Последствия загрязнения атмосферы
Появление в атмосфеpе вpедных пpимесей может пpиводить к pазличным глобальным пpоцессам:
1. вымывание из атмосферы кислот – «кислотные дожди»;
2. уменьшение содержания стратосферного озона, появление «озоновых дыр»;
3. потепление климата, вызванное накоплением в атмосфеpе газов, поглощающих инфракрасное излучение и препятствующих его рассеиванию, – «парниковый» эффект;
4. смог в городах и т. д.
«Кислотные дожди». Причиной этого явления является наличие в атмосфеpе диоксидов серы и азота.
Основными антропогенными источниками диоксида серы (SO2) являются процессы:
1. сжигание ископаемого топлива;
2. промышленное производство (прежде всего в металлургии);
3. эксплуатация автомобилей (выхлопные газы)
Выбросы SO2 по странам Европы достигают 100 млн/т в год (60 % общих выбросов этого вещества). В Лондоне, Нью-Йорке, Токио и многих крупных городах нашей страны концентрации SO2 в воздухе местами достигают нескольких миллиграммов на куб. метр при норме 0,05 мг/м3. В атмосфере диоксид серы может окисляться:
2SO2 + O2 -> 2SO3
Образовавшийся триоксид серы растворяется в капельках влаги, что ведет к образованию серной кислоты:
SO3+ H2О -> H2SO4
В ясную погоду содержание серной кислоты составляет 3 % концентрации сернистого газа, а в пасмурную – до 15 %. Растворы серной кислоты держатся в виде капелек тумана или выпадают с дождями, "кислотные дожди". Кислотность, определяемая водородным показателем pH, для дождевой воды равна 5,6 – 5,7. В чистых реках и озерах pH = 8; при pH = 7 из-за недостатка кальция начинает гибнуть икра некоторых рыб; при pH = 5,5 появляется мох сфагнум, не пригодный для питания обитателей водоемов; при pH = 4,5 погибают рыба, лягушки, насекомые, вода становиться стерильной, на дне развиваются сфагнум, грибы и бактерии-анаэробы, выделяющие углекислый газ, метан и сероводород.
На территории бывшего СССР "кислотные" дожди (pH = 4,7 – 5,5) выпадают в Прибалтике, Белоруссии, Карелии, Подмосковье, Прикаспии и других районах. На севере Швеции, в Норвегии и Прибалтике серы выпадает в 2 – 2,5 раза больше, чем поступает в воздушный бассейн с этих территорий. Это вещество переноситься сюда воздушными потоками из США, Великобритании, Нидерландов, Италии, Германии, Франции и Дании. При длительном воздействии содержащихся в воздухе оксидов серы у человека возникают хронический бронхит и другие легочные заболевания.
Сернистый газ и серная кислота разрушают хлорофилл в листьях растений, в связи с этим затрудняются фотосинтез и дыхание, замедляется рост, снижается урожайность сельскохозяйственных культур, ухудшается состояние древесных насаждений. При более высоких дозах и продолжительном действии растения, особенно хвойные, погибают. Превышение кислотности почв снижает эффективность применения удобрений, угнетает наиболее ценные многолетние травы. Аналогично ведут себя и оксиды азота, являясь частью "кислотных дождей":
2NO + O2 -> 2NO2
2NO2 + H2O -> HNO3 + HNO2
От кислотных выбросов страдают здания и архитектурные памятники Великобритании, Греции, Италии и нашей страны, коррозируют металлические конструкции.
Смог в городах. При большом содержании в воздухе газов и пыли (сажи) и застое воздуха над промышленными районами в связи с метеорологической инверсией (изменение температуры с высотой), сопровождающейся ростом температуры снизу вверх, образуются смоги.
При смоге появляется неприятный запах, резко ухудшается видимость. В России подобные явления характерны для десятков городов, где физико-географические условия благоприятны для их возникновения, – в Новокузнецке, Медногорске, Кемерове, Ангарске и у нас в Барнауле.
Происхождение этого английского слова становится видно из следующей схемы:
Smoke + fog = Smog
дым туман
Различают два вида смога: зимний смог (лондонский тип, влажный) и летний смог (лос - анджелесский тип, сухой).
Метеорологической предпосылкой для зимнего смога является безветренная тихая погода. При этом слой более теплого воздуха расположен над приземным слоем холодного воздуха (ниже 700 м, приземная инверсия), движение воздуха вблизи поверхности земли почти отсутствует (менее 3 м/с). Горизонтальный и вертикальный обмен воздуха затруднен. Загрязняющие вещества, которые обычно через высокие дымовые трубы распределяются в высоких слоях и переносятся на большие расстояния, в данном случае скапливаются в приземном слое.
«Лондонским смогом» называют аэрозоль, образующийся в воздухе из капелек вместе с твердыми частицами не полностью сгоревших веществ. Капли формируются в результате реакции:
x H2 O (г) + SO2 = SO2 * xH2O
Концентрации оксидов серы, взвешенных твердых частиц и оксида углерода могут быстро достигать опасных для здоровья человека уровней и приводить к нарушению дыхания, раздражению слизистых оболочек, расстройству кровообращения, а нередко к смерти Особую опасность смог представляет для детей, старых и больных людей. Вследствие катастрофического лондонского смога в 1952 г. в течение двух недель погибло 4 000 чел.
Летний смог называют также фотохимическим смогом – это вторичное загрязнение воздуха, возникающее в результате разложения загрязняющих веществ солнечными лучами, особенно ультрафиолетовыми.
Основной вклад в формирование фотохимического смога вносят оксиды азота (NOX) и озон (О 3), дополнительными составляющими являются оксид углерода (СО), перекись ацетилнитрата (главный видимый компонент смога), углеводороды, основным источником которых являются автомобили. В зоне выхлопа протекают следующие реакции:
N2 + O2 -> 2NO * E = hv - энергия фотона
NO + 1/2 O2 -> NO2 где h - постоянная Планка
NO2 + hv* -> NO + O равная 6,62*10-34 Дж·c
O + O2 -> O3 v - частота излучения
O3 + NO -> NO2 + O2
В загазованном воздухе под действием интенсивного облучения возникает синеватая прозрачная дымка, состоящая из озона (до 3 мг/м3 и более), оксидов азота, монооксида углерода СО (продукт неполного сгорания бензина) и различных органических соединений. Все эти вещества раздражают слизистую оболочку глаз и органы дыхания человека, в сырую погоду висят в воздухе в виде аэрозоля, снижая видимость на дорогах, в зоне их действия увядают цветы, скручиваются листья, нарушается рост и плодоношение деревьев.
Жители Лос - Анджелеса еще в 1943 г. заметили в воздухе города белесый туман, иногда приобретавший желто - коричневый оттенок, от которого глаза испытывали резкую боль и слезились. Положение быстро ухудшалось, и это явление распространилось на горы, в кольце которых заключен город. Причины этого явления были найдены в лаборатории Калифорнийского технологического института, руководимой доктором Эйри Дж. Хааген – Смитом. Он открыл, что туман, вызывающий резь в глазах, возникает в результате воздействия солнечного света на те загрязнители воздуха, которые в отсутствие этого воздействия невидимы. Вначале считалось, что фотохимический смог – уникальное свойство Лос – Анджелеса, специфический эффект, вызываемый особенностями местного ландшафта и интенсивным солнечным светом. Но теперь мы знаем, что фотохимический смог наблюдается во всех крупных и не очень крупных городах, где много автомобилей и солнечного света.
Согласно существующим оценкам, содержание озона в приземном слое атмосферы с начала эпохи индустриализации возросло примерно на 100 % и ежегодно повышается 1,0 – 1,6 % [52]. Понижение концентраций озона может быть достигнуто за счет существенного уменьшения выбросов оксидов азота и углеводородов.
Антропогенные изменения климата. Среди глобальных проблем биосферы, обусловленных антропогенным воздействием, наиболее значительной является проблема возможного непреднамеренного изменения климата планеты. По прогнозам ученых, в ближайшие полстолетия температура Земли повысится на 2 –3oС. (За каждые сто лет температура Земли повышается в среднем на 6 – 8oС.) Причиной такого термического разогрева является:
1. прямое нагревание атмосферы;
2. атмосфера может получить некоторое количество дополнительного тепла из-за уменьшения альбедо (альбедо – лат., albus – светлый – величина, характеризующая отражательную способность любой поверхности, связанную с ее физическими свойствами, выражающуюся отношением отраженного потока лучистой энергии ко всему упавшему на поверхность потоку, среднее альбедо Земли – 0,39, Луны – 0,07) земной поверхности при ее орошении, создании водохранилищ, строительстве зданий и дорог, изменений лесистости;
3. существенным антропогенным фактором является усиление «парникового эффекта» атмосферы из-за накопления в ней углекислого газа, а также ряда других газов, составляющих малые примеси к атмосферному воздуху (метан, оксиды азота, фреоны и тропосферный озон).
«Парниковый эффект» - Задержка тепла атмосферой – нормальный процесс, происходивший и до появления человека на Земле. Суть этого процесса в том, что примерно 30 % энергии, идущей от Солнца, отражается от облаков, от частиц, содержащихся в атмосфере, от поверхности Земли. Остальные 70 % поглощаются облаками и поверхностью Земли. Поглощенная энергия переизлучается Землей и атмосферой уже в инфракрасном (ИК) диапазоне. Большая часть ИК-переизлучения, однако, задерживается парниковыми газами и облаками и возвращается к поверхности Земли. Так возникает «парниковый эффект».
Роль парниковых газов играют второстепенные компоненты атмосферы СО2, СН 4, NOX, тропосферный озон и хлорфторуглероды. Главным является СО 2 , поскольку, во-первых, его доля в атмосфере несколько больше долей других парниковых газов (хотя в целом, напомним, относительно невелика - 0,03% от всех газов, составляющих атмосферу), а во-вторых, именно у СО 2 в настоящее время наиболее интенсивно увеличивается концентрация прежде всего в результате сжигания человеком ископаемого топлива и вырубки лесов.
Диоксид углерода задерживает половину тепла в атмосфере, однако у него есть конкурент – метан (СН4) – гораздо более эффективный поглотитель инфракрасного излучения (хотя и содержащийся в атмосфере в существенно меньших количествах). Концентрация СН4 в атмосфере начала возрастать примерно 300 лет назад, а в последние 100 лет резко увеличилась. Анализ воздуха, заключенного в образцы глубинного льда Антарктиды и Гренландии, показал, что концентрация атмосферного метана растет со скоростью 1 % в год – в два раза быстрее, чем у СО2!
Интенсивное возделывание риса, разведение скота, сжигание биомассы в тропических лесах и саваннах, деятельность бактерий на свалках отходов, утечка газа при добыче угля и нефти – вот источник появления в атмосфере метана в значительных количествах.
По прогнозам ученых, потепление климата, вызываемое метаном, может в ближайшем будущем сравняться по величине с потеплением, обусловленным накоплением в атмосфере СО2.
Антропогенное воздействие на озоновый слой. Озон (О3) активно поглощает ультрафиолетовое излучение (УФ- излучение) Солнца, т .е. является защитным экраном от этого жесткого излучения, опасного (губительного) для всего живого в биосфере. Содержание озона в атмосфере составляет 6*10-5 % (по массе), или 3,3*109 т ( в том числе 1,16*108 т – в тропосфере), в повышенных количествах О3 содержится в стратосфере в слое от 20 до 55 км, этот слой называют озоносферой. Максимум содержания озона приходится на высоту 20 – 25 км, но и здесь его очень мало.
Если весь озон атмосферы сконцентрировать у земной поверхности привести к н. у., то образовался бы слой толщиной всего 3 мм. В реальной жизни этот слой испытывает большие пространственные и временные колебания.
Стратосферный О3 образуется в результате фотохимических реакций, протекающих под воздействием ультрафиолетовой радиации с длиной волны меньше 0,25 мкм:
О2 + hv -> O2 (возбужденная молекула)
O2 + O2 -> O3+ O (образование)
Образовавшиеся молекулы озона существуют недолго; происходит обратная реакция фоторазложения О3, которая и представляет собой поглощение озоном коротковолновых фотонов:
О3 + hv -> O2 + О (разложение)
Следовательно, в стратосфере существует цикл озона – сбалансированное образование и разложение, описываемое этими уравнениями.
Результатом существования цикла озона в стратосфере является и то, что УФ-излучение Солнца превращается в тепловую энергию. Поэтому температурный профиль атмосферы имеет максимум на высоте около 50 км, в области стратопаузы (см. рисунок 2.3). В тропосферу большая часть О3 поступает из стратосферы при вертикальном перемешивании воздуха. Но в небольших количествах О3 образуется в тропосфере при грозе, окислении компонентов живицы, фотохимических реакциях в смеси выхлопных газов автомашин (фотохимический смог), его можно отнести к парниковым газам.
Существенно влияет на озоновый слой поступление из тропосферы различных веществ естественного и антропогенного происхождения. Только в результате вулканических извержений в стратосферу ежегодно поступает от 10 до 100 тыс. т хлора, который разрушает молекулы озона, выполняя роль катализатора:
Cl + O3 -> ClO + O2
ClO + O -> Cl + O2
Вторая реакция, следующая обычно за первой, приводит к тому, что в результате атом хлора остается "цел и невредим", как положено катализатору, а озон, увы, исчезает! Результирующая реакция выглядит так:
ClO3 + O -> 2O 2
Один атом хлора может уничтожить до 10000 молекул озона.
Аналогичные реакции происходят с монооксидом азота NO:
NO + О3 -> NO2 + О2
NO2 + O -> NO + O2
O3 + О -> 2O2
Монооксид азота присутствует в стратосферном слое как обязательный компонент, но в низкой концентрации. Однако в последнее время активное использование человеком сверхзвуковых транспортных самолетов привело к тому, что концентрация NO стала увеличиваться как раз на высотах "озонового щита". Дело в том, что в двигателях внутреннего сгорания таких самолетов достигаются настолько высокие температуры, что идет эндотермическая реакция:
N2 + О2 -> 2NO
Озоновый слой может быть нарушен при воздействии хлорфторуглеродов (ХФУ), которые широко используются как хладагенты в холодильниках, как пенообразователи в огнетушителях. В стратосфере под действием УФ-излучений ХФУ, например, фреоны выделяют хлор, который вызывает разрушение стратосферного озона. До 1980 г. произведено около 10 млн. т фреонов. К началу следующего века его производство достигнет 1,7 – 3,7 млн т в год. Время жизни фреонов в атмосфере 29 – 205 лет. Продолжающийся выброс фреонов на уровне 1980 г. приведет к уменьшению содержания озона в стратосфере на 5 – 10 %. К настоящему времени содержание озона из-за воздействия фреонов снизилось на 1 %.
Стратосферный озон защищает живые организмы от губительного влияния УФ- излучения, снижение его содержания может иметь губительные последствия для биосферы. УФ- излучение - вид электромагнитного излучения с длиной волн 180 –400 нм. В спектре оно примыкает к фиолетовому концу области видимого света, т. е. к волнам оптического диапазона с наиболее высокой энергией. Действие УФ – излучения зависит от длины волн. Условно выделяют три области длин волн, имеющих важное значение для биологических систем: УФ-А: 390 – 315 нм; УФ-Б: 315 – 280 нм; УФ-В: меньше 280 нм.
В спектре солнечного света, достигающего поверхности Земли, наряду с видимым светом и инфракрасным излучением содержатся только УФ –А и УФ – Б. Особенно вредное коротковолновое УФ-В излучение поглощается в стратосфере озоновым слоем. Излучение УФ –А вызывает загар, пигментацию кожи. УФ – Б также участвует в возникновении загара и в малых дозах активизирует дыхание, кровообращение, функцию желез и улучшает общее состояние человека, обладает бактерицидными свойствами. Но в больших дозах оно может привести к тяжелым солнечным ожогам. Загар – не что иное, как попытка организма защититься от вредных воздействий УФ – лучей и их опасной для здоровья передозировки. Возможные для организма последствия таких «солнечных ванн»: образование морщин, складок и пигментных пятен, ее преждевременное старение. Кожа становится сухой и истончается, теряет свою эластичность, на ней возникают роговые наслоения (кожа шелушится). Кроме этого, могут возникать злокачественные поражения кожи, такие, как опухоли базальных клеток и рак шиповых клеток кожи. Реже возникает и злокачественная меланома (черный рак кожи).
Излучение УФ – В обладает очень сильным и опасным биологическим действием, оно умерщвляет живые клетки, например бактерий, и в то же время очень чувствительно к изменению содержания озона в атмосфере. Важнейшие компоненты живого – нуклеиновые кислоты – поглощают излучение именно в этой области. Изменение общего содержания озона в стратосфере на 1 % ведет к изменению суточной дозы в области спектра активного биологического действия на 1,6 – 3 %.
УФ-В- излучение оказывает вредное влияние на продуктивность многих культур, ведет к изменению состава и структуры экосистем. УФ-В–излучение вызывает солнечные ожоги, болезни глаз, аллергические реакции и заболевания кожи, такие как меланома.
Впервые «озоновая дыра» была обнаружена в 1975 г. над Антарктидой. Под «дырой» не следует понимать то, что в данной области совсем нет О3, происходит лишь сильное снижение его содержания и защитный эффект поглощения УФ - В излучения ослабевает, но вплоть до 1985 года на это обращалось мало внимания.
В октябре 1985 г. над английской научной станцией Халли – Бей в Антарктиде было обнаружено существенное снижение содержания озона в стратосфере (на 40 % по сравнению с уровнем 1979 г.), а над японской станцией - почти в 2 раза. В 1987 г. оно достигло 50 % уровня 1979 г. Весной 1987 г. «озоновая дыра» в Антарктиде достигла своего максимума: по космическим снимкам она занимала площадь около 7 млн. км2 (или 2/3 материка). Это повторилось и в 1992 г., когда было также зафиксировано значительное снижение концентрации озона (примерно на 50%) над Антарктидой и прилегающими пространствами Южной Америки. Аналогичные явления отмечены и в Арктике (с весны 1986 г), но размеры «озоновой дыры» здесь почти в два раза меньше антарктической, причем «мини - дыры» фиксировались над северными районами Канады, Скандинавией, Шотландскими островами (Англия). В 90- ые годы «озоновые дыры» были обнаружены над Западной и Восточной Сибирью и над Москвой.
После многочисленных международных экспедиций в Антарктиде установлено, что помимо различных физико-географических факторов (циркуляция атмосферы, распределение давления и др.) все же главным является наличие в атмосфере значительного количества хлорфторуглеродов (ХФУ). Это обусловлено свойствами антарктической атмосферы: частицы облаков, формирующиеся при очень низких температурах, стимулируют высвобождение атомов хлора из ХФУ, таким образом, во время антарктической зимы накапливается большое их количество, а затем весеннее Солнце приводит к разрушению озона активным хлором.
Мнение ученых о «вкладе» ХФУ в разрушение «озонового слоя» расходятся.
В соответствии с исследованиями последних лет установлено, что при развитии «фреоновой проблемы» по самому неблагоприятному варианту возможное сокращение озона не превышает 8 – 10 %, в результате неконтролируемых полетов сверхзвуковых самолетов уменьшение общего содержания озона может достигать 10 – 15 %. Отмечается влияние на уменьшение содержания озона стратосферного аэрозоля вулканического происхождения, а кроме того, наблюдаются периоды естественного снижения содержания озона в атмосфере Антарктиды, ( Известия АН. Физика атмосферы и океана. том 31, № 1, 1995 г., с. 26, 123.).
Вместе с убылью озона в стратосфере наметилась отчетливая тенденция его увеличения в нижней тропосфере Земли, на высоте 1 – 1,5 км над ее поверхностью.
Рост фонового загрязнения атмосферы, в том числе оксидами азота от сжигания топлива, выбросов двигателей внутреннего сгорания при работе автотранспорта и авиации, – все это способствует повышению концентрации озона в тропосфере (особенно в Северном полушарии, где больше промышленных районов). Тропосферный озон также поглощает солнечную коротковолновую и длинноволновую радиации и в какой-то степени компенсирует потерю озона в стратосфере (однако полной компенсации не происходит).
Уменьшение озона в стратосфере охлаждает ее, а прирост тропосферного озона, поглощающего излучение, идущее снизу, приводит к прогреванию приземного воздуха (способствует усилению «парникового эффекта»). И хотя его концентрация в тысячи раз меньше концентрации углекислого газа, вклад тропосферного озона в «парниковый эффект» атмосферы является существенным.
Таковы основные последствия загрязнения атмосферы.