Характеристика основных техногенных примесей атмосферы

Загрязнение атмосферы — изменение состава атмосферы в результате по­падания в нее примесей.

Примесь в атмосфере — это рассеянное в атмосфере вещество, не содер­жащееся в ее постоянном составе.

Загрязняющее воздух вещество — это примесь в атмосфере, оказывающая неблагоприятное воздействие на окружающую среду и здоровье населения.

Поскольку примеси в атмосфере могут претерпевать различные превра­щения, их можно условно разделить на первичные и вторичные.

Первичная примесь в атмосфере — примесь, сохранившая за рассматрива­емый интервал времени свои физические и химические свойства.

Превращения примесей в атмосфере — процесс, при котором примеси в атмосфере подвергаются физическим и химическим изменениям под влия­нием природных и антропогенных факторов, а также в результате взаимодей­ствия между собой.

Вторичная примесь в атмосфере — это примесь в атмосфере, образовав­шаяся в результате превращения первичных примесей.

По воздействию на организм человека загрязнение атмосферы подраз­деляют на физическое и химическое. К физическому относят: радиоактив­ное излучение, тепловое воздействие, шум, низкочастотные вибрации, элек­тромагнитные поля. К химическому — наличие химических веществ и их соединений.

Выбросы в атмосферу загрязняющих веществ характеризуются по 4 при­знакам: по агрегатному состоянию, химическому составу, размеру частиц и массовому

расходу выброшенного вещества.

Загрязняющие вещества выбрасываются в атмосферу в виде смеси пыли, дыма, тумана, пара и газообразных веществ.

Источники выбросов в атмосферу подразделяют на естественные, обус­ловленные природными процессами, и антропогенные (техногенные), явля­ющиеся результатом деятельности человека.

К числу естественных источников загрязнения атмосферного воздуха от­носят пыльные бури, массивы зеленых насаждений в период цветения, степ­ные и лесные пожары, извержения вулканов. Примеси, выделяемые есте­ственными источниками:

• пыль растительного, вулканического, космического происхождения,
продукты эрозии почвы, частицы морской соли;

• туманы, дым и газы от лесных и степных пожаров;

Естественные источники обычно бывают площадными (распределенны­ми) и действуют сравнительно кратковременно. Уровень загрязнения атмо­сферы естественными источниками является фоновым и мало изменяется с течением времени.

Антропогенные (техногенные) источники загрязнения атмосферного воз­духа, представленные главным образом выбросами промышленных пред­приятий и автотранспорта, отличаются многочисленностью видов.

Рис. 1.1 Источники загрязнения атмосферы:

1 — высокая дымовая труба; 2 — низкая дымовая труба; 3 — аэрационный фонарь цеха; 4 — испарения с поверхности бассейна; 5 — утечки через неплотности оборудования; 6 — пыление при разгрузке сыпучих материалов; 7 — выхлопная труба автомобиля; 8 — направление движения потоков воздуха.

Источники выбросов промышленных предприятий бывают стационар­ными (источники 1—6), когда координата источника выброса не изменяет­ся во времени, и передвижными (нестационарными) (источник 7 — авто­транспорт).

Источники выбросов в атмосферу подразделяют на: точечные, линейные и площадные.

Каждый из них может быть затененный и незатененный.

Точечные источники— это загрязнения, сосредоточенные в одном месте. К ним относятся дымовые трубы, вентиляционные шахты, крышные вентиляторы.

Линейные источники (3) имеют значительную протяженность. Это аэрационные фонари, ряды открытых окон, близко расположенные крышные вентиляторы. К ним могут быть также отнесены автотрассы.

Площадные источники (4, 6). Здесь удаляемые загрязнения рассредоточены по плоскости промышленной площадки предприятия. К площадным источникам относятся места складирования производственных и бытовых отходов, автостоянки, склады горюче-смазочных материалов.

Незатененные (1), или высокие, источники расположены в недеформированном потоке ветра. Это дымовые трубы и другие источники, выбрасывающие загрязнения на высоту, превышающую 2,5 высоты расположенных по близости зданий и других препятствий.

Затененные источники (2—7) расположены в зоне подпора или аэродинамической тени здания или другого препятствия.

Источники выбросов загрязняющих веществ в атмосферу подразделяют на организованные и неорганизованные.

Из организованного источника (1, 2, 7) загрязняющие вещества поступают в

атмосферу через специально сооруженные газоходы, воздуховоды трубы.

Неорганизованный источник выделения загрязняющих веществ (5, 6) образуется в результате нарушения герметичности оборудования, отсутствия или неудовлетворительной работы оборудования по отсосу пыли и газов, в места загрузки, выгрузки или хранения продукта. К неорганизованным источникам относят автостоянки, склады горюче-смазочных или сыпучих материалов другие площадные источники. [4].

Газы

Основными первичными загрязнителями атмосферного воздуха сегодня являются:

Оксиды углерода: окись углерода (СО) или монооксид углерода и двуокись углерода (СО₂) или углекислый газ.

Окись углерода, называемая также из-за своих особенностей угарным газом образуется при неполном сжигании топлива: угля, природного газа, нефти или дров, чаще всего при недостатке кислорода и при низких температурах. Источниками загрязнения земной атмосферы окисью углерода являются: автомобильный транспорт, частные дома, промышленные объекты. Ежегодно в атмосферу от антропогенных источников поступает до 1250 млн. тонн этого вещества. [4].

Угарный газ чрезвычайно опасен: при растворении в крови человека он образует прочные комплексные соединения с гемоглобином блокируя поступление кислорода в кровь.

Углекислый газ поступает в атмосферу при вулканических извержениях, разложении органического вещества и хозяйственной деятельности человека, например, при производстве цемента или сжигании ископаемого топлива. При этом сегодня антропогенные источники вносят больший вклад в поступление углекислого газа в атмосферу чем все природные вместе взятые.

Стремительное увеличение содержания углекислого газа приводит к нарастающему и неконтролируемому парниковому эффекту, могущему

привести к непредсказуемым последствиям. Климатические данные по Шпицбергену и станции Литтл-Америка на шельфовом леднике Росса в Антарктиде свидетельствуют о повышении средних годовых температур примерно за 50-летний период соответственно на 5° и 2,5° С, что может быть связано с увеличением содержания углекислого газа на 10%. А ведь в ближайшие 100 лет при сохранении нынешних темпов поступления углекислого газа его содержание в земной атмосфере увеличится вдвое, что вполне может повысить общую глобальную температуру приземного воздуха на 1,5-4° С.

Кроме нарастающего парникового эффекта рост доли углекислого газа приводит к изменению хода выпадения осадков в разных климатических областях, повышению температуры верхнего слоя воды таянию морских и материковых льдов, сокращению площади пахотных земель, вымиранию отдельных видов растений и животных.

Вторыми по распространенности загрязняющими атмосферу веществами являются углеводороды. Углеводороды объединяют чрезвычайно разнообразные вещества включающие от 11 до 13 атомов углерода и содержащиеся в несгоревшем бензине, чистящих жидкостях, растворителях и т.д. Под воздействием солнечной радиации углеводороды взаимодействуют с прочими загрязняющими веществами, подвергаясь окислению, полимеризации, с образованием новых химических соединений: перекисных соединений, свободных радикалов. При соединении углеводородов с оксидами серы и азота образуются аэрозольные частицы, могущие при определенных условиях создавать фотохимические туманы с высокой долей загрязняющих веществ.

Наиболее опасным среди углеводородов является бензопирен, являющийся сильным канцерогеном. Бензопирен накапливается в организме, вызывая лейкемию и повышая риск врожденных уродств.

В развитых странах и крупных урбанизированных центрах развивающихся стран среди загрязнителей атмосферы Земли велика доля оксидов или окислов

азота: монооксида азота NO и диоксида азота NO₂. Образуются они при всех процессах горения и при производстве азотных удобрений, азотной кислоты и нитратов, анилиновых красителей, нитросоединений, искусственного шелка и целлулоида. В развитых странах основным источником их поступления являются выбросы автомобилей. Общее количество поступающих от антропогенных источников окислов азота составляет примерно 65 млн. тонн в год.

Оксиды азоты оказывают негативное воздействие на рост растений. Вызывают заболевания дыхательных путей, приводят к затруднению дыхания, повышают вероятность вирусных заболеваний и возникновение злокачественных новообразований. У детей часто вызывают кислородное голодание тканей. Отмечена также их важная роль в формировании кислотных дождей. Так, в Европе они составляют до 50% вредных веществ выпавших на поверхность с кислотными дождями.

В результате фотохимических процессов с участием диоксида азота и летучих органических соединений образуется озон, являющийся одним из наиболее токсичных загрязнителей атмосферного воздуха. Является основной составляющей фотохимического смога, который приводит к развитию глазных и лёгочных заболеваний, провоцирует головные боли, кашель и т.д..

При сжигании содержащих серу ископаемых видов топлива образуется диоксид серы или сернистый ангидрид. Основным источником поступления этого загрязнителя являются тепловые электростанции работающие на угле и предприятия по переработке сернистых руд. Часть сернистого ангидрида поступает в атмосферу при сжигании органики на горнорудных отвалах. Ежегодно от всех источников загрязнения поступает более 190 млн. тонн этого вещества, которое является наиболее важным в процессе формирования кислотных дождей. Наиболее крупным источником загрязнения являются США, предприятия которых ответственны за 65% общемировых выбросов

сернистого ангидрида.

При окислении диоксида серы кислородом воздуха образуется треокись серы или серный ангидрид. Основными источниками поступления серного ангидрида в атмосферу Земли являются предприятия черной и цветной металлургии.

Серный ангидрид представляет собой аэрозоль, который при взаимодействии с обычной водой образует раствор серной кислоты. При выпадении раствора на поверхность почвы с кислотными дождями происходит её окисление, при попадании на металлические поверхности — ускоряется коррозия. Но наибольшую опасность серная кислота представляет для жизни и здоровья человека, обостряя заболевания дыхательных путей.

Вместе с двумя рассмотренными выше оксидами серы в атмосферу также часто поступают сероводород и сероуглерод. Первый при взаимодействии с кислородом образует раствор диоксида серы, второй при взаимодействии с треокисью серы образует диоксид серы и серооксид углерода. Кроме металлургических предприятий важными источниками поступления сероводорода и сероуглерода являются также предприятия по изготовлению искусственного волокна, сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы[16]

Жидкие примеси

состав атмосферы входят также аэрозольные (взвешенные) примеси (аэрозоли). К ним относятся: твердые частицы дыма, сажи, пепла, капельки кислот, частички морской соли, микроорганизмы (бактерии), пыльца, споры, космическая пыль (образуется около 1 млн тонн в год из межпланетного пространства и при сгорании метеоров в атмосфере), продукты искусственного радиоактивного распада, заражающие воздух при испытательных взрывах. Радиусы этих частичек колеблются от сотых, тысячных долей микрона до 5 мк. Поэтому они могут длительное время удерживаться в атмосфере во взвешенном состоянии. Удаляются из атмосферы они главным образом при выпадении

осадков, когда присоединяются к капелькам и снежинкам.

Все аэрозольные примеси содержатся в наибольшем количестве в самых нижних слоях атмосферы, вблизи земной поверхности, которая является их источником. Особенно загрязнен аэрозольными примесями воздух больших городов: в 1 см3 воздуха здесь находятся десятки тысяч аэрозольных частиц (в 1 см3 воздуха над открытыми частями океанов – сотни частиц аэрозолей). Аэрозольные примеси способствуют возникновению туманов, смогов, проникают в легкие, отрицательно воздействуют на сердечно-сосудистую систему. В Лондоне велика смертность от воздействия смогов.

Аэрозольные примеси могут легко переноситься воздушными течениями на большие расстояния. Песчаная пыль, попадающая в воздух над Сахарой, выпадала неоднократно в больших количествах на территории Южной и Средней Европы. Дым лесных пожаров в Канаде переносился сильными воздушными течениями на высоте 8 – 13 км к берегам Европы. Дым и пепел больших вулканических извержений неоднократно распространялся в высоких слоях атмосферы на огромные расстояния, окутывая весь земной шар. Запыленность воздуха наблюдалась в течение нескольких месяцев после извержений. Радиоактивные продукты, попадающие в атмосферу при взрывах, распространяются в высоких слоях атмосферы над огромными пространствами земного шара.[17]

Твердые примеси

Размер (радиус) твердых частиц, наблюдаемых в атмосфере, колеблется в широких пределах: от тысячных и сотых долей, до нескольких десятков микрометров (при пыльных бурях размеры частиц, переносимых ветром, увеличиваются до 100 мкм и более). В зависимости от размера аэрозольные частицы делят на три класса: мелкие или микроскопические (тонкодисперсные), радиусом r<0,1 мкм, средние (среднедисперсные), г = 0,1–1 мкм и крупные (грубодисперсные), г>1 мкм. Среди тонкодисперсных аэрозолей выделяют группу частиц, обладающих гигроскопическими свойствами. Эти

частицы называют ядрами конденсации (они служат зародышами капель облаков и туманов). Нередко мелкие частицы несут на себе положительный или отрицательный заряд электричества. В этом случае они носят название ионов (легких или тяжелых).

По физико-химическим свойствам аэрозоли делят на: пыль и сажу (твердые частицы), дым (сильно обводненные частицы) и капли (тумана, облаков, осадков). Подчеркнем, что в реальных условиях и частицы пыли в какой-то степени всегда обводнены, а капли всегда содержат ядро конденсации (масса которого, правда, ничтожна мала по сравнению с массой воды). Капли облаков, туманов и осадков мы не будем относить к аэрозолям (считать примесями), поскольку они имеют естественное происхождение. Лишь незначительная часть антропогенных аэрозолей имеет жидкую структуру (например, серная кислота).

По форме частицы аэрозоля принято делить на: а) сферические, б) изометрические (правильные многогранники), в) пластинки (протяженность в двух измерениях значительно больше, чем в третьем), г) иглы, волокна, призмы, д) сложные агрегаты (длинные цепочки с ответвлениями, звездочки).

В составе аэрозоля всегда присутствуют четыре группы веществ: сульфаты, органические соединения, твердый углерод и вода, относительное содержание которых колеблется в широких пределах, отражающих условия образования газов-предшественников (включая географическое распределение растительности и режим ее жизнедеятельности) и влияние метеорологических условий на распространение аэрозоля в атмосфере.

Твердый углерод—это различного вида сажа, радиус частиц которой в момент образования близок к 0,003—0,005 мкм, а концентрация весьма изменчива — от 1 мкг/м³ в особо чистых районах до 10—30 мкг/м³ в сильно задымленных. Вскоре после образования частицы сажи объединяются в хлопья радиусом в несколько сотых микрометра, захватываются частицами другой природы (например, каплями осадков) и удаляются из атмосферы через интервалы времени, колеблющиеся от нескольких десятков часов до 1—2 недель. Общая

масса сажи в атмосфере оценивается примерно в 5 Мт, а скорость поступления — около 500 Мт/год. Для сравнения приведем оценки глобального содержания углерода в составе диоксида углерода (примерно 7·10³ Мт) и скорости его поступления из естественных (2·10⁵ Мт/год) и антропогенных (5·10³ Мт/год) источников. Таким образом, скорость поступления в атмосферу твердого углерода составляет около 10 % скорости выброса газообразного углерода и быстро растет по мере увеличения объема сжигаемого топлива.

Роль сажи в атмосфере определяется не только вредным воздействием на человека, прежде всего на органы дыхания, но и тем, что из всех составляющих аэрозоля сажа наиболее сильно поглощает солнечную и земную радиацию в широком диапазоне длин волн (от 0,25 до 13 мкм) и тем самым может оказывать существенное влияние на термический режим атмосферы и земной поверхности. Оценки показывают, что если бы частицы сажи оседали равномерно, то земная поверхность покрылась бы слоем сажи толщиной до 1 мкм с альбедо всего лишь около 2 %. В действительности основная масса сажи вымывается выпадающими на землю осадками.

Однако сажа, выпавшая на снежный или ледяной покров, распределяется по всей толщине и длительное время сохраняется. По этой причине альбедо снега уменьшается до 90 % при среднем и до 30 % при сильном загрязнении (при альбедо, равном 100 % в случае чистого снега), что значительно ускоряет процесс таяния снега. Значительно также влияние сажи на альбедо облаков. Водная составляющая тонкодисперсного аэрозоля практически не поглощает радиацию в интервале длин волн 0,25—13 мкм и тем самым не оказывает влияния на термический режим атмосферы.

Роль сульфатов (соединений серы) значительна прежде всего потому, что наиболее крупные частицы их служат ядрами конденсации, определяющими условия образования и микроструктуру облаков и туманов. Велико содержание сульфатов в дымках – широко распространенном явлении (особенно в городах), оказывающем существенное влияние на радиационный теплообмен и альбедо

планеты.

В связи с увеличением антропогенных выбросов сульфатов в последние десятилетия заметно возросла их биологическая активность, сопровождающаяся отравлением растительности и животного мира (это так называемые кислотные дожди).

Наименее активна (в отношении поглощения радиации и влияния на климат) органическая составляющая аэрозоля. Входящие в его состав многочисленные органические соединения обладают сильными полосами поглощения, которые, однако, перекрываются полосами поглощения водяного пара или находятся в области спектра с очень малой интенсивностью излучения.

Вклад антропогенных выбросов в общий баланс аэрозоля существенен для всех его составляющих (для твердого углерода он преобладает над естественным, для сульфатов и органического вещества составляет примерно 25 % естественного) и со временем продолжает увеличиваться.

Важным источником загрязнения атмосферы служит промышленность, связанная с добычей и использованием строительных материалов (дробление пород в карьерах, изготовление цемента и др.).

В пыли, оседающей вблизи индустриальных центров, обнаруживается немало различных минералов: кварц, кальцит, гипс, полевой шпат, асбест (последний даже при концентрации, значительно меньше концентрации других минералов, вызывает необратимое повреждение легких). Пыль в воздухе индустриальных районов включает в среднем 20 % оксида железа, 15 % силикатов и 5 % сажи. К этому следует добавить оксиды металлоидов (марганец, ванадий, молибден, мышьяк, сурьма и особенно токсичные селен и теллур), а также фториды. Автомобили, литейное производство и сжигание отходов — основные источники загрязнения атмосферы свинцом — исключительно токсичным металлом. До недавнего времени, ежегодно каждый автомобиль выбрасываал в атмосферу в среднем 1 кг свинца в виде аэрозоля (в бензин добавлялся тетраэтил свинца в качестве антидетонатора). В крупных городах многих стран

мира концентрация свинца нередко превышала 1 мкг/м³ (а на перекрестках и в туннелях 5—30 мкг/м³) при ПДК, равном 0,7 мкг/м³. Среднее время пребывания в атмосфере частиц свинца (диаметром от 0,05 до 5 мкм) составляет несколько недель, что способствует распространению свинца в удаленные от источников районы. В настоящее время вся биосфера заражена свинцом антропогенного происхождения.