диабет, бронхиальная астма и т.п.) вызваны экологическими причинами.
Иногда именно загрязнение воздуха приводит к смертельным исходам. Чаще умирают люди, уже страдавшие тяжёлыми заболеваниями органов дыхания и сердечно-сосудистой системы. Однако есть фактор, бесспорно коррелирующий с числом серьёзных лёгочных и сердечно-сосудистых заболеваний – это курение. Курильщики в загрязнённом воздухе больше подвержены заболеваниям лёгких, чем в отсутствии загрязнения. [6]. Курение и загрязнение воздуха обладают эффектом синергизма.
Таким образом, увеличение загрязнения атмосферы приводит к росту числа различных заболеваний и преждевременных смертей.