Лекция 8 Тема: Загрязнение атмосферного воздуха и его последствия. Охрана атмосферы от загрязнения.
Вопрос о воздействии человека на атмосферу находится в центре внимания экологов всего мира, т.к. крупнейшие экологические проблемы современности («парниковый эффект», нарушение озонового слоя, выпадение кислотных дождей) связаны именно с антропогенным загрязнением атмосферы.
Атмосферный воздух выполняет и сложнейшую защитную функцию, теплоизолируя Землю от космоса и предохраняя ее от жестких космических излучений. В атмосфере идут глобальные метеорологические процессы, формирующие климат и погоду, задерживается (сгорает) масса метеоритов.
Однако в современных условиях возможности природных систем к самоочищению существенно подорваны возросшей антропогенной нагрузкой. В результате воздух уже не в полной мере выполняет свои защитные, терморегулирующие и жизнеобеспечивающие экологические функции.
Загрязнением атмосферного воздуха это любые изменения состава и свойств воздуха, которые оказывают негативное воздействие на здоровье человека и животных, состояние растений и экосистем в целом.
Загрязнение атмосферы может быть естественным (природным) и антропогенным (техногенным).
Естественное загрязнение вызвано природными процессами. К ним относятся вулканическая деятельность, выветривание горных пород, ветровая эрозия, дым от лесных и степных пожаров и т.д.
Антропогенноезагрязнение связано с выбросом различных загрязняющих веществ (ЗВ) в процессе деятельности человека. По масштабам превосходящие природные.
В зависимости от масштабов различают:
- местное (повышение содержания ЗВ на небольшой территории: город, промышленный район, сельскохозяйственная зона);
- региональное (в сферу негативно воздействия вовлекаются значительные пространства, но не вся планета);
- глобальное (изменение состояния атмосферы в целом).
По агрегатному состоянию выбросы ЗВ в атмосферу классифицируются следующим образом:
- газообразные (SO2, NOx, CO, углеводороды и др.);
- жидкие (кислоты, щелочи, растворы солей и др.);
- твердые (органическая и неорганическая пыль, свинец и его соединения, сажа, смолистые вещества и пр.).
Поллютанты - главные загрязнители атмосферного воздуха, образующиеся в процессе производственной или иной деятельности человека – диоксид серы (SO2), оксид углерода (СО) и твердые частицы. На их долю приходится около 98% в общем объеме выбросов ЗВ.
Суммарный мировой выброс в атмосферу четырех главных загрязнителей атмосферы составил в 2010 г.более 450 млн. т. Кроме указанных главных загрязнителей в атмосферу попадает много других очень опасных ЗВ: свинец, ртуть, кадмий и др. и другие тяжелые металлы (ТМ) (источники выброса: автомобили, плавильные заводы и др.); углеводороды (СnH m ), среди которых наиболее опасен бенз(а)пирен, обладающий канцерогенным действием (выхлопные газы, топка котлов и т.д.); альдегиды и, в первую очередь, формальдегид; сероводород, токсичные летучие растворители (бензины, спирты, эфиры) и др.
Радиоактивные - наиболее опасное загрязнение атмосферы. В настоящее время оно обусловлено в основном глобально распределенными долгоживущими радиоактивными изотопами – продуктами испытания ядерного оружия, проводившимися в атмосфере и под землей. Приземный слой атмосферы загрязняют также выбросы в атмосферу радиоактивных веществ с действующих АЭС в процессе их нормальной эксплуатации и другие источники.
Особое место занимают выбросы радиоактивных веществ из четвертого блока Чернобыльской АЭС в апреле – мае 1986 г. Если при взрыве атомной бомбы над Хиросимой (Япония) в атмосферу было выброшено 740 г радионуклидов, то в результате аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 г суммарный выброс радиоактивных веществ в атмосферу составил 77 кг (!).
Локальное избыточное поступление тепла от антропогенных источников - еще одна форма загрязнения. Признаком теплового (термического) загрязнения атмосферы служит так называемые термические зоны (острова тепла в городах, потепление водоемов и т.п.).
Основной вклад в загрязнение атмосферы вносят следующие отрасли промышленности:
- теплоэнергетика (ГЭС и АЭС, промышленные и городские котельные);
- предприятия черной металлургии,
- предприятия угледобычи и углехимии,
- автотранспорт (т.н. передвижные источники загрязнения),
- предприятия цветной металлургии,
- производство стройматериалов.
Экологические последствия загрязнения атмосферы.
Загрязнение атмосферного воздуха воздействует на здоровье человека и на окружающую природную среду различными способами – от прямой и немедленной угрозы (смог, угарный газ и др.) до медленного и постепенного разрушения систем жизнеобеспечения организма.
Влияние локального (местного) загрязнения атмосферы. Физиологическое воздействие на человеческий организм главных загрязнителей (поллютантов) чревато самыми серьезными последствиями.
Диоксид серы, соединяясь с атмосферной влагой, образует серную кислоту, которая разрушает легочную ткань человека и животных. Особенно опасен диоксид серы, когда он осаждается на пылинках и в этом виде проникает глубоко в дыхательные пути.
Пыль, содержащая диоксид кремния (SiO2), вызывает тяжелое заболевание легких – силикоз.
Оксиды азота раздражают, а в тяжелых случаях и разъедают слизистые оболочки (глаз, легких) участвуют в образовании ядовитых туманов и т.д.; особо опасны они в воздухе совместно с диоксидом серы и другими токсичными соединениями (возникает эффект синергизма, т.е. усиления токсичности всей газообразной смеси).
Оксид углерода (угарный газа, СО): при остром отравлении появляется общая слабость, головокружение, тошнота, сонливость, потеря сознания, возможен летальный исход (даже спустя три – семь дней после отравления).
Среди взвешенных частиц (пылей) наиболее опасны частицы размером менее 5 мкм, способные проникать в лимфатические узлы, задерживаться в альвеолах легких, засорять слизистые оболочки.
Весьма неблагоприятными последствиями могут сопровождаться и такие незначительные по объему выбросы, как содержащие свинец, бенз(а)пирен, фосфор, кадмий, мышьяк, кобальт и др. Эти поллютанты угнетают кроветворную систему, вызывают онкологические заболевания, снижают иммунитет и т.д. Пыль, содержащая соединения свинца и ртути, обладает мутагенными свойствами и вызывает генетические изменения в клетках организма.
Последствия воздействия на организм человека вредных веществ, содержащихся в выхлопных газах автомобилей, имеют широчайший диапазон действия: От кашля до летального исхода.
Антропогенные выбросы загрязняющих веществ наносят большой вред также растениям, животным и экосистемам планеты в целом. Описаны случаи массового отравления диких животных, птиц, насекомых при выбросах вредных загрязняющих веществ большой концентрации (особенно залповых).
Экологические последствия глобального загрязнения атмосферы.К важнейшим относятся:
1) возможное потепление климата (“парниковый эффект”);
2) нарушение озонового слоя;
3) выпадение кислотных дождей.
Возможное потепление климата (“парниковый эффект”) выражается в постепенном повышении среднегодовой температуры, начиная со второй половины прошлого века. Большинство ученых связывают его с накоплением в атмосфере т.н. парниковых газов - диоксида углерода, метана, хлорфторуглеродов (фреонов), озона, оксидов азота и т.д. Парниковые газы препятствуют длинноволновому тепловому излучению с поверхности Земли, т.е. атмосфера, насыщенная парниковыми газами, действует, как крыша теплицы: она пропускает внутрь большую часть солнечного излучения, с другой – почти не пропускает наружу тепло, переизлучаемое Землей.
Деградация атмосферы - важнейший фактор антропогенного воздействия на глобальный климат, нарушение состава и состояния экосистем вследствие нарушения экологического равновесия. Человек, используя мощность порядка 10 ТВт, разрушил или сильно нарушил на 60% суши нормальное функционирование естественных сообществ организмов. В результате из биогенного круговорота веществ изъята значительная их масса, которая раньше затрачивалась биотой на стабилизацию климатических условий.
Нарушение озонового слоя- снижение концентрации озона на высотах от 10 до 50 км (с максимумом на высоте 20 – 25 км), местами до 50% (т.н. “озоновые дыры”). Снижение концентрации озона снижает способность атмосферы защищать все живое на земле от жесткого ультрафиолетового излучения. В организме человека избыточное ультрафиолетового облучение вызывает ожоги, рак кожи, развитие глазных заболеваний, подавление иммунитета и т.д. Растения под влиянием сильного УФ-излучения постепенно теряют свою способность к фотосинтезу, а нарушение жизнедеятельности планктона приводит к разрыву трофических цепей биоты водных экосистем и т.д.
Предполагается как естественное, так и антропогенное происхождение “озоновых дыр”. Последнее, по мнению большинства ученых, наиболее вероятно и связано с повышенным содержанием хлорфторуглеродов (фреонов), широко применяемыми в производстве и быту (хладоагрегаты, растворители, распылители, аэрозольные упаковки и др.). Поднимаясь в атмосферу, фреоны разлагаются с выделением оксида хлора, образующегося из молекул озона атмосферы.
Выпадение кислотных дождейвызвано соединением с атмосферной влагой газообразных выбросов в атмосферу диоксида серы и оксидов азота с образованием серной и азотной кислот. В результате осадки оказываются подкисленными (рН ниже 5,6). Суммарные мировые выбросы двух главных загрязнителей воздуха, вызывающих закисление осадков – составляют ежегодно более 255 млн. т. На огромной территории природная среда закисляется, что весьма негативно отражается на состоянии всех экосистем, причем экосистемы разрушаются при меньшем уровне загрязнения воздуха, чем тот, который опасен для человека.
Опасность представляют, как правило, не сами кислотные осадки, а протекающие под их влиянием процессы: из почвы выщелачиваются не только необходимые растениям питательные вещества, но и токсичные тяжелые и легкие металлы – свинец, кадмий, алюминий и др. Впоследствии они сами или образуемые ими токсичные соединения усваиваются растениями или другими почвенными организмами, что ведет к весьма негативным последствиям. Пятьдесят миллионов гектаров леса в 25 европейских странах страдают от действия сложной смеси загрязняющих веществ (токсичные металлы, озон), кислотных дождей. Ярким примером действия кислотных дождей служит закисление озер, особенно интенсивно происходящее в Канаде, Швеции, Норвегии и на юге Финляндии. Объясняется это тем, что значительная часть выбросов таких промышленно развитых стран, как США, ФГР и Великобритания, выпадают именно на их территорию.
Для интегральной оценки состояния воздушного бассейна применяется индекс суммарного загрязнения атмосферы:
Im = S (qi – Ai) Ci ,
где qi - средняя за год концентрация в воздухе i-го вещества;
Ai – коэффициент опасности i-го вещества,
Ci - коэффициент, зависящий от класса опасности этого вещества: 1,5, 1,3, 1,0 и 0,85 соответственно для 1, 2, 3 и 4 класса опасности.
Im является упрощенным показателем и рассчитывается обычно для m=5 – наиболее значимых концентраций веществ, определяющих суммарное загрязнение воздуха. В эту пятерку чаще других попадают такие вещества, как бенз(а)пирен, формальдегид, фенол, аммиак, диоксид азота, сероуглерод, пыль. Индекс Im изменяется от долей единицы до 15 – 20 – чрезвычайно опасных уровней загрязнения.