Антропогенное зaгpязнение атмосферы

Лекция 2. Мониторинг среды обитания - комплексный мониторинг.

Изменения окружающей среды под влиянием антропогенных воздействий

­Известно, что изменения в окружающей среде происходят как под влиянием естественных процессов, так и антропогенных воздействий. После естественных циклических изменений экосистемы обычно восстанавливаются и возвращаются в первоначальное состояние. Перепады температуры, давления, сезонные колебания биомассы животных ­примеры естественных изменений, которые варьируются около относительно постоянных средних значения. Средние характеристики состояния биосферы (климата, круговорота воды, и др.) могут заметно изменяться в течение тысяч и млн. лет. Антропогенные изменения происходят сравнительно быстро: за одно два десятилетия и сопоставимы по масштабам с естественными, протекающими в течение тысячелетий.

Естественные изменения изучаются геофизическими службами:

гидрометеорологической;

­сейсмической;

­ионосферной;

гpавиметрической;

магнитометрической и др.

Последствиями антропогенного «давления» на биосферу могут быть:

изменения циркуляции газов между океаном и воздушной оболочкой Земли, погодно­-климатических условий па планете, нарушение озонового слоя; загрязнение Мирового океана нефтью и нефтепродуктами; нарушение естественных мест обитания и путей миграции в животном мире; нарушение биогеоценозов и т.д. В связи с этим вопросы охраны окружающей среды связаны, как правило, с тремя се основными составляющими: ­ атмосферой; ­ гидросферой; литосферой.

Антропогенное зaгpязнение атмосферы

­Известно, что экологическое равновесие, сложившееся в природе, в результате деятельности человека в последние годы изменилось. Происходит сильное за­грязнение атмосферы особенно в больших городах: 90 % веществ, загpязняющих атмосферу, составляют газы и 10 % ­ твердые частицы. Наиболее опасным результатом загрязнения являются смоги. Cмог появляется при неподвижном воздухе, когда, с одной стороны, отсутствуют горизонтальные ветры, а с другой ­ распределение температуры по высоте атмосферы таково, что отсутствует вертикальное перемешивание атмосферных слоев. Перемешивание, или конвекция, воздуха в тропосфере происходит за счет тoгo, что по мере движения вверх от земли через каждые 100 метров температура снижается на 0,6 °С.

Смоги бывают двух типов:

­лондонскоrо типа (густой туман, смешанный с дымом) и ­ лос­анжелесского типа (фотохимический туман). Смог, называемый лондонским, наблюдается в туманную безветренную погоду. Весь дым не уносится ветром, а задерживается туманом и остается над городом, производя тяжелое действие на здоровье людей. Такой смог наблюдается при пасмурной, туманной погоде, способствующей значительному возрастанию концентрации сернистого ангидрида и трансформации eгo в еще более токсичный аэрозоль серной кислоты. Одновременное возрастание концентрации других ингpедиентов атмосферных выбросов может усиливать дей­ствие сернистого анrидрида или катализировать eгo превращение в серный ангидрид.

Второй тип смогов­ фотохимический, появляется в больших южных городах в

безветренную ясную погоду, когдa скапливаются окислы азота, содержашиеся в выхлопных газах автомобилей. Фотохимический туман впервые наблюдали в Лос­-Анджелесе, затем в Токио, Мехико и других городах. В eгo образовании огромную роль иrpают выхлопные газы автотранспорта. Механизм образования фотохимического тумана следующий: молекулы окислов азота (NO, N₂0), содержащихся в выхлопных газах, возбуждаются за счет энергии ультрафиолетовых лучей солнца, затем, реагируя с кислородом воздуха, образуют озон. Последний, реагируя с уrлеводородом выхлопных газов (СхНх) или выбросов нефтеперерабатывающих предприятий, образует фотооксиданты: орrанические перекиси, свободные радикалы, альдеrиды, кетоны.

Накапливаясь при ясной, безветренной погоде на улицах города, озон и

фотооксиданты вызывают сильное раздражение глаз, верхних дыхательных путей, результатом котopoгo являются слезотечение, мучительный кашель. Понижается видимость в атмосфере, повреждаются зеленые насаждения, поверхности зданий и т.д.

Представляют интерес объемные показатели выбросов автотранспортом вредных веществ. По различным субъектам Российской Федерации диапазон колебаний их величин достаточно широк: от 16 тыс. т вгод до 2 млн. т. в год приблизительно. Рекорд принадлежит Тюменской области, где выбросы составляют свыше 1 951,8 тыс. тонн. Выбросы в объеме свыше полумиллиона тонн в год наблюдались в Краснодарском крае, Московской области, Башкортостане, Алтайском и Красноярском краях, Ростовской области и в самой Москве.

Разрушительное действие оказывает антропогенное воздействие на атмосферный озон. Озон образуется в стратосфере из молекулярного кислорода путем присоединения к нему aтомарногo кислорода, который образуется под воздействием ультрафиолетовоrо излучения Солнца (в результате фотодиссоциации молекулярноrо кислорода). Стратосферный озон (озоносфера) расположен на высотах от 10 до 45 км. Общее содержание озона в этом слое невелико (толщина приведенного к нормальному давлению слоя составляет всегo около 3 мм.). Слой озона защищает поверхность Земли и все живое на Земле от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Поглощая это излучение, озон существенно влияет на распределение температуры в верхней атмосфере. Разрушение молекул озона очень сильно зависит от наличия различных составляющих (окислов азота, водорода, хлора, брома). В их присутствии фотохимические реакции разрушения озона носят каталитический характер ­ количество циклов разрушения озона при этом составляет от сотен до миллионов. Наличие антропогенных примесей может легко нарушить установившийся естественный процесс образования и разрушения стратосферного озона. Наиболее заметное влияние на озонный слой могут оказать некоторые вещества, попадающие в тропосферу, но ведущие себя в этом слое химически инертно. Это, прежде всего, хлорфторметаны (фреоны) и др., выделяющиеся при работе холодильных установок и используемые в качестве растворителей в промышленности и пропеллентов в аэрозольных упаковках. Попадая в стратосферу, эти соединения под воздействием ультрафиолетового излучения разлагаются и выделяют свободный галоген, который играет роль катализатора при разрушении озона. Кроме тогo, разрушению озона могут способствовать попадание в озоносферу закиси азота (N₂0), выделяющийся при использовании минеральных удобрений, а также непосредственные выбросы различных веществ в стратосферу при полетах сверхвысотных самолетов.

Существенную роль в загpязнении атмосферы играют тяжелые металлы (ТМ), например, примеси, действие которых проявляется при малых концентрациях.

Такой примесью является тетраэтилсвинец, который используется в качестве

присадки к бензину и служит для предотвращения детонации топлива в двигателе.

Количество eгo по весу немногим менее 0,1 %. Работающие двигатели автомобилей ежегодно выбрасывают в атмосферу около двух миллионов тонн свинца. В результате свинец появляется уже в овощах в количестве до 2 мг/кг. Попадая в организм человека, тяжелые металлы вызывают в нем изменения.

Ионы тяжелых металлов легко связываются с белками (в том числе с ферментами), подавляя синтез макромолекул и в целом обмен веществ в клетках.

Так, например, кадмий накапливается в почках и поражает почки и нервную

систему человека, при больших количествах приводит к тяжелым специфическим заболеваниям. Важным компонентом атмосферы является сера, которая входит в состав суль­фатных аэрозолей, одного из наиболее распространенных видов аэрозолей в атмосфере. В глобальных масштабах выбросы оксидов серы составляют 160 ­-180 млн. тонн в год. Из них 90 % приходится на сжигание минерального топлива и 10 % ­ на выбросы металлургических и химических предприятий. Под действием ультрафиолетового излучения сернистый ангидрид превращается в серный ангидрид, который с атмосферным водяным паром образует сернистую кислоту. Сернистая кислота спонтанно превращается в серную кислоту, очень гигроскопичную, способную образовывать токсичный туман. Предельно­ допустимый уровень (ПДУ) S0₂, в воздухе составляет 1 00 ­ 150 мг/м ³ .

Очень опасными загрязнителями биосферы являются окислы азота. Ежегодно в атмосферу Земли поступает около 150 млн. тонн окислов азота, половина из которых выбрасывается тепловыми электростанциями и автомобилями, а другая половина образуется в результате процессов окисления, происходящих в биосфере. Окись азота при взаимодействии с кислородом воздуха образует двуокись азота, которая в результате реакции с атмосферным водяным паром (радикалом гидроксила воды) превращается в азотную кислоту. Двуокись азота (N0₂), раздражает органы дыхания, вызывает кашель, при больших концентрациях ­ рвоту, головную боль.

Азотная кислота может долго оставаться в газообразном состоянии, так как она плохо конденсируется, и при больших концентрациях может вызвать отек легких.

Капли облаков конденсируются на частицах аэрозолей и молекулах серной и

азотной кислоты. При выпадении осадков промывается слой атмосферы между облаком и землей. Так образуются кислотные дожди. Их появление вызвано значительным накоплением окислов серы и азота в атмосфере. Кислотные дожди,

взаимодействуя с тяжелыми металлами в почве, переводят их в легко усваиваемую растениями форму. Далее по пищевой цепи тяжелые металлы попа­дают в организмы рыб, животных и человека. Сжигание горючих ископаемых и других видов топлива сопровождается выбросом углекислого газа в атмосферу. Увеличение количества углекислого газа в результате антропогенного воздействия ведет к изменению теплового баланса

Земли, парниковому эффекту. Углекислый газ пропускает падающее на Землю солнечное излучение, но поглощает отраженное от Земли длинноволновое инфракрасное излучение. Это приводит к нагреванию атмосферы. Загрязняющие примеси и пыль в атмосфере поглощают часть падающего на Землю излучения, что дополнительно повышает температуру атмосферы. Нагретая атмосфера посылает дополнительный поток тепла на землю, поднимая ее температуру. Этот процесс называется парниковым по аналогии с процессом, происходящим в парнике, в который свободно проходит солнечное излучение в оптической части спектра, а инфракрасное излучение задерживается. По мере увеличения за­грязнения атмосферы увеличивается температура поверхности земли. Особенно характерно проявление парникового эффекта в городах с промышленным производством: температура в центре оказывается на несколько градусов выше температуры в окрестностях города, особенно в безветренную погоду.