Состав атмосферы в приземном слое атмосферы
| Квазипостоянные компоненты | Концентрация, об. д.,% | "Активные" примеси | Концентра-ция, об. д.,% |
| Азот N2 Кислород O2 Аргон Ar Неон Ne Гелий He Криптон Kr Ксенон Xe Водород H2 Диоксид углерода CO2 | 78,09 20,95 0,93 18,18·10-4 5,24·10-4 1,14·10-4 0,09·10-4 0,5·10-4 0,03 | Вода H2O Оксид угле-рода CO Озон O3 Сернистый ангидрид SO2 Метан CH4 Диоксид азота NO2 | 0-7 0,01-0,1 3·10-5 0,6·10-4 2,10·10-6 |
Азот воздуха является веществом инертным и почти не принимает участия в поглощении энергии и превращениях веществ в атмосфере. Кислород необходим для дыхания живых организмов и процессов окисления, он участвует в реакциях со многими веществами атмосферы, его молекулы поглощают солнечную энергию в ультрафиолетовой части спектра. Аргон и другие инертные газы пассивны в атмосфере. Диоксид углерода принимает большое участие в процессах поглощения и излучения тепла в атмосфере. Он энергично потребляется растениями на земной поверхности и водорослями океана, имея важное значение в биотических процессах. В последнее столетие концентрация СО2 в атмосферном воздухе увеличилась почти на 0,003 об. долей, %. По некоторым теоретическим оценкам из-за накопления СО2 в атмосфере должно произойти повышение средней температуры приземного воздуха. Озон (О3) постоянно образуется в стратосфере из свободного кислорода. Озон стратосферы занял бы слой толщиной 2,5-3 мм, если бы он был собран весь вместе. Но в рассеянных атомах этого количества достаточно, чтобы защитить все живое от воздействия коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца.
В результате постоянно усиливающегося воздействия человека на окружающую среду баланс веществ в атмосфере стал нарушаться. Возникли качественные изменения состава воздуха и структуры атмосферы. Хотя атмосферный воздух относится к неисчерпаемым природным ресурсам Земли, но при современном научно-техническом прогрессе использование атмосферного воздуха можно считать неисчерпаемым только при реализации крупномасштабных затрат на восстановление его качества.
Основные источники загрязнения атмосферы. Классификация загрязнений
Наибольшее загрязнение имеет слой атмосферы, прилегающий к земной поверхности, наиболее плотный, сосредоточивший основную массу атмосферы. Загрязнением атмосферы называется привнесение в воздух или образование в нем физических агентов, химических веществ или организмов, неблагоприятно влияющих на среду жизни.
Различают естественное и антропогенное загрязнение атмосферы. Естественное загрязнение атмосферы обусловлено поступлением в нее вулканического пепла, космической пыли, растительной пыльцы, морской соли и т.п. Основными источниками природной пыли являются пустыни, вулканы. При гниении и разложении образуются, как правило, большие количества сероводорода, аммиака, оксидов азота. В результате деятельности вулканов и биологических процессов в атмосферный воздух поступают углеводороды. К антропогенным источникам загрязнения атмосферного воздуха относятся энергетические установки, сжигающие топливо, промышленные предприятия, транспорт, сельскохозяйственное производство.
В больших городах к числу основных источников загрязнения атмосферного воздуха относится автотранспорт, на долю которого приходится порядка 60 % всех вредных выбросов в атмосферу. Один автомобиль в среднем поглощает 4 т кислорода, а выбрасывает с выхлопными газами примерно 800 кг СО, 40 кг NO2 и 200 кг различных углеводородов. Автомобильные выхлопные газы - смесь примерно 200 веществ, среди которых есть и канцерогенные, например, бензпирен.
В связи с тем, что отработанные газы автомобилей поступают в нижний слой атмосферы, а процесс их рассеивания значительно отличается от процессов рассеивания выбросов высоких стационарных источников, вредные вещества находятся практически в зоне дыхания человека. Поэтому автомобильный транспорт следует отнести к категории наиболее опасных источников загрязнения атмосферного воздуха вблизи автомагистралей.
В районах развитого сельскохозяйственного производства наибольшую опасность представляют средства защиты растений, только 10 % которых при распылении попадают на обрабатываемые растения; остальное разносится ветром и загрязняет атмосферу, литосферу и гидросферу. Так, например, пестицид ДДТ был обнаружен во льдах Антарктиды, хотя никогда там не применялся. Значительными источниками загрязнения атмосферного воздуха стали крупные животноводческие фермы и птицефабрики. Основными вредными веществами, выбрасываемыми сельскохозяйствен-ными объектами, являются аммиак и его производные, сероводород, оксиды азота, неприятно пахнущие вещества (НПВ).
К основным источникам промышленного загрязнения атмосферного воздуха относятся предприятия энергетики, металлургии, стройматериалов, химической и нефтеперерабатывающей промышленности, производства минеральных удобрений. Наиболее распространенными вредными веществами, выбрасываемыми в атмосферу, являются следующие: пыль, зола, сажа, силикаты, сероводород, альдегиды, углеводороды, смолы, оксиды азота, серы и углерода, аммиак, хлористый и фтористый водороды, тяжелые металлы, фенолы, цианистые соединения и др.
К антропогенным видам загрязнения атмосферы относятся также радиоактивное и тепловое загрязнения. Радиоактивное загрязнение атмосферы обусловлено как процессами, проходящими в природе, так и деятельностью человека. Природная радиоактивность называется естественной, а вызываемая деятельностью человека - искусственной.
Естественные радиоактивные элементы, попадающие в атмосферный воздух, образуются как вследствие радиоактивного распада урана, тория и актиния, находящихся в горных породах, так и при взаимодействии космического излучения в стратосфере с ядрами атомов химических элементов.
Промышленные источники загрязнения атмосферного воздуха подразделяются на источники выделения и источники выбросов.
К источникам выделения относятся технологические устройства (аппараты, установки и т.п.), в процессе эксплуатации которых выделяются вредные вещества.
К источникам выброса относятся устройства (трубы, вентиляционные шахты, аэрационные фонари и т.п.), посредством которых осуществляется выброс вредных веществ в атмосферу.
Промышленные выбросы подразделяются на организованные и неорганизованные. Организованный выброс поступает в атмосферу через специально сооруженные системы газоотводов. Это позволяет применять для улавливания примесей соответствующие газопылеулавливающие установки. Неорганизованный выброс поступает в атмосферу в виде ненаправленных потоков газа в результате нарушения герметичности технологического оборудования, газоотводных устройств, резервуаров, участков погрузочно-разгрузочных работ и т. д.
Примеси в атмосферном воздухе находятся в различных агрегатных состояниях: газообразном или в виде аэрозолей. Аэрозоли - дисперсные системы, состоящие из жидких или твердых частиц, распределенных в газообразной среде (туманы, дымы и пыли).
Физико-химические процессы в атмосфере под влиянием загрязняющих веществ. Самоочищение атмосферы
Накопление загрязнений в атмосфере зависит от следующих факторов: поступления загрязнений в воздух, объема пространства, в котором они рассеиваются, и механизмов удаления загрязнений из воздуха.
Вещества, загрязняющие атмосферный воздух, претерпевают химические превращения, образуя новые вещества, и приводят к вторичному загрязнению.
Наиболее активными веществом в атмосфере является озон. Он вступает в многочисленные химические реакции с оксидами азота, аммиаком, оксидом серы, органическими веществами. Превращение веществ в атмосфере происходит под действием солнечной радиации. Некоторые вещества способны при поглощении солнечной энергии расщепляться на свободные радикалы, поэтому они получили название фотохимически активных. Образование свободных радикалов в атмосфере приводит к смогу. Фотохимический смог представляет собой вторичное загрязнение атмосферы, возникающее в результате разложения веществ солнечными лучами.
Понятие "смог" впервые было употреблено около 70 лет назад применительно к смеси дыма и тумана, обычно имевшей желтый цвет и образовавшейся над Лондоном в периоды температурных инверсий.
В настоящее время различают два основных вида смога: смог, связанный с загрязнением атмосферы копотью или дымом, содержащих диоксид серы (лондонский смог), и смог, вызванный загрязнением воздуха выхлопными газами транспорта, содержащими диоксид азота и фотохимические оксиданты химически активных примесей сложного состава (лос-анджелесский смог). Характерной особенностью лос-анджелесского смога является снижение видимости по горизонтали, что влечет за собой уменьшение интенсивности движения и увеличение числа аварий на транспортных магистралях.
Ограничение видимости по горизонтали до 0,5 км при ясном небе и хорошей вертикальной видимости обусловлено рассеянием света на мельчайших аэрозольных частицах (твердых или жидких).
Установлено, что основными компонентами смогов являются озон, оксиды азота, серы, сульфаты, нитраты, углеводороды, карбонильные соединения, свободные радикалы и пероксиацилнитраты.
Наиболее хорошо изучены химические реакции диоксида серы, находящегося в возбужденном состоянии под воздействием солнечных лучей, с кислородом, свободными радикалами, оксидами азота и углерода, озоном и др. Долгие годы протекание процессов окисления в атмосфере связывали с присутствием в ней озона и пероксида водорода. Однако, как показали исследования последних десятилетий, основную роль в процессах окисления, протекающих в газовой фазе, играют свободные радикалы. Среди свободных радикалов, обнаруженных в атмосфере, большое значение имеет гидроксил-радикал.
С присутствием органических соединений в воздухе связаны процессы образования пероксидных соединений, которые протекают в основном по следующей схеме химических реакций:
R↑-↑CH3 + OH* ® RCH2* + H2O
RCH2* + O2 ® RCH2 - O ↑-↑ O* + O
RСН2- ↑ O - O* + O3 ® R - C - O ↑-↑ O* + H2O
O O
R ↑-↑ C - O - O* + NO2 ® R СC - O ↑- O ↑- NO2
Наиболее распространенным пероксидным соединением, синтезирующимся в атмосфере, является пероксиацетилнитрат. В случае присутствия в воздухе ароматических углеводородов возможно образование пероксибензоилнитрата, являющегося сильным слезоточивым газом. Интенсивный смог вызывает удушье, приступы бронхиальной астмы, аллергические реакции, повреждение глаз. Печальная статистика смогов свидетельствует о массовых случаях гибели людей. Так смог 1952 г. в Лондоне унес 4000 жизней.
На образование и устойчивость смога влияет атмосферная инверсия.
Атмосфера Земли, как и атмосфера других планет, не находится в равновесном состоянии. Вследствие этого ее температура непостоянна, а изменяется с высотой. Если температура увеличивается с ростом высоты, то атмосферные условия определяются как инверсия. Наличие инверсии в значительной степени замедляет вертикальное перемещение загрязняющих веществ, и, как следствие, увеличивает их концентрацию в приземном слое. Это происходит в том случае, если слои воздуха, прилегающие к земной поверхности, охлаждаются до температуры ниже температуры расположенных выше слоев. Инверсии температуры могут наблюдаться круглый год.
С развитием промышленности и транспорта загрязнение атмосферы значительно расширяется и в настоящее время выявлено несколько глобальных последствий загрязнения атмосферы. К их числу следует отнести изменение отражательной способности (альбедо) Земли, парниковый эффект, истощение озонового слоя, кислотные осадки, уменьшение количества кислорода в атмосфере.
Альбедо Земли представляет собой отношение солнечной радиации, отражаемой Землей в мировое космическое пространство к солнечной радиации, поступающей на границу атмосферы. Средняя величина альбедо Земли 35-45 %. Накопление в атмосфере пыли, аэрозолей способствует отражению солнечной радиации. Повышенное отражение солнечной радиации может привести к похолоданию климата.
Парниковый эффект является следствием накопления в атмосфере диоксида углерода, а также других газов (метан, оксиды азота, хлорфторуглеводороды). В настоящее время содержание диоксида углерода в атмосфере оценивается концентрацией 0,035 об. долей, %. Углекислый газ прозрачен в видимой части спектра и беспрепятственно пропускает солнечные лучи, но в то же время хорошо поглощает длинноволновое инфракрасное излучение в той части спектра, в которой Земля излучает в мировое космическое пространство собственное тепло. Накопление диоксида углерода обеспечивает тот же эффект, что и в парниках, покрытых стеклом или полиэтиленовой пленкой. Компьютерные модели климата Земли дают прогноз к 2050 году на повышение средней температуры воздуха от 1,5 до 4,5 оС, причем на полюсах потепление может достичь 10 оС, а у экватора 1 - 2 оС. Повышение температуры на полюсах приведет к дополнительному таянию льдов, и уровень мирового океана может повыситься на 1,5 м. В свою очередь это вызовет необходимость перестройки портов, переселения некоторой части населения прибрежных стран вглубь материков и т.д. Неравномерное повышение температуры на полюсах и экваторе скажется на движении воздушных масс и режиме осадков, что существенно для сельского хозяйства многих стран. Таким образом, само по себе небольшое потепление может вызвать серьезные последствия. Одни ученые считают, что парниковый эффект уже действует на климат, другие считают некоторое потепление отклонением от средних значений, но научным фактом является повышение температуры мирового океана на 0,1 оС в год, которое обнаружено космическими исследованиями.
В процессе загрязнения атмосферы особое значение имеет истощение озонового слоя. Значение озонового слоя огромно: он задерживает 99 % ультрафиолетового излучения, предохраняя поверхность Земли от избыточной солнечной радиации. Истощение озонового слоя было обнаружено над Антарктидой в начале 70-х годов. Озоновая дыра над Антарктидой в настоящее время занимает площадь больше, чем сам материк. По некоторым данным площадь ее увеличивается на 4 % в год. Концентрация озона в озоновой дыре снижена на 50 %. Озоновые дыры обнаружены и в других частях земной атмосферы (Арктическая озоновая дыра).
Озоновый слой истощается как по космическим причинам, так и по земным, антропогенным. К снижению концентрации озона приводит сведение лесов. К разрушению озона могут быть причастны около 40 веществ, присутствующих в атмосфере, но, прежде всего - галогенсодержащие углеводороды (фреоны или хладоны), используемые человеком в холодильной технике, аэрозольных упаковках, в качестве вспенивателей при производстве пористых пластмасс, для очистки компьютерных микросхем.
Кислотными осадками называют осадки, имеющие рН менее 5,6. Именно это значение рН было избрано вследствие того, что содержащийся в атмосфере диоксид углерода, растворяясь в дождевой воде, дает слабокислую реакцию до рН - 5,6. К кислотным осадкам относятся кислотные дожди, туманы, росы. Кислотность измеряется по шкале рН:
кислая среда щелочная среда
сильно - умеренно - слабо слабо - умеренно - сильно
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
За последние 30 лет кислотность осадков повысилась в среднем до рН - 4,1. Кислотность осадков создается растворением в них содержащихся в атмосфере серной и азотной кислот. Серная кислота образуется в атмосфере из диоксида серы, азотная - из диоксида азота. Три четверти всего количества диоксида серы в атмосферу выделяется дымовыми трубами теплоэлектростанций. Основное количество диоксида азота поступает с выхлопными газами автомобилей (40 %) и выбросами тех же теплоэлектростанций (30 %). Чем обильнее выпадающий дождь, тем, как правило, кислотность его воды меньше, так как определенное количество кислоты растворяется в большем количестве воды. Высокое содержание кислот может быть в кислотных туманах, где количество воды невелико. Кислотные отложения могут выпадать и в сухом виде, с пылью, их растворение происходит в каплях росы уже на поверхности растений.
Влияние кислотных осадков на экосистемы было обнаружено примерно 30-35 лет назад. Индикатором этого влияния было уменьшение уловов рыбы в озерах Европы. Было установлено, что вода озер имела кислую реакцию, а водные обитатели не выживают при снижении рН воды ниже 4,5. Особенно повышение кислотности влияло на процессы размножения водных организмов и развитие молоди рыб. Кислотные осадки, просачиваясь через почву, способны выщелачивать алюминий и другие металлы, т.е. переводить их из нерастворимого в нейтральной среде состояния в растворимое. Ионы этих металлов дополнительно оказывают отрицательное воздействие, как на наземные экосистемы, так и на водные.
С выпадением кислотных осадков деградируют леса. Во-первых, кислоты нарушают восковой покров листьев, делая растения более уязвимыми для патогенных организмов. Во-вторых, ионы водорода, поступающие с осадками, вытесняют ионы биогенных металлов (К, Са, Мg) в более глубокие слои, и растениям достается меньше необходимых питательных веществ. В-третьих, ионы алюминия и других тяжелых металлов, извлекаемые кислотными осадками, замедляют рост и вызывают гибель растений.
От кислотных осадков страдают сельскохозяйственные растения, постройки в городах, а также здоровье людей. Известно, что алюминий вызывает преждевременное старение.
Уменьшение кислотности осадков можно осуществить следующими мерами: заменяя уголь другим топливом на теплоэлектростанциях, извлекая серу из твердого топлива перед его сжиганием, сжигая уголь на электростанциях в псевдосжиженном слое с добавлением извести, улавливая сернистый ангидрид из дымовых газов, не допуская его выброса в атмосферу, развивая строительство альтернативных электростанций.
В связи с загрязнением атмосферы в ее составе наблюдается снижение количества кислорода, ежегодно его уменьшение оценивается в 10 млрд т. Убыль кислорода в атмосфере прогрессирует: за последние 50 лет его количество сократилось настолько же, насколько за предыдущий миллион лет. В относительных единицах эта убыль составляет 0,02 % от всего атмосферного запаса, но для сохранения стабильности состава атмосферы и эта величина имеет значение.
Интерес к глобальным последствиям загрязнения атмосферы в существенной степени вызван проблемами будущего, поскольку имеется тенденция к увеличению выбросов вредных веществ в атмосферу.
Загрязнение атмосферного воздуха может быть глобальным, региональным, местным и локальным. Однако четко разделить эти виды загрязнения трудно, так как атмосферный воздух границ не имеет.
Масштабы загрязнения связаны с мощностью выбросов и характером циркуляции воздушных потоков. Если эти два фактора совпадают по направлению и времени, то загрязнение атмосферного воздуха может быть глобальным.
В связи с тем, что поступление, перенос и трансформация примесей в атмосферном воздухе сопровождаются взаимодействием веществ друг с другом и с объектами окружающей среды, существует возможность самоочищения.
Самоочищение атмосферного воздуха может происходить в результате сухого и мокрого выпадения примесей, поглощения почвенными бактериями и микроорганизмами и другими путями. Основным механизмом очищения атмосферы от радиоактивных аэрозолей является выпадение осадков. Время нахождения радиоактивных примесей в атмосферном воздухе прямо пропорционально высоте, на которую они были заброшены. Вследствие сухого и мокрого выпадения вредных веществ загрязняется почва и водные объекты. К другому типу самоочищения атмосферного воздуха относится сухое осаждение - удерживание загрязняющих веществ (газов и аэрозолей) подстилающей поверхностью.
Скорость осаждения твердых частиц зависит от их радиуса - чем больше диаметр частицы, тем выше скорость осаждения. Для разных подстилающих поверхностей скорости осаждения различны. Наибольшая - для воды; наименьшая - для травы в осенний период.
Посадка деревьев и кустарников вдоль транспортных магистралей способствует снижению концентрации оксида углерода в приземном слое воздуха. Отмечено, что одноярусная посадка деревьев снижает концентрацию примеси на 10 %, а двухъярусная на 65 %.
Загрязнение атмосферы выбросами
пищевых предприятий
Выбросы в атмосферу предприятий пищевой промышленности можно разделить на следующие гpуппы:
- выбросы, образующиеся при производстве энеpгии и в результате использования транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания;
- выбросы основных технологических процессов;
- выбросы вспомогательных цехов и производств.
В первом случае источниками выбросов является паросиловое оборудование, используемое на производстве и автотранспорте. Местные котельные выбрасывают большое количество газов, в состав которых входят оксиды серы и азота, пыль. Большое количество разнообразных технологических процессов определяет широкий качественный состав второй гpуппы выбросов (табл.).