Атмосфера – основной компонент биосферы
Геосфера Земли, с которой связана биосфера - это атмосфера (от греч. «атмо» – пар), представляющая собой газовую оболочку Земли, состоящую из азота (78,08% объема), кислорода (20,95%), аргона (0,93%) и углекислого газа (0,03%). На долю остальных газов приходится около 0,01% общего объема атмосферы. С удалением от поверхности Земли плотность атмосферы постепенно уменьшается до высоты около 3 тыс. км, где ее плотность становится равной плотности межпланетного пространства. Обычно атмосферу представляют в виде совокупности слоев - тропосферы, стратосферы и ионосферы. Тропосфера, заключающая в себя около 80% массы всей атмосферы и практически весь водяной пар, простирается до высоты приблизительно 9 км (на полюсах) - 17 км (на экваторе). В нижней части стратосферы, простирающейся от верхней границы тропосферы до высоты около 50 км, располагается озоновый слой, для которого характерно повышенное содержание озона. Концентрация озона на высотах расположения озонового слоя 15-26 км более чем в 100 раз превышает его концентрацию у поверхности Земли.
В качестве верхней границы биосферы принимается нижняя граница озонового слоя, почти полностью поглощающего губительные для всего живого ультрафиолетовые лучи. Вот почему часто озоновый слой называют "озоновым щитом", защищающим жизнь на Земле. Здесь будет нелишним заметить, что включение в биосферу нижней атмосферы является несколько условным, так как нахождение организмов в ней на значительных высотах над земной поверхностью в большинстве случаев может быть временным, а истинной средой обитания их служит гидросфера, верхняя часть земной коры и тонкий слой приземной атмосферы.
Верхняя граница жизни в атмосфере определяется нарастанием с высотой ультрафиолетовой радиации. На высоте 25-27 км большая часть ультрафиолета поглощает находящийся здесь тонкий слой озона – так называемый озоновый экран. Всё живое, поднимающееся выше этого защитного слоя, погибает. Атмосфера же над поверхностью Земли насыщена многообразными организмами, передвигающимися в воздухе активным или пассивным способом. Споры бактерий и грибов обнаруживаются до высоты 20-22 км, но основная часть живых организмов в атмосфере сосредоточена в слое до 1-1,5 км. В горных районах граница распространена наземной жизнью около 6 км над уровнем моря.
Охрана атмосферы. Для защиты воздушного бассейна от негативного антропогенного воздействия в виде загрязнения вредными веществами используют:
- экологизацию технологических процессов;
- очистку газовых выбросов от вредных примесей;
- рассеивание газовых выбросов в атмосферу;
-устройство санитарно-защитных зон, архитектурно-планировочные решения и др.
Наиболее радикальная мера охраны атмосферы от загрязнения - экологизация технологических процессов и в первую очередь создание замкнутых технологических циклов, безотходных и малоотходных технологий, исключающих попадание в воздух загрязняющих веществ. Для уменьшения загрязнения атмосферы автомобильными выхлопами ученые ведут исследования по созданию экологически "чистых" видов транспорта. В частности, делаются попытки замены бензина более "чистым" топливом - метанолом (метиловый спирт), водородом и т.п., а также замены карбюраторных двигателей дизельными, газотурбинными и т.д.
К сожалению, нынешний уровень развития экологизации технологических процессов недостаточен для полного предотвращения выбросов токсических веществ в атмосферу. Поэтому на предприятиях повсеместно используются различные методы очистки газовых выбросов от токсичных веществ и аэрозольных частиц.
Основные загрязнители атмосферы. Под загрязнением атмосферного воздуха следует понимать любое изменение его состава и свойств, негативно влияющих на здоровье человека и животных, состояние растений и экосистем. Оно может быть естественным (природным) и антропогенным (техногенным). Естественное вызвано природными процессами. Сюда относятся вулканическая деятельность, выветривание горных пород, ветровая эрозия, массовое цветение растений, дым от лесных и степных пожаров и др.; антропогенное - выбросы в атмосферу различных загрязняющих веществ в процессе деятельности человека. По своему объему оно зачастую превосходит природное загрязнение.
В зависимости от масштабов распространения выделяют местное, региональное и глобальное типы загрязнений атмосферы. Первое характеризуется повышенным содержанием загрязняющих веществ на небольших территориях (город, промышленный район, сельскохозяйственная зона и др.); при втором в сферу негативного воздействия вовлекаются значительные пространства, но не вся планета; третье связано с изменением состояния атмосферы в целом.
По агрегатному состоянию выбросы веществ в атмосферу классифицируются на: газообразные (диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода, углеводороды и др.); жидкие (кислоты, щелочи, растворы солей и др.); твердые (канцерогенные вещества, свинец и его соединения, пыль, сажа, смолистые вещества и прочие).
Главные загрязнители воздуха(поллютанты) образуются в процессе производственной и иной деятельности человека; это диоксид серы (SО2), оксид углерода (СО) и твердые частицы; на их долю приходится около 98% от общего объема выбросов вредных веществ в атмосферу. Суммарный мировой выброс в атмосферу этих загрязнителей составил в 1990 г. - 401 млн. тонн. Помимо них, в атмосфере городов и поселков наблюдается еще более 70 наименований вредных веществ.
Другой формой загрязнения атмосферы является локальное избыточное поступление тепла от антропогенных источников. Признаком этого являются так называемые термические зоны, например, "остров тепла" в городах, потепление водоемов и т.п.
В настоящее время в основном загрязняют атмосферный воздух такие предприятия, как тепловые и атомные электростанции, промышленные и городские котельные и др., по производству черной и цветной металлургии, стройматериалов, по нефтедобыче и нефтехимии, автотранспорт.
В развитых промышленных странах Запада, например, основное количество выбросов вредных веществ приходится на автотранспорт (50-60%), тогда как на долю теплоэнергетики значительно меньше, всего 16 - 20%.
Тепловые электростанции. Котельные установки. В процессе сжигания твердого или жидкого топлива в атмосферу выбрасывается дым, содержащий продукты полного (диоксид углерода и пары воды) и неполного (оксиды углерода, серы, азота, углеводороды и др.) сгорания. При переводе установок на жидкое топливо (мазут) снижаются выбросы золы, но практически не уменьшаются выбросы оксидов серы и азота. Наиболее чистым является газовое топливо, которое загрязняет атмосферный воздух в три раза меньше, чем мазут и в пять раз меньше, чем уголь.
Крупный источник энергетического загрязнения атмосферы - отопительная система жилищ (котельные установки) – выделяет продукты неполного сгорания. Из-за небольшой высоты дымовых труб токсичные вещества в высоких концентрациях рассеиваются вблизи котельных установок.
Черная и цветная металлургия. При выплавке одной тонны стали в атмосферу попадает 0,04 тонн твердых частиц, 0,03 тонн оксидов серы и до 0,05-тонн оксида углерода. Заводы цветной металлургии сбрасывают в атмосферу соединения марганца, свинца, фосфора, мышьяка, пары ртути, парогазовые смеси, состоящие из фенола, формальдегида, бензола, аммиака и других токсичных веществ.
Химическое производство. Выбросы предприятий данной отрасли невелики по объему (около 2% всех промышленных выбросов), тем не менее ввиду своей весьма высокой токсичности, разнообразия и концентрированности представляют значительную угрозу для всей биоты. Атмосферный воздух загрязняется оксидами серы, соединениями фтора, аммиаком, нитрозными газами (смесь оксидов азота), хлористыми соединениями, сероводородом, неорганической пылью и т.д.
Выбросы автотранспорта. В мире насчитывается несколько сотен миллионов автомобилей, которые сжигая огромное количество нефтепродуктов, существенно загрязняют атмосферный воздух (особенно крупных городов). Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания (в большей степени, карбюраторных) содержат такие токсичные соединения, как бенз(а)пирен, альдегиды, оксиды азота и углерода и соединения свинца (в случае применения этилированного бензина). Правильная регулировка топливной системы автомобилей позволяет снизить количество вредных веществ в специальные нейтрализаторы (каталитические дожигатели) - уменьшить токсичность выхлопных газов в 6 и более раз.
Интенсивное загрязнение атмосферного воздуха происходит также при добыче и переработке сырья на нефте- и газоперерабатывающих заводах, при выбросе пыли и газов из подземных горных выработок, при сжигании мусора и горении пород в отвалах (терриконах) и т.д. В сельских районах очагами загрязнения атмосферного воздуха являются животноводческие и птицеводческие фермы, промышленные комплексы по производству мяса, распыление пестицидов и т.д.
Физико-химические методы очистки воздуха. Наиболее распространены адсорбционные, абсорбционные и каталитические методы очистки газов. Санитарная очистка промышленных газов включает в себя очистку от СО2, СО, оксидов азота, SО2 и от взвешенных частиц.
Очистка газов от СО2:
а) абсорбция (поглощение) водой, растворами этаноламинов и холодным метанолом; б) поглощение цеолитами. Углекислый газ избирательно поглощается цеолитами (молекулярные сита), поэтому их используют для извлечения СО2 из природного газа и удаления продуктов жизнедеятельности человека (влаги и СО2) в современных экологически изолированных системах (космические корабли, подводные лодки и т.д.).
Очистка газов от СО:
а) дожигание на катализаторах; б) конверсия водяным паром: СО + Н2О --> С02 + Н2.
Очистка газов от оксидов азота: а) окислительные методы очистки основаны на реакции окисления оксидов азота с последующим поглощением их водой с образованием НNО3; б) восстановительные каталитические методы очистки основаны на восстановлении оксидов азота до нейтральных продуктов в присутствии катализаторов или под действием высоких температур в присутствии восстановителей; в) сорбционные методы очистки включают абсорбцию оксидов азота водными растворами щелочей и известью, адсорбцию оксидов азота твердыми сорбентами (уголь, торф, силикагели, цеолиты и т.д.).
Очистка газов от SО2 осуществляется аммиачным, нейтрализационным и каталитическим методами.
Очистка газов от взвешенных частиц (пыли) происходит с помощью специальных фильтров (фильтры Петрянова), скрубберов, циклонов и т.д.