Структура, склад та екологічні функції атмосфери
Лекція 3. Антропогенний вплив на
Атмосферне повітря
План
1.Структура, склад та екологічні функції атмосфери
2. Джерела забруднення атмосферного повітря
2.1. Кислотні опади
2.2. Озоновий шар
2.3. Смог
2.4. Парниковий ефект
3. Заходи боротьби з забрудненням
Структура, склад та екологічні функції атмосфери
Атмосфера (від грец. atmos – пара, дихання; sphaira – шар) — газова оболонка планети, що складається з суміші різних газів, водяної пари, пилу. Вона є середовищем проживання наземних живих організмів (людей, тварин, рослин), тому її фізичний стан і процеси та явища, що відбуваються, здійснюють великий вплив на земне життя і формування умов середовища.
Оскільки Атмосфера є повітряною оболонкою Землі, з якою вона зв’язана силою тяжіння, тому вона взаємодіє і з іншими середовищами – водним, ґрунтовим. Через атмосферу здійснюється також обмін речовин між Землею та Космосом, а саме, Земля одержує пил та метеоритний матеріал із космосу, в свою чергу Космос – найлегші гази: Гідроген (Н) і Гелій (Не). Атмосфера Землі наскрізь пронизана потужною радіацією Сонця, яка визначає тепловий режим поверхні планети, викликаючи дисоціацію (розпад) молекул атмосферних газів і іонізацію атомів (перетворення нейтральних частинок в електрично зарядженні).
Маса всієї атмосфери оцінюється приблизно від 5,15 до 5,9×1015 т, що приблизно складає одну мільйонну маси Землі. Якби на Землі не існувало атмосфери, то добові коливання температури на ній досягли б ±200°С.
Майже вся атмосфера сконцентрована у відносно тонкому шарі, що прилягає до земної поверхні: приблизно половина маси – в шарі до 5 км, 75% - в шарі до висоти 10 км і близько 99 % - в шарі до висоти 30 км.
Повітря це механічна суміш різноманітних газів, в якому в зваженому стані знаходяться різноманітні рідкі та тверді частинки (атмосферні аерозолі). Це наприклад, молекули H2O, сірчаний газ, пил земної поверхні, сажа, частинки морських солей та ін.
В нижніх шарах атмосфери в змінній кількості міститься водяна пара. Вміст газів у повітрі прийнято виражати у відсоткових значеннях до об’єму чистого і сухого повітря. Приблизний вміст по об’єму (%) та масі в складі нижніх шарів атмосфери хімічних елементів і газів наведено в табл. 1
Таблиця1
Приблизний склад нижнього шару атмосфери (тропосфери)*
| Хімічні і гази | Вміст в нижніх шарах атмосфери, % | |
| за об’ємом | за масою | |
| Нітроген Оксиген Аргон Неон Гелій Риптон Гідроген Оксид карбону ІІ (середнє) Водяна пара: в полярних широтах в екватора Озон: в тропосфері в стратосфері Метан Окис азота Окис вуглецю | 78,084 20,946 0,934 0,0018 0,000524 0,000114 0,00005 0,034 0,2 2,6 0,000001 0,001-0,0001 0,00016 0,000001 тисячні долі, в повітрі і містах | 75,5 23,14 1,28 0,0012 0,00007 0,0003 0,000005 0,0466 - - - - 0,00009 0,0000003 0,0000078 до 0,000008 |
Атмосфера за своєю будовою має шарувату структуру і з висотою щільність повітря і тиск плавно знижуються і вона поступово переходить в міжпланетний простір. Температура в свою чергу змінюється нерівномірно, що пояснюється неоднаковим поглинанням, на різних висотах, сонячної енергії газами. Найінтенсивніші теплові процеси відбуваються у тропосфері, причому нагрівається атмосфера знизу, від поверхні океану та суші.
У зв’язку з цим Атмосфера поділяється на сфери: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, іоносферу, екзосферу (рис. ).
Тропосфера (від грец. τρόπος — поворот і σφαίρα — куля) – це нижній, найщільніший повітряний шар атмосфери, що безпосередньо прилягає до поверхні Землі. В залежності від широти Земної кулі, його висота змінюється. В межах полюсів, верхня межа приблизно дорівнює 8 км, на екваторі – 16 км (середнє значення – 10 км).
Головними хімічними елементами, що входять до складу тропосфери є Нітроген, Оксиген, Аргон і Оксид карбону ІІ. Кожний з елементів, відіграє важливу роль у процес життєдіяльності організмів.
До змінних складових, які також відіграють важливу роль у формуванні природних умов середовища відносяться водяна пара (концентрація якої змінюється від 0,2 % в приполярних до 2,6% поблизу екваторіальних широт) та пил.
Пил в атмосфері має велике значення. До його складу входять найтонші мінеральні частинки підхоплені вітром з поверхні суші, частинки солей, що залишились в повітрі від випаруваних бризок морської води, спорів, бактерій, продукти згоряння метеоритів та ін. Кількість пилу в атмосфері є непостійною, тому що залежить від інтенсивності вулканізму, антропогенних викидів, швидкості осадження частинок та ін. Загалом, велика запиленість атмосфери зустрічається над материками, особливо над посушливими областями Землі, що характеризуються бідною рослинністю, а також в густо заселених місцях, де високий рівень розвитку промисловості. Натомість, в полярних країнах і високо в горах, повітря прозоріше. Високий ступінь запиленості повітря, сприяє послабленню сонячної радіації, утворенню туманів, хмар, опадів та ін.
Стратосфера (від лат. stratum – настил, шар) – область повітряної оболонки, що простягається від межі з тропосферою до висоти 50-55 км. Між тропосферою і стратосферою є перехідний шар потужністю 1-2 км, що зветься тропопаузою. У цьому шарі вологість мінімальна, тому процеси конденсації водяної пари практично не відбуваються, лише зрідка з’являються перламутрові хмари (переважно взимку).
Повітря в стратосфері дуже розріджене, частинок, які б розсіювали відбите світло, дуже мало, тому небо виглядає фіолетовим, майже чорним.
Мезосфера (від грец. μέσος – середній і σφαίρα – куля) – шар атмосфери між стратосферою та термосферою, що простягається до висоти 80 км. Характеризується зниженням температури від 0° до –90°С. Мезосфера має такий же газовий склад, як і атмосферні шари, розташовані нижче неї. Відділяється мезопаузою від вище розміщеної термосфери. На висотах, близьких до верхньої межі мезосфери (80-85 км), спостерігаються так звані сріблясті хмари, що освітлюються у нічні години Сонцем. Найбільш ймовірно, що вони складаються з крижаних кристалів.
Термосфера (грец. υερμη – тепло та σφαίρα – куля) – це верхня частина атмосфери, над мезосферою, що характеризується дуже високими температурами.
Іоносфера атмосферний шар, що характеризується високим ступенем іонізації повітря, починається з висоти 60 км та простягається до 1000 км, охоплюючи мезосферу, мезопаузу, термосферу, термопаузу та екзосферу.
Екзосфера (від дав.-гр. ἐξω – «зовні» та σφαῖρα – куля) – це останній шар атмосфери, що починається з висоти понад 800 км. Його ще називають шаром розсіювання газів, оскільки молекули легких газів, долаючи сили земного тяжіння і магнітного поля, віддаляються в космос.Екзосфера з висотою переходить в «земну корону» (геокорону).
Отже, потужність повітряної оболонки, що захищає життя на нашій планеті від неживого космосу, складає – 1,5 тис. км, або близько 1/4 радіуса Землі, що за космічним масштабами становить лише 1/100000 відстані від Землі до Сонця.
Загалом, роль Атмосфери у процесах життєдіяльності живих організмів є надзвичайно великою, оскільки без її наявності, не було б життя на Землі. Вона виконує ряд екологічних функції, серед яких:
- затримує короткохвильове та гамма-випромінювання, які є згубними для життя на Землі (поглинаються верхніми шарами: іоносферою, в т.ч. озоносферою);
- захист поверхні Землі від ударів метеоритів;
- забезпечує постійний тепло-, волого - та газообмін на поверхні Землі, що впливає на зміну атмосферного тиску, циркуляцію повітря, формування погоди і клімату загалом;
- створює «парниковий ефект», майже не пропускаючи теплового випромінювання (завдяки наявності в атмосфері водяної пари і вуглекислого газу), є носієм тепла і вологи та регулятором сезонних і добових коливань температури;
- впливає на характер і динаміку всіх екзогенних процесів, що відбуваються в літосфері;
- завдяки унікальним пропорціям Нітрогену, Оксигену та інших газів, забезпечує такі основні процеси у біосфері, як фотосинтез, обмін енергії, дихання та ін.
2. Джерела забруднення атмосферного повітря
Забруднення атмосферного повітря – це будь-яка зміна його складу та властивостей, в результаті надходження різних газів, водяної пари і твердих часток (під впливом природних процесів або у результаті діяльності людини), що чинить негативний вплив на здоров'я людини,тварин, рослин та екосистеми в цілому.
За оцінками ВООЗ у 2012 році, приблизно 7 мільйонів випадків передчасної смерті були зумовлені забрудненням атмосферного повітря і повітрям всередині приміщень. Близько 80 % випадків, сталися в результаті ішемічної хвороби серця та інсульту, 14% - в результаті хронічної обструктивної хвороби легень або гострих інфекцій нижніх дихальних шляхів і 6% - у результаті раку легенів. Приблизно 88 % цих випадків, відбулися в країнах з низьким і середнім рівнями доходу (країни Західної частини Тихого океану і Південно-Східної Азії).
Всі джерела забруднення повітря поділяють на природні та штучні (антропогенні).
Природне забруднення атмосферного повітря відбувається в результаті збільшення в навколишньому середовищі кількості речовин, фізичних агентів, організмів внаслідок природних, як правило, катастрофічних процесів. До них належать:
- земне забруднення: лісові пожежі, викликані блискавками; виверження вулканів; дефляція ґрунтів; пилок рослин, що переноситься на великі відстані; вивітрювання гірських порід; пилові бурі; природна радіоактивність (випромінювання природних радіонуклідів), виніс морських солей, діяльність гейзерів, процеси розкладання тварин та рослин та ін.
- космічне: космічний пил, природна радіоактивність (рівень космічного випромінювання).
Природне забруднення умовно поділяють на континентальне і морське (океанічне), а також органічне і неорганічне.
Органічне природне забруднення – це забруднення повітря організмами, до яких відносяться аеро-планктон-бактерії, в т.ч. хвороботворні, спори грибів, пилок рослин (включаючи і отруйний пилок амброзії) та ін.
Неорганічне природне забруднення – це забруднення повітря викидами попелу і газів в результаті діяльності вулканів, виникнення лісових і степових пожеж, надходження деяких шкідливих домішок (вуглекислий газ, оксид вуглецю, сірководень, хлориди й інші сполуки), в атмосферу з океану, магнітні бурі (електромагнітне) та ін.
До найбільш небезпечних природних забруднювачів атмосфери можна віднести: діоксиди сірки і зважені частинки, що надходять в атмосферу під час сильних вулканічних вивержень, тверді і газоподібні частинки (СО, СО2), що концентруються над територіями, охопленими лісовими пожежами, а також в підвищених концентраціях – газ радон.
Прикладом можуть послужити виверження вулканів Ейяф'ятлайокютль (Ісландія) у 2010 р., хмара диму і попелу якого закрила майже усю Європу та Кракатау (Індонезія) у 1883р. - поширилися майже по всій земній кулі.
Слід зазначити і лісові пожежі, основна небезпека яких для атмосферного повітря полягає у формування викидів твердих речовин (дим, що містить канцерогенні речовини, сажа, пил) і летких продуктів піролізу в процесі горіння. Згідно з даними ряду авторів, вплив токсичних компонентів диму на людину варіює в широких межах і може викликати функціональні порушення в нервовій і ферментних системах, обміні речовин, спричиненням хвороби органів дихання, серцево-судинної системи, алергічні та інші патології.
Хімічний склад диму лісових пожеж включає понад 100 інгредієнтів (оксиди карбону, сульфуру, нітрогену, метану, альдегіди, органічні кислоти, феноли та інші органічні речовини. При згоранні 1 тонни рослинної маси в атмосферу виділяється 125 кг оксиду карбону, 12 кг вуглеводнів, 2 кг оксиду нітрогену, 22 кг завислих частинок вугільного пилу. Склад деревного диму на 50% представлений газоподібними речовинами, 25% – сажею, 20% – золою і 5% – смолянистими речовинами.
Наприклад, дерева і чагарники в США виділяють багато летючих органічних сполук (ЛОС), що утворюють блакитний серпанок, який закриває більшу частину гір Блу-Рідж (в перекладі "блакитний хребет"). Присутні в повітрі мікроорганізми (пилок, цвілеві гриби, бактерії, віруси) викликають у багатьох людей напади алергії та інфекційні захворювання.
Лише недавно стало відомо, що одним з негативних природних радіаційних забруднювачів, що чинить негативний вплив для здоров’я людини є радон. Його вплив складає близько половини дози, яку отримує людина від усіх джерел радіації. Починаючи з 1984 року саме радон викликав особливе занепокоєння вчених США і Європи.
Радон (радон-222) - це важкий інертний газ (у 7,5 разів важчий за повітря), що вивільняється з ґрунту або з деяких будівельних матеріалів (граніт, пемза, цегла, виготовлена із червоної глини), який не має ні запаху ні кольору, що робить неможливим виявити його наявність без спеціальних приладів ― радіометрів.
Кількість радону в повітрі, що вивільняється з земної кори, в різних країнах та регіонах значно відрізняється. В усіх розвинених країнах світу проведено картографування території, з метою визначення зон з високими концентраціями цього газу. В Росії вплив радону на населення почали вивчати близько 10 років тому, на Заході – 25 років. В НАТО створено спеціальний комітет, що займається цією проблемою, а у Сполучених Штатах майже у кожному будинку є датчики рівня радону.
Загалом, приблизно 10 % забруднювачів потрапляють в атмосферу внаслідок природних процесів, 90 % - антропогенних.
Антропогенне (штучне) забруднення – це забруднення повітря, що пов’язане з діяльності людини. Штучне забруднення атмосфери поділяють на радіоактивне, електромагнітне, шумове, дисперсне і газоподібне, а також за галузями промисловості і видами технологічних процесів.
Радіоактивне забруднення атмосфери – забруднення повітря радіоактивними аерозолями, які надходять в атмосферу під час випробовувань ядерної зброї, аварій на АЕС, радіоактивних виробництвах та ін. Потрапляючи у атмосферу радіоактивні речовини повітряними течіями розносяться на значні відстані, концентруються в основному на аерозолях, разом з якими поширюються, з опадами або під впливом гравітації осаджуються на землі.
Фізичне забруднення атмосфери – це всі види енергії, що надходять в результаті діяльності промислових об’єктів. До нього належать шумове, вібраційне, електромагнітне, світлове та ін.
Електромагнітне забруднення атмосфери – забруднення атмосфери електромагнітним випромінюванням (полями) джерелами якого виступають радіо, телевізійні і радіолокаційні станції, високовольтні лінії електропередач, електротранспорт, комп’ютерні технології та ін.
Шумове забруднення атмосфери – перевищення природного рівня шумового фону або зміна звукових характеристик: періодичності, сили звуку та ін., при інтенсивності шумового забруднення (тиску) 85 і більше дБ (децибел), що призводять до підвищеної стомлюваності людини і тварин, зниження продуктивності праці, фізичних і нервових захворювань.
Світлове забруднення– це вид фізичного забруднення, пов’язаний з порушенням природної освітленості в результаті дії штучних джерел світла (яскравий спалах світла, включені на близькій відстані вогні далекого світла у зустрічного автомобіля).
Вібраційне забруднення– форма фізичного забруднення, зумовленого підвищеним рівнем низькочастотних механічних коливань (вібрацій), що виникають під час роботи різних технічних пристроїв, вузлів, агрегатів, транспорту.
Хімічне забруднення атмосфери – забруднювачами є газоподібні, рідкі і тверді хімічні елементи і сполуки, що надходять в атмосферу і вступають у взаємодію з навколишнім середовищем (кислоти, луги, емульсії, сірчистий газ та ін.).
Біологічне забруднення атмосфери– це поява в природі в результаті діяльності людини нових різновидів живих організмів, підвищення патогенності паразитів та збудників хвороб, а також спровоковане діяльністю людини катастрофічне розмноження окремих видів.
Залежно від масштабів поширення виділяють різні типи забруднення атмосфери: місцеве, регіональне і глобальне.
За агрегатним станом викиди шкідливих речовин в атмосферу класифікуються на: газоподібні (діоксид сірки, оксиди азоту, оксид вуглецю, вуглеводні та ін); рідкі (кислоти, луги, розчини солей та ін); тверді.
Частка різних галузей промисловості у забрудненні атмосфери за всіма видами забруднень складає (у % від загального забруднення)
Основними джерелами антропогенного забруднення атмосфери на сьогоднішній день є:
· теплові електростанції, які забруднюють атмосферу викидами, що містять сірчистий ангідрид, двоокис сірки, окисли азоту, сажу, яка є носієм смолистих речовин, пил і золу, що містять солі важких металів;
· комбінати чорної металургії, що включають доменне, сталеплавильне, прокатне виробництва; гірничорудні цехи, агломераційні фабрики, заводи коксохімічні та по переробці відходів основних виробництв, теплоенергетичні установки; викиди в атмосферу містять оксид вуглецю, сірчистий ангідрид, пил, окисли азоту, сірководень, аміак, сірковуглець, аерозолі хрому та марганцю, бензол, фенол, піридин, нафталан;
· кольорова металургія забруднює атмосферу сполуками фтору, кольорових та важких металів (часто у вигляді аерозолів), парами ртуті, сірчистим ангідридом, окислами азоту, окислом вуглецю, поліметалічним пилом, смолистими речовинами, вуглеводнями, що містять бензопірен;
· машинобудування та металообробка забруднюють атмосферу аерозолями сполук кольорових і важких металів, зокрема парів ртуті, парами органічних розчинників;
· нафтопереробна та нафтохімічна промисловість є джерелом забруднювання атмосфери сірководнем, сірчистим ангідридом, окисом вуглецю, аміаком, вуглеводнем;
· підприємства неорганічної хімії викидають в атмосферу окисли сірки й азоту, сірководень, аміак, сполуки фосфору, вільний хлор, оксид вуглецю;
· підприємства органічної хімії викидають в атмосферу велику кількість складних органічних речовин, аерозолі соляної кислоти, сполуки важких металів, сажу й попіл;
· підприємства по виробництву будівельних матеріалів забруднюють атмосферу пилом, що містить сполуки важких металів, фтору, двоокису кремнію, азбесту, гіпсу, тонко дисперсний скляний пил;
· хімічне забруднення атмосфериавтотранспортом є важливим фактором, що визначає географію хімічного забруднення середовища; географічні закономірності поширення забруднювачів дуже складні і визначаються не тільки конфігурацією мережі автомагістралей та інтенсивністю переміщення по ним автотранспорту, але й великою кількістю перехресть, де транспорт працює на перемінних режимах; кількість моторизованого транспорту в усьому світі складає понад 630 млн. одиниць і вона ймовірно подвоїться в наступні 20 або 30 років.
Антропогенні викиди в атмосферу об’єднують у такі групи:
– забруднення, які утворюються в результаті згоряння палива для потреб промисловості, опалення житлових будинків, при роботі усіх видів транспорту;
– забруднення, які утворюються при згорянні і переробленні побутових і промислових відходів.
– забруднення, які утворюються при згорянні і переробленні побутових і промислових відходів.
Сьогодні у містах багатьох країн забруднення повітря у 15 разів вище, ніж у сільській місцевості, у 150 разів вище – ніж над океаном.
Потенційно шкідливий вплив хімічних забруднювачів на здоров’я згідно з «Керівними матеріалами Всесвітньої організації охорони здоров’я про якість атмосферного повітря» наведено в табл. 2.
Таблиця 2
Потенційно шкідливий вплив хімічних забруднювачів на здоров’я
Забруднення навколишнього середовища автотранспортом – одне із найбільш небезпечних для здоров’я людини, тому що, вихлопні гази надходять у приземний шар повітря, звідки утруднене їх розсіювання; до того ж будинки жилих кварталів, які знаходяться поряд з автомагістралями, є свого роду екраном для вловлювання забруднювачів. У складі відпрацьованих газів автомобілів найбільшу питому вагу за об'ємом мають – монооксид вуглецю (0,5-10%), оксиди азоту (до 0,8%), неспалені вуглеводні (0,2-3,0%), альдегіди (до 0,2%) та сажа. В абсолютних величинах на 1000 л палива карбюраторний двигун викидає з вихлопними та картерними газами: 200 кг монооксиду вуглецю, 25 кг вуглеводнів, 20 кг оксидів азоту, 1 кг сажі, 1 кг сірчистих сполук. Екологічний ефект впливу на здоров’я людини забруднення, що пов’язане з автотранспортом, залежить як від складу забруднювачів, так і від скупченості населення. Останнє визначається не просто шириною завантажених автомагістралей, але й близькістю до них жилих будинків. Обстеження 5226 дітей у віці 1-5 років, проведене в Україні, показало, що в 10,8% дітей, які живуть уздовж доріг з інтенсивним автомобільним рухом, вміст свинцю в крові досягав 60 мкг% та більше (при нормі 40 мкг %). У 30 м від цих доріг підвищений порівняно з нормою вміст свинцю відмічався у 8,1% дітей, а на відстані 60 м –тільки в 4,7%. Від 15 до 18 млн. дітей в світі страждає через високий вміст свинцю у крові. Було встановлено, що між розумовими здібностями дітей та кількістю свинцю, який поглинається з повітрям, існує зв'язок. Розумові здібності знижуються, оскільки свинець при тривалому впливі отруює та руйнує мозок. Джерелом свинцю є етилований бензин. Крім свинцю, в атмосферне повітря з вихлопними газами надходять такі отруйні речовини, як чадний газ (монооксид вуглецю), оксиди азоту й сірки, бензопірен. Вони викликають захворювання верхніх дихальних шляхів, серцево-судинної системи, різні онкологічні патології. Всередині машини рівень забрудненості в три рази вищий, ніж ззовні. Тривале вдихання парів бензину викликає рак легенів.38 Вважається, що через вихлопні гази щорічно помирають тисячі людей, а шкода, яка завдається навколишньому середовищу, обчислюється мільярдними збитками.
Смог
У грудні 1952 p. світові інформаційні агентства передавали тривожні повідомлення про біду, що спіткала Лондон. Через безвітряну й дуже холодну погоду над цим величезним містом утворився так званий чорний смог («смог» у перекладі з англійської означає «дим») — скупчення шкідливих газів, причиною якого була посилена робота котелень, що використовували вугілля, мазут і солярову оливу. В приземному шарі повітря різко (до 10 мг/м3, а подекуди й більше) зріс уміст отруйного оксиду азоту та інших шкідливих сполук. Це призвело до загибелі близько 4 тис. чоловік, а десятки тисяч потрапили до лікарень із захворюваннями легень.
Над іншим великим містом — Лос-Анджелесом — через велику загазованість його території внаслідок роботи автотранспорту досить часто з'являється так званий білий смог. Це явище серйозно загрожує здоров'ю жителів і таких міст, як Нью-Йорк, Чикаго, Бостон, Токіо, Мілан, Мехіко, а найближчим часом може виникнути й у наших великих індустріальних містах, до того ж іще й перевантажених автотранспортом (Київ, Харків, Дніпропетровськ, Одеса, Сімферополь, Запоріжжя та ін.). Утворенню смогу сприяє спекотна безвітряна погода.
Сьогодні 400 суперміст світу щороку викидають в атмосферу близько З млрд т відходів (газів, аерозолів, пилу та ін.). Це на 500 млн т більше, ніж дають 578 активних вулканів нашої планети.
Дослідження вчених свідчать, що смог виникає внаслідок складних фотохімічних реакцій (тому його ще називають фотохімічним смогом) у повітрі, забрудненому вуглеводнями, пилом, сажею та оксидами азоту під дією сонячного світла, підвищеної температури нижніх шарів повітря й великої кількості озону, який утворюється в результаті розпаду діоксиду азоту під впливом олефінів у парах несповна згорілого автомобільного палива.
В сухому, загазованому, теплому повітрі з'являється синюватий прозорий туман, який має неприємний запах, викликає подразнення очей, горла, задишку, спричинює розвиток бронхіальної астми, емфіземи легень тощо. Листя на деревах в'яне, стає плямистим, жовкне. Набагато прискорюються корозія металів, руйнування мармуру, фарб, гуми, швидко псуються одяг, взуття, порушується робота транспорту.
Смоги– окремо взяті речовини, які забруднюють повітря (від англ. Smoke – дим і fog – туман). Смоги виникають за певних умов: по-перше при великій кількості пилу й газів, що викидаються в повітря міста; по-друге, при тривалому існуванні антициклональних умов погоди, при яких забруднювачі накопичуються в приземному шарі атмосфери. Смоги бувають кількох типів. Найбільш вивчений і відомий вологий смог. Він звичайний для країн з морським кліматом, де часто бувають тумани та висока відносна вологість повітря. Це сприяє змішуванню забруднюючих речовин, їх взаємодії в хімічних реакціях. При антициклонах над містами й промисловими центрами отруйні гази та пил можуть накопичитись у 100-200- метровому шарі повітря. Тоді й виникає отруйний густий брудно-жовтий туман – вологий смог. Фотохімічний смог, ще його називають, смог лос-анджелеського типу. Повітря в Лос-Анджелесі (США) сухе, і тому смог тут утворює не туман, а синювату димку. Для його виникнення необхідне сонячне світло, яке викликає складне фотохімічне перетворення суміші вуглецю та оксидів азоту, які надходили в повітря від автомобільних викидів, у речовини, більш токсичні від вихідних атмосферних забруднень. Фотохімічний туман різко знижує видимість, супроводжується неприємним запахом, у людей виникає запалення очей, слизових оболонок носа і горла, загострюються легеневі захворювання. Фотохімічний туман пошкоджує рослини, викликає корозію металів, розтріскування синтетичних виробів та ін. Третій вид смогу – льодяний смог, або смог аляскінського типу. Він виникає в Арктиці і Субарктиці при низьких температурах антициклонів. У цьому випадку викиди навіть невеликої кількості забруднюючих речовин з топок приводять до виникнення густого туману, що складається з найдрібніших кристаликів льоду та сірчаної кислоти. Тривалість смогів – від одного до кількох днів, але інтенсивність забруднення може бути настільки великою, що нерідко викликає жертви серед населення. Коли концентрація токсичних речовин в повітрі досягає 2-4 мг/м3 , кількість померлих може зростати у порівнянні з середньою кількістю смертельних випадків.
Кислотні опади
До пріоритетних речовин, що змінюють склад атмосферного повітря відносяться такі хімічні речовини, як: діоксид сульфуру, оксиди нітрогену, продукти їх перетворень.
При взаємодії з вологою повітря ці сполуки утворюють в основному сульфатну і нітратну кислоти, що випадають з опадами на поверхню Землі.
Кислотні опадивизначаються як атмосферні кислоти, що осідають на землю як вологі (сніг, дощ, туман, імла і т.д.) і сухі опади (газ і сухі частинки), які мають рН < 5,6.
Вивчення явища «кислотних опадів» має тривалі історичні передумови.
У 17 ст. науковці помітили шкідливий вплив промисловості і кислотного забруднення на рослинність і людей. Але термін «кислотний дощ» ввів у наукову літературу в 1872 році англієць Р. Сміт у праці «Повітря і дощ: початки хімічної кліматології», де відмітив зміни хімічного складу дощової води під впливом спалювання вугілля, а також відмітив вплив дощу, напрямку вітру і близькості до моря на рослинність і матеріали.
Е. Ковлінг здійснив перший вагомий історичний огляд проблеми кислотних дощів. Він встановив, що у дослідженнях Евеліна у 1661 році і Гранта у 1662 році звернено увагу на вплив промислових викидів на рослини і людей, а також транскордонне перенесення атмосферних полютантів між Англією і Францією.
Проблема кислотних дощів на міжнародному рівні була піднята на 28 генеральній асамблеї Міжнародної спілки теоретичної і прикладної хімії (IUРАС), яка відбулася в Мадриді у 1975 році.
На асамблеї було відмічено, що охорона об’єктів довкілля від дії кислотних дощів є однією з найактуальніших проблем сьогодення
Про шкідливу дію кислотних дощів свідчать такі факти:в Канаді через систематичне випадання кислотних дощів стали «мертвими» понад 4000 озер, а 1200 - знаходяться на межі загибелі; у Швеції більше ніж у 1800 озерах порушена біологічна рівновага внаслідок дії кислотних дощів; у Німеччині і деяких районах Швейцарії загинула 1/3 всіх шпилькових рослин, а у гірських районах Баварії пошкоджено до 50 % лісових угідь.
Спостереження показують, що під впливом кислотних дощів швидкість росту вічнозелених рослин сповільнюється на 20-30 %
Природними джерелами надходження діоксиду сульфуру в атмосферу є головним чином:вулкани, лісові пожежі. На вулканічну діяльність припадає 31-41 % діоксиду сульфуру, на антропогенну – 59-69 %.
Природне надходження оксидів нітрогену пов’язане з:сильними грозовими розрядами і дією інтенсивного космічного випромінювання, при яких утворюється NO, а згодом – NO2. На природні джерела постачання сполук Нітрогену в атмосферу припадає 63 %, на антропогенні джерела – 37 %.
Оксиди сірки й азоту, що викидаються в атмосферу внаслідок роботи теплових електростанцій (ТЕС) та автомобільних двигунів, сполучаються з атмосферною вологою й утворюють дрібні крапельки сірчаної та азотної кислот, які переносяться вітрами у вигляді кислотного туману й випадають на землю кислотними дощами. Ці дощі вкрай шкідливо впливають на довкілля:
• знижується врожайність більшості сільськогосподарських культур через ушкодження листя кислотами;
• з ґрунту вимиваються кальцій, калій і магній, що призводить до деградації рослинності й, як наслідок, — збіднення тваринного світу;
• гинуть ліси (найчутливіші до кислотних дощів кедр, бук і тис);
• отруюється вода озер і ставків, у них гине риба, зникають комахи;
• щезають водоплавні птахи й тварини, що живляться комахами;
• загибель лісів спричинює в гірських районах (таких як Карпати) зсуви та селі;
• прискорюється руйнування пам'яток архітектури, споруд, особливо тих, що побудовані з вапняку, оздоблені мармуром;
• збільшується захворюваність людей (найчастіше хворобами очей, органів дихання тощо).
Взимку поблизу ТЕС і металургійних заводів іноді випадає також кислотний сніг, іще шкідливіший, ніж кислотний дощ, що пояснюється більшим вмістом у ньому кислот. Райони випадання такого снігу дістають одразу 4—5-місячну дозу забруднення, а внаслідок його танення навесні відбувається концентрація шкідливих речовин, тому тала вода інколи містить удесятеро більше кислот, ніж сам сніг.
• Більш як 230 озер у горах Адірондак (штат Нью-Йорк) мають критичний рівень забруднення сірчаною та азотною кислотами, принесеними кислотними дощами й снігом.
• До небезпечного для водних екосистем рівня закиснена також третина озер штату Флорида, 20 % озер штатів Массачусетс, Нью-Гемпшир, Род-Айленд.
• У такому самому стані перебувають 20 тис. озер півдня Швеції, сотні озер у Південній Канаді.
Негативний вплив викликає вдихання людьми повітря, забрудненого кислотним туманом. Діоксид сірки і меншою мірою діоксид азоту через високу розчинність добре поглинаються верхніми дихальними шляхами – до 80-95%, при ротовому диханні ступінь затримки менша. Діоксид сірки швидко розчиняється в крові та розноситься кровоносною системою. Він викликає як гіпертрофію (потовщення і збільшення), так і гіперплазію (зміну загальної кількості клітин в епітелії) органів, бронхоспазм, активізує слизовідділення, змінює фагоцитоз. Тривалий вплив діоксиду сірки збільшує кількість захворювань на рак. Дія діоксиду азоту дещо відрізняється від дії діоксиду сірки. Проникаючи в легені, він розчиняється в кровоносній системі, але, будучи сильним окислювачем, безпосередньо вражає легеневі тканини. У бронхах та альвеолах патологічні зміни проявляються вже в концентраціях, які реально спостерігаються в містах. Симптоми нагадують емфізему (розширення) легень. Особливо чутливі до діоксиду азоту тонкі лусочкові клітини, які здійснюють газообмін, та війчасті клітини у верхній частині дихального тракту, спостерігається скорочення їх кількості і активності. Діоксид азоту викликає не тільки зміну клітин та тканин, але й знижує бактеріальний захист легень.
Озоновий шар
Озоновий шар (озоносфера) - частина стратосфери на висоті від 10 до 50 км (в тропічних широтах 25-30 км, у помірних 20-25, в полярних 15-20), в якій під впливом ультрафіолетового випромінювання Сонця молекулярний кисень (О2) розщеплюється на атоми, які потім з'єднуються з іншими молекулами О2, утворюючи озон (О3).
Озон являє собою їдкий, трішки блакитнуватий газ. Він є «хімічним родичем» більш стабільної й багатої в Атмосфері речовини, необхідної для дихання людини, що складається з двох атомів кисню (О2)
Товщина цього шару в одну тисячну долю сантиметра відповідає одиниці Добсона.. Обраховано, що товщина усього озонового шару складає лише 2-3 мм.
При зменшені кількості озону в стратосфері змінюється теплова рівновага. При падінні концентрації озону вдвічі, температура стратосферного повітря зменшується на 10-30 С. А це в свою чергу може порушити стабільність всієї атмосфери з непередбаченими наслідками
«Озоновою дірою» називають тимчасове зменшення загальної кількості озону над певною ділянкою поверхні Землі. Найбільш чітко вона зареєстрована над Антарктикою з максимумом активності у весняні (вересень-листопад для південної півкулі) місяці.
У результаті відсутності сонячного випромінювання, під час полярних ночей озон не утворюється. Немає ультрафіолету - немає озону. Маючи велику масу, молекули озону опускаються до поверхні Землі і руйнуються, так як нестійкі при нормальному тиску.
Отже, до антропогенних джерел руйнування Озонового шару належать: сполуки сірки (вугілля, нафта, мідні руди, залізні руди), діоксин сірки (спалювання мусору).
Сірковмісні сполуки утворюються також в результаті діяльності живих організмів як на суші, так і на морі, у процесах, що протікають в земній корі, наприклад при вулканічній діяльності, діяльності гейзерів. У поверхневому шарі вод Світового океану виявлено тільки одне з'єднання, що містять сірку – диметилсульфід, який поступає у частці 3 % від загальної кількості сірчистих сполук, які виділяються антропогенними джерелами.
Активне функціонування хімічної промисловості, яка випускає речовини, що містять хлор і бром, спричинює нагромадження в атмосфері озоно-руйнівних газів (ОРГ);
Сучасна промисловість широко використовує так звані фреони (хлорфторметани) — CFC13, CF2ClBr тощо — як холодоагенти в рефрижераторах і побутових холодильниках, як аерозольні розбризкувані в балончиках із фарбою, лаком, парфумами, для очищення напівпровідникових схем і т. п. Щорічно в світі випускається кілька мільйонів тонн фреонів. Для людини пари фреонів не шкідливі. Та вони надзвичайно стійкі й можуть зберігатися в атмосфері до 80 років. Пари фреонів із висхідними повітряними течіями потрапляють у стратосферу, де під впливом УФ-випромінювання Сонця розпадаються, вивільняючи атоми хлору. Ця речовина діє на озон як дуже сильний каталізатор, розкладаючи його молекули до кисню. Один атом хлору здатен розкласти 100 тис. молекул озону!
• Занепокоєні загрозою руйнування озонового шару керівники багатьох країн світу вживають заходів для його збереження, й у 1985 р. в Монреалі було підписано Протокол про охорону атмосферного озону. Вирішено до 2000 р. скоротити на 50 % споживання фреонів, а згодом і зовсім відмовитися від них, замінивши їх безпечними сполуками. Проте це не реалізовано й сьогодні,оскільки США — головний забруднювач атмосфери — відмовилися підписати зазначений Протокол.
Призводить до руйнування озонового шару й військова діяльність, зокрема запуск балістичних ракет. їхні двигуни викидають в атмосферу дуже багато оксидів азоту. Під час кожного запуску ракети в Космос в озоновому шарі «пропалюється» величезна «діра», яка «затягується» лише за кілька годин. Світова громадськість дізналася про злочинні досліди мілітаристів щодо дії на озоновий шар планети (розробка «озонової» зброї).
У 70-ті роки американські військові розсіяли в стратосфері над одним із безлюдних атолів у Тихому океані спеціальні хімічні речовини, внаслідок чого в озоновому шарі над цим острівцем утворилася «діра», яка затягнулася тільки через багато годин. У результаті на атолі загинула майже вся наземна біота: пальми та інші рослини, тварини, мікроорганізми; з хребетних тварин залишилося кілька великих черепах (їх урятував товстий кістяний панцир), але вони осліпли — сітківка їхніх очей була спалена ультрафіолетом.
Парниковий ефект
Істотним антропогенним фактором є посилення «парникового ефекту» атмосфери через накопичення в ній вуглекислого газу, а також ряду інших газів (метан, оксиди азоту, фреони та тропосферний озон).
Існують різні думки з приводу парникового ефекту (термін “парниковий ефект” ввійшов у наукову лексику з XIX століття як “оранжерей ний”, його ввів С. Арреніус). Відомо, що на міжнародних конференціях, що відбулися в Ріо-де-Жанейро в 1992 році і в Кіото у 1997-му, цю проблему обговорювали, і на останній конференції було прийнято т.зв. квоти щодо припустимого рівня вмісту і викидів CO2 в атмосферу. На конференції було проаналізовано стан нижньої атмосфери в різних країнах і регіонах земної кулі на предмет вмісту CO2. Деякі країни перевищують припустимий рівень. Інші ще не дійшли до нього. Наприклад, скандинавські країни не досягли визначеного для них рівня, а США, Німеччина, Франція його вже перевищили. Цікаво, що промислово розвинені країни розташовані в північній півкулі, а озонову діру виявлено над південним полюсом. Група американських учених підготувала лист-звернення до урядів розвинених країн, у якому сказано, що “парниковий ефект” нікому не загрожує, і не потрібні подібні квоти на видобуток і споживання нафти, вугілля й інших видів палива. Лист підтримали начебто ще 17 тисяч вчених та інженерів. Але всі процеси, пов'язані з парниковим ефектом, поки що моделюють на комп'ютері. Згідно з цими моделями, у 2100 році на Землі може підвищитися температура на 2,50 С, що викличе підвищення рівня океану на 1 метр. Крім того, розтане вічна мерзлота, льодовики, збільшиться ерозія ґрунту, площа пустель тощо.
Суть «парникового» процесу в тому, що приблизно 30% енергії, що йде від Сонця, відбивається від хмар, від частинок, що містяться в атмосфері, від поверхні Землі. Решта 70% поглинаються хмарами і поверхнею Землі. Поглинута енергія перевипромінюється Землею і атмосферою вже в інфрачервоному (ІЧ) діапазоні. Велика частина перевипромінювання, затримується парниковими газами і хмарами і повертається до поверхні Землі. Так виникає «парниковий ефект». Роль парникових газів відіграють другорядні компоненти атмосфери СО2, СH4, NOx, тропосферний озон і хлорфторвуглеці. Головним є СО2, оскільки, по-перше, його частка в атмосфері дещо більше часток інших парникових газів, а по-друге, саме концентрація СО2 в даний час найбільш інтенсивно збільшується в результаті спалювання людиною викопного палива і вирубування лісів. Діоксид вуглецю затримує половину тепла в атмосфері, проте у нього є конкурент - метан (СН4) - набагато більш ефективний поглинач інфрачервоного випромінювання (хоча і міститься в атмосфері в значно менших кількостях). Концентрація СH4 в атмосфері почала зростати приблизно 300 років тому, а в останні 100 років різко збільшилася.
Джерелом появи в атмосфері метану в значних кількостях є обробіток рису, спалювання біологічних відходів, витік газу при видобутку вугілля і нафти та ін. За прогнозами деяких вчених, потепління клімату, яке викликається метаном, може в найближчому майбутньому зрівнятися за величиною з потеплінням, обумовленим накопиченням в атмосфері СO2.