Антропогенное загрязнение атмосферы

Антропогенное воздействие на природную среду

Биосфера все более насыщается вредными для живых организмов веществами антропогенного про­исхождения. Миллиарды тонн в год этих веществ выбрасываются в атмосферу, сбрасываются в водо­емы, накапливаются в отходах. С воздушными по­токами, речными и морскими течениями вредные вещества переносятся на большие расстояния через границы государств, создавая глобальную пробле­му загрязнения, наносят ущерб здоровью людей, природе, материальным ценностям.

На территории России 24 тысячи предприятий выбрасывают вредные вещества в атмосферу и во­доемы. Более половины выбросов приходится на транспорт. Ежегодно в России улавливается и обез­вреживается 76% от общего количества отходящих вредных веществ, 82% сбрасываемых сточных вод не подвергаются очистке.

Качество вод основных рек на территории России оценивается как неудовлетворительное. Реки Вол­га, Дон, сибирские реки загрязнены органически­ми веществами, соединениями азота, тяжелыми ме­таллами, фенолом, нефтепродуктами.

Более четверти сельскохозяйственных угодий подвержены эрозии. Эрозия — это разрушение по­чвы водой и ветром, перемещение и переотложение продуктов разложения. Опасные размеры приобре­ли процессы заболачивания, засоления почв. Нуж­даются в рекультивации 1,2 миллиона гектар зем­ли, нарушенных при разработке полезных, ископа­емых, строительно-дорожных работах. Большой урон землям нанесли ядерные испытания, аварии на атомных станциях.

Особую опасность представляют неконтролируе­мые выбросы и сбросы вредных веществ в природ­ную среду. По данным Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды только за июль 1994 года экспериментально высокое загрязнение (превышение ПДК по ряду ве­ществ в 100 и более раз) наблюдалось в 15 случаях на 8 водных объектах России. Так, в реке Белой в Башкирии концентрация ионов меди составила 300 ПДК, в реке Бляве в Оренбургской области 200 ПДК. Экстремально высокое загрязнение атмосферного воздуха (превышение максимально разовых ПДК за 20-минутный период наблюдений в 50 раз и более или среднесуточных ПДК в 50-49 раз) возникло, на­пример, на станции Кинель. Произошла утечка из цистерны кислотного меланжа. В воздухе у населен­ного пункта была отмечена концентрация этилбензол а 59 ПДК, ксилола 16,5 ПДК, хлористого водо­род а 8,1 ПДК.

Высокое загрязнение воздуха (превышение ПДК в 10 и более раз) отмечено 18 раз в 8 городах в тече­ние месяца. Высокое загрязнение (превышение ПДК в 10-99 раз) зарегистрировано в 66 случаях на 57 водных объектах. В половине случаев высокое загрязнение наблюдалось в бассейне реки Волги с ее притоками Окой и Камой на территории шести областей азотом нитритным 10-30 ПДК, железом 2-8 ПДК, в Астраханской области — нефтепродук­тами до 30 ПДК.

В это же время наблюдались случаи загрязнения почвы. Так, на железнодорожной станции Сыз­рань-1 при проведении маневренных работ была пробита цистерна, из которой вытекло на пути око­ло 9 тонн бензина.

Деградация окружающей среды, прежде всего сказывается на состоянии здоровья и состоянии ге­нетического фонда людей. Приоритет материаль­ных потребностей находится в очевидном противо­речии с ограниченностью природных ресурсов. Бе­зудержное развитие энергетики привело к кризису развития цивилизации. Очевидной становится не­обходимость отказа от имеющего негативные или непрогнозируемые последствия вмешательства в тончайшие внутренние механизмы функционирова­ния биосферы, которые вырабатывались миллиар­дами лет эволюции.

Антропогенное загрязнение атмосферы

Газовый состав атмосферы Земли обеспечивает условия для жизни и защищает все живое от жест­кого облучения космической радиацией. Деятель­ность человека изменяет сложившееся в природе равновесие. Сильное загрязнение атмосферы проис­ходит в больших городах: 90% веществ, загрязня­ющих атмосферу, составляют газы и 10% — твер­дые частицы.

Наиболее опасным результатом загрязнения явля­ются смоги. Смог 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 того, что по мере движения вверх от земли через каждые 100 метров темпера­тура снижается на 0,6°С. Па высоте 8-18 км изме­нение температуры меняет знак, то есть наступает потепление. Такое явление называется инверсией. При определенных условиях инверсия температу­ры наблюдается уже в нижних слоях тропосферы и ведет к прекращению перемешивания воздуха выше уровня инверсии. Иногда в зимние месяцы можно наблюдать местонахождение инверсии между заг­рязненным нижним слоем воздуха и верхним про­зрачным слоем.

Смоги бывают двух типов. 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. В Лондоне в дни таких сильных смогов было отмечено повышение смертности. Замена твердого топлива газообразным значительно уменьшает задымление.

Второй тип смогов — фотохимический, появля­ется в больших южных городах в безветренную яс­ную погоду, когда скапливаются окислы азота, со­держащиеся в выхлопных газах автомобилей. Эти соединения под действием солнечного излучения проходят цепь химических превращений. Основны­ми компонентами фотохимического смога являют­ся: озон, двуокись азота МО₂ и закись азота М₂О. Скапливаясь в больших количествах, эти вещества и продукты их распада под действием ультрафио­летового излучения вступают в химическую реак­цию с находящимися в атмосфере углеводородами СхНх. В результате образуются химически актив­ные органические вещества пероксилацилнитраты (ПАН), которые оказывают вредное влияние на организм человека: раздражают слизистую оболоч­ку, ткани дыхательных путей и легких, эти соеди­нения обесцвечивают зелень растений. Вредное воз­действие на окружающую среду и организм челове­ка оказывает избыток в смоге озона, обладающего сильным окислительными свойствами.

излучения сернистый ангидрид превращается в сер­ный ангидрид 8О₃, который с атмосферным водя­ным паром образует сернистую кислоту. Сернистая кислота спонтанно превращается в серную кисло­ту, очень гигроскопичную, способную образовывать токсичный туман. ПДУ в SО₂ в воздухе составляет 100-150 мг/м³ [27].

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. Сильно ухудшает видимость на улицах города перекись азота — газ желтого цве­та, придающий коричневатый оттенок воздуху. Этот газ поглощает ультрафиолетовые лучи, производя фотохимическое загрязнение.

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 NО₂, 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 подавляют биологическую про­дуктивность почв и водоемов, наносят значительный экономический ущерб. Кислотность осадков оцени­вается водородным показателем рН, равным отрица­тельному десятичному логарифму концентрации ионов водорода. Так, при изменении концентрации ионов от 10"¹ до 10 ¹⁴ рН принимает значения от 1 до 14. Концентрация ионов водорода в чистой дистил­лированной воде при комнатной температуре равна 10~⁷ моль/л, что соответствует рН=7 для нейтраль­ной среды. В химии кислотами считаются раство­ры с рН меньше 5,6. Растворы с рН больше 5,6, от­носятся к щелочным. Кислотность дождей обуслов­лена, главным образом, присутствием серной и азотной кислот. При сильной кислотности осадков рН может быть ниже 4,0 и при слабой кислотности рН превышает 5,5. Кислотные аэрозольные части­цы имеют небольшую скорость осаждения и могут переноситься в отдаленные районы на 100... 1000 километров от источников загрязнений.

Кислотные дожди ведут к разрушению различных объектов и зданий, взаимодействуют с карбонатом кальция песчаников и известняка, превращая его в гипс, который вымывается дождями. Кислотные дожди вызывают активную коррозию металличес­ких предметов и конструкций.

Под воздействием кислотных дождей изменяют­ся биохимические свойства почвы, что ведет к забо­леванию и гибели некоторых видов растений. Про мышленные выбросы привели к возрастанию содер­жания тяжелых металлов в отдельных элементах биосферы в десятки и сотни раз. Тяжелые металлы поступают в атмосферу и возвращаются обратно с осадками и вследствие сухого осаждения. В резуль­тате изменения рН почвы и воды изменяется раство­римость в них тяжелых металлов.

Загрязнителями атмосферы принято считать наи­более токсичные металлы, ПДК которых в воздухе менее 1 мг/м³. Это Ве, V, Си, Со, Мn, Си, Аs, Ni, Нg, Рb, Сг, Zп. Источниками тяжелых метал­лов являются выбросы металлургических предпри­ятий, предприятий вторичной переработки цветных металлов и стали, выбросы от сжигания угля, не­фти, древесины, городских отходов, производства хлора, стекла, минеральных удобрений, цемента.

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. До определенных пределов живые организмы защищены от прямого вредного воздей­ствия кислотности, но накопление тяжелых метал­лов опасно. Так, алюминий, растворимый в кислот­ной среде, ядовит для живущих в почве микроорга­низмов, ослабляет рост корней растений. Кислотные дожди, закисляя воды озер, ведут к гибели их оби­тателей. Очевидно, что содержание цинка и кадмия в свинине и говядине часто превышает допустимые уровни.

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, поражает почки и нервную систему человека, при больших коли­чествах приводит к тяжелым специфическим забо­леваниям.

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. 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 парниковымпо аналогии с парником, 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.

Основной источник атмосферной пыли — добы­ча и использование стройматериалов, металлурги­ческая промышленность. В пыли много различных минералов (гипс, асбест, кварц и др.)» около 20% окиси железа, 15% силикатов, 5% сажи, окисей различных металлоидов. Поступление техноген­ных частиц в атмосферу Земли составляет ежегод­но 500 млн тонн. Пыль создает экран доя солнечной радиации, из-за загрязнений крупные города полу­чают на 15% меньше солнечного света. Пыль в ат­мосфере ведет к появлению и обострению респи­раторных и легочных заболеваний.

Увеличение средней температуры атмосферы на несколько градусов за счет уменьшения ее прозрач­ности способно вызвать таяние ледников и повы­шение уровня моря. Это может сопровождаться затоплением плодородных земель в дельтах рек, из­менением солености воды, а также глобальным из­менением климата Земли.

Разрушительное действие оказывает антропо­генное воздействие на атмосферный озон. Озон в стратосфере защищает все живое на Земле от вред­ного действия коротких волн солнечной радиации. Уменьшение содержание озона в атмосфере на 1% приводит к увеличению на 2% интенсивности па­дающего на поверхность Земли жесткого ультрафи­олетового излучения, губительного для живых кле­ток.

Во время работы реактивных двигателей при сжигании топлива азот и кислород воздуха образу­ют небольшое количество окислов азота, которые выбрасываются в атмосферу вместе с продуктами сгорания. Если это происходит на небольших высо­тах, окислы азота возвращаются на землю с осадка­ми. Если же окислы азота выбрасываются выше об­лаков, то они долго (порядка года) находятся в ат­мосфере и принимают участие в разрушении озона. Оценки показывают, что ежедневное нахождение на высоте 17 километров примерно 300 сверхзвуковых самолетов ведет к уменьшению количества стратос­ферного озона на 1%.

Наиболее сильное разрушение озона связано с производством фреонов СС1₂Г₂ и СС1₃Г и др. Фреоны используются в качестве наполнителей аэрозолей, пенящей компоненты и в качестве рабочего веще­ства холодильников. При использовании баллон­чиков с аэрозолями, при утечке из холодильных ре­зервуаров фреон попадает в атмосферу. Фреоны безвредны для человека, химически пассивны. По­падая в атмосферу, на высоте в несколько десятков километров фреоны под действием жесткого ульт­рафиолетового излучения Солнца разлагаются на составляющие компоненты. Одна из образующих­ся компонент — атомарный хлор — активно способ­ствует разрушению озона, причем, молекула хлора действует как катализатор, оставаясь неизменной в десятках тысяч актов разрушения молекул озона. Время нахождения фреонов в стратосфере состав­ляет несколько десятков лет. Проблема влияния фреонов на стратосферный озон приобрела между­народное значение, особенно в связи с образовани­ем «озоновых дыр». Принята международная про­грамма сокращения производства, использующе­го фреоны.

Иногда метеорологические условия способствуют накоплению вредных примесей у приземной повер­хности. Ветер может дуть вдоль ряда источников примесей, при этом примеси суммируются. При сильном ветре вредные примеси перемещаются и рассеиваются в более близких к земле слоях.

Наличие изотермических или инверсных слоев, уменьшающих вертикальный обмен в атмосфере, создает опасные метеорологические условия низких подинверсных выбросов. Выбросы выше инверсии способствуют переносу техногенных примесей на большие расстояния. Возрастает опасность значи­тельного загрязнения удаленных территорий. Зи­мой создаются более благоприятные условия для на­копления примесей и концентрации окислов азота в атмосфере выше, чем летом.