Антропогенное воздействие на атмосферу

В таблице приведено массовое выделение в атмосферу некоторых газообразных веществ антропогенными и природными источниками.

Таблица

Выделение (106 т/сут) некоторых газообразных веществ
Вещество	Источник
Природный	Антропогенный
Диоксид серы	-	0,4
Сероводород	0,3	0,01
Оксиды азота		0,2
Аммиак		0,01
Углеводороды		0,2
Оксид углерода
Диоксид углерода

Согласно приведенной таблице, природные источники выделяют больше вредных веществ, тем не менее, самым опасным является антропогенное поступление. Это связано с тем, что вредные вещества антропогенного происхождения накапливаются в зоне обитания человека. Кроме того, специфические вредные вещества, не существовавшие ранее в природных условиях. в настоящее время становятся составной частью атмосферного воздуха, его микроэлементами.

Воздух считается чистым, если ни один из микрокомпонентов не присутствует в концентрациях, способных нанести ущерб здоровью человека, животным, растительности или вызвать ухудшение эстетического восприятия окружающей среды (например, при наличии пыли, грязи, неприятных запахов или при недостатке солнечного освещения в результате задымленности воздуха). Так как все живое очень медленно адаптируется к этим новым микрокомпонентам, химические вещества служат объективным фактором неблагоприятных воздействий на природную среду и здоровье человека.

Соотношение вредныхвеществ, поступающих в атмосферу

Вещество	Процессы образования	Суммарный выброс, %
Окись углерода	Неполное сгорание топлива
Окислы серы	Сгорание серосодержащего топлива
Взвешенные ве-	Сгорание топлива, различные производ-
Щества	ственные процессы
.Углеводороды	Неполное сгорание топлива, различные
	производственные процессы, нефтеперера-
	Ботка
Окислы азота	Окисление атмосферного азота при сгора-
	нии топлива
Другие вещества	—

Промышленные источники загрязнения атмосферного воздуха подразделяются на источники выделения и источники выбросов. К первым относятся технологические устройства (аппараты установки и т.п.), в процессе эксплуатации которых выделяются примеси. Ко вторым - трубы, вентиляционные шахты, аэрационные фонари и другие устройства, с помощью которых примесь поступает в атмосферу.

Промышленные выбросы подразделяются на организованные и неорганизованные. Организованный промышленный выброс поступает в атмосферу через специально сооруженные газоходы, воздуховоды и трубы, что позволяет применять для очистки от загрязняющих веществ соответствующие установки. Неорганизованный промышленный выброс поступает в атмосферу в виде ненаправленных потоков газа в результате нарушений герметичности оборудования, отсутствия или неудовлетворительной работы оборудования по отсосу газа в местах загрузки, выгрузки или хранения продукта. Неорганизованные выбросы характерны для очистных сооружений, хвостохранилищ, золоотвалов, участков погрузочно-разгрузочных работ, сливно-наливных эстакад, резервуаров и других объектов.

К основным источникам промышленного загрязнения атмосферного воздуха относятся предприятия энергетики, металлургии, стройматериалов, химической и нефтеперерабатывающей промышленности, производства удобрений.

По данным, из густонаселенных промыш­ленных районов Европы, включая Европейскую территорию России, в атмосферу выбрасывается около 30 млн. т серы, т. е. 60 млн. т двуокиси серы. Связь между суммарными выбросами и концентрацией вред­ных веществ в атмосфере городов обычно слабая. Глобальные антропогенные выбросы двуокиси серы, дву­окиси азота и окиси углерода соотносятся между собой как 1:0,27:2,7

Свойства некоторых загрязняющих веществ

Оксиды азота

Важнейшими являются NO и NO₂, поскольку остальные (N₂O, N₂O₃, N₂O₄, N₂O₅ и пары HNO₃), которые могут присутствовать в воздухе, не являются биологически значимыми.

Источники. Существуют естественные источники оксидов азота — бактериальная активность в почве, грозы, извержения вулканов. Основным антропогенным источником их являются процессы горения при температуре выше 1000°С (автотранспорт и стационарные источники).

Атмосфера. Фоновые концентрации изменяются в пределах 0,4-9,4 мкг/м³. Типичное содержание диоксида азота в воздухе городов — 20-90 мкг/м³ (среднегодовые концентрации); часовые концентрации могут достигать 240-850 мкг/м³. Вблизи заводов, производящих азотную кислоту или взрывчатые вещества или вблизи теплоэлектростанций отмечаются очень высокие концентрации.

В работе Г. С. Андрейчука и др. описаны результаты экс­перимента по исследованию перехода NO_X в NO₂ или N0 в ре­альной атмосфере. При выходе из дымовой трубы в атмосферу большая часть окислов азота постепенно переходит в двуокись азота. При высокой интенсивности солнечной радиации в атмо­сфере содержится меньше окиси азота, а в пасмурные дни и при моросящих осадках ее примерно па 40—50 % больше, чем дву­окиси азота.

Пути поступления в организм. Респираторный.

Влияние на окружающую среду. Оксиды азота занимают второе место после диоксида серы по вкладу в увеличение кислотности осадков. В дополнение к косвенному воздействию (кислотный дождь), длительное воздействие диоксида азота в концентрации 470-1880 мкг/м³ может подавлять рост некоторых растений (например, томатов). Значимость атмосферных эффектов оксидов азота связана с ухудшением видимости. Диоксид азота играет важную роль в образовании фотохимического смога.

В южных районах, где ин­тенсивность солнечной радиации велика, в отдельные периоды происходит резкое увеличение концентрации двуокиси азота или окиси азота в атмосфере. В периоды, когда все окислы азота пе­реходят в NO₂, максимальные концентрации ее наибольшие. На­пример, в Лос-Анджелесе, Токио и Сиднее концентрации NO₂ превышали 1 мг/м³.

По указанной выше причине в городах России отмечено уве­личение среднего уровня загрязнения воздуха двуокисью азота в зависимости от широты места: с севера на юг —почти на 60%

Содержание окислов азота в атмосфере зависит от наличия осадков. Во время выпадения дождя при взаимодействии с вла­гой N0₂ превращается в азотную кислоту, которая поступает «а почву. В районах, где осадки выпадают часто, концентрация NO₂ снижается и отношение NO/NO₂ возрастает.

Если принять выбросы NO₂ равными выбросам NO, то полу­чается, что в атмосфере только 40 % всех окислов азота перехо­дит в NO_2. . При этом вклад выбросов автотранспорта в формирование уровня за­грязнения воздуха окислами азота оказывается в 2 раза больше, чем .вклад выбросов промышленных предприятий, а окисью угле­рода— почти в 20 раз больше. Эти выводы позволяют утверждать, что основную угрозу санитарно-гигиеническому состоянию атмо­сферного воздуха городов представляют выбросы окиси углерода, двуокиси азота и окиси азота, осуществляемые автотранспортом или другими низкими источниками.

Влияние на здоровье. Оксиды азота могут отрицательно влиять на здоровье сами по себе и в комбинации с другими загрязняющими веществами. Пиковые концентрации действуют сильнее, чем интегрированная доза. Кратковременное воздействие 3000-9400 мкг/м³ диоксида азота вызывает изменения в легких. Помимо повышенной восприимчивости к респираторным инфекциям, воздействие диоксида азота может привести к повышенной чувствительности к бронхостенозу (сужение просвета бронхов) у чувствительных людей. Исследования показали, что для болеющих астмой и аналогичных больных повышается риск отрицательных легочных эффектов при содержании диоксида азота значительно меньшем, чем тот, на который не наблюдается реакция у здоровых людей.

Взвешенные частицы

Источники. Термин "взвешенные частицы" относится к ряду тонкодисперсных твердых веществ или жидкостей, диспергированных в воздухе в результате процессов горения (отопление и производство энергии), производственной деятельности и естественных источников. Размеры частиц варьируют от 0,1 до примерно 25 мкм в диаметре. Составляющие эти частицы вещества различны, но для урбанизированных территорий типичны углерод или высшие углеводороды, образующиеся при неполном сгорании топлива.В основном процессы, приводящие к образованию взвешенных частиц, — это процессы горения, осуществляемые на ТЭЦ, мусоросжигательных заводах, в бытовых печах, двигатели внутреннего сгорания, печи обжига цемента, лесные пожары, вулканическая деятельность. Частицы, образующиеся в результате сгорания, обычно имеют размер менее 1 мкм, так что они могут легко приникать в легочные альвеолы. Они также могут содержать опасные вещества, такие как асбест, тяжелые металлы, мышьяк. Оксиды металлов являются основным классом неорганических частиц в атмосфере. Они образуются в любых процессах, связанных со сжиганием топлива, содержащего металлы (главным образом уголь и нефть). До 20 % общего количества взвешенных частиц может состоять из серной кислоты и сульфатов (частицы до 1 мкм в диаметре состоят из них на 80 %) Аэрозоли состоят главным образом из углеродсодержащих частиц, оксидов металлов и силикатов, растворенных электролитов и твердых солей. Преобладающими компонентами являются углеродные частицы, вода, сульфаты, нитраты, соли аммония и соединения кремния. Состав аэрозольных частиц значительно изменяется в зависимости от размера. Очень мелкие частицы обычно являются результатом конденсации веществ из газовой фазы и имеют кислую реакцию (например, аэрозоль серной кислоты). Частицы большего размера обычно являются результатом механического измельчения материалов и часто имеют щелочную реакцию.
Дисперсионные аэрозоли, такие как пыль, образуются при измельчении частиц большего размера и обычно имеют диаметр более 1 мкм.
Для отдельных видов частиц в зависимости от размеров, формы и характерных особенностей поведения условно используют различные термины — пыль, сажа, дым, туман, дымка и пр.
Пыль — общий термин, применяемый лишь к твердым частицам. Различают оседающую пыль, т.е. частицы с размером более 10 мкм и механически устойчивые аэросуспензии с размером частиц 5–0,1 мкм.
Дымы содержат как твердые, так и жидкие частицы размером от 0,01 до 1 мкм в диаметре. Они образуются либо из веществ, улетучивающихся при высокой температуре, либо в результате химических реакций (окисления).
Туман состоит из жидких частиц диаметром 0,01–3 мкм.

В общем же химический состав взвешенных частиц в атмосфере достаточно разнообразен. Среди компонентов неорганических частиц, обнаруженных в загрязненной атмосфере, присутствуют соли, оксиды, соединения азота, серы, различные металлы и радионуклиды. Следовыми компонентами, встречающимися в количествах менее 1 мкг/м³, являются алюминий, кальций, углерод, железо, калий, натрий, кремний. Часто присутствуют также небольшие количества меди, свинца, титана и цинка, и еще более низкие содержания сурьмы, бериллия, висмута, хрома, кобальта, цезия, лития, магния, никеля, рубидия, селена, стронция и ванадия. Возможные источники этих элементов

· Al, Fe, Ca, Si — эрозия почвы, сжигание угля

· C — неполное сгорание топлива

· Sb, Se — сжигание угля, нефти или отходов

· V — сжигание нефтяного кубового остатка

· Zn — сжигание угля

· Pb — сжигание этилированного бензина и свинецсодержащих отходов.

Примерами процессов диспергирования могут быть выброс в воздух твердых побочных продуктов литейного производства, пыль, образующаяся на улицах города в результате движения транспорта, и т.д. Кроме того, аэрозоли могут образовываться в воздухе в результате фотохимических превращений атмосферных загрязнений (образование аэрозолей серной кислоты, сульфатов, нитратов).
Значительная часть органических веществ во взвешенных частицах происходит из выбросов двигателей внутреннего сгорания. Основное внимание привлекают полиядерные ароматические углеводороды.

Диоксид серы

Диоксид серы — бесцветный газ. Источники те же, что и для взвешенных частиц, особенно сжигание угля и нефти. Вступает в каталитические или фотохимические реакции с другими загрязняющими веществами с образованием SO₃, серной кислоты и сульфатов. Типичные процессы образования дисперсионных аэрозолей — измельчение угля, ветровая эрозия почвы.

Атмосфера. В промышленных районах концентрация диоксида серы обычно достигает 0,05–0,1 мг/м³; в сельских районах она в несколько раз меньше, а над океаном меньше в 10–100 раз. В сельской местности фоновая концентрация близка к 0,5 мкг/м³, а концентрация в городах в 50-100 раз выше. Из-за химических превращений время жизни диоксида серы в атмосфере невелико (порядка нескольких часов). В связи с этим возможность загрязнения и опасность воздействия непосредственно диоксида серы носят, как правило, локальный, а в отдельных случаях региональный характер.

Наиболее крупными источниками выбросов двуокиси серы яв­ляются тепловые электростанции, работающие на твердом и жид­ком топливе, и металлургические предприятия. Большинство этих источников осуществляет выбросы из труб на высотах 100—200 м от поверхности земли, в результате чего они значительно рассеи­ваются до попадания в приземный слой атмосферы.

Значительную роль в загрязнении атмосферного воздуха горо­дов двуокисью серы играют такие источники, как мелкие котель­ные с низкими трубами, небольшие предприятия местной промыш­ленности, печные трубы жилых домов, т. е. источники, которых в городах насчитывается до нескольких сотен.

При одних и тех же выбросах содержание сернистого газа в атмосфере возрастает в 2 раза при увели­чении вклада низких выбросов (высота труб до 50 м) от 25 до 50 % в суммарное количество выбросов. Влияние высоты выбро­сов особенно заметно при сравнительно небольшом количестве суммарных выбросов примеси. С учетом высот всех источников выбросов в городе можно принять среднюю высоту выбросов сер­нистого газа hsoi = 25 м.

При рассмотрении соотношений между выбросами и концен­трацией вредных веществ принималось, что все выбросы серы на­ходятся в атмосфере в виде сернистого газа. В действительности в туманах и осадках очень быстро происходит его окисление до SO₄ с дальнейшим образованием серной кислоты. При этом про­исходит возрастание массовой концентрации примеси: из 1 г сер­нистого газа образуется 1,5 г серной кислоты.

При низкой температуре воздуха (—35°С и ниже) выбросы тепловых электростанций и котельных способствуют образованию тумана, состоящего из частиц замерзшей влаги с высоким содер­жанием серной кислоты. Такие туманы могут возникать в поляр­ных районах, особенно на севере Восточной Сибири.

Окисление сернистого газа до SO4 и образование сульфатов происходит чаще всего в процессе фотохимических реакций. Скорость реакции окисления в значительной степени зависит от интенсивности солнечной радиации и от наличия соединений, способных изменять скорость реакции. Так, если в чистом воз­духе скорость фотохимического окисления сернистого газа состав­ляет 0,03 %/ч, то в присутствии даже незначительного количества окислов азота (а они присутствуют в атмосфере почти всегда) и олефинов она возрастает до 10 %/

В 1980 г. одновременные измерения концентраций сернистого газа и сульфатов были начаты на сети ОГСНКД во многих горо­дах, на одном посту в каждом городе. По предварительному ана­лизу результатов измерений получено, что в ат­мосфере содержание сульфатов (так же, как и сернистого газа) непрерывно изменяется. Средняя концентрация сульфатов зависит -от среднего уровня загрязнения воздуха сернистым газом и воз­растает с его увеличением.

В большинстве городов концентрация сульфатов составляет 10—25 % концентрации сернистого газа. Наибольшие концентрации сульфатов отме­чаются в районах, где велика интенсивность солнечной радиа­ции, редки осадки и создается возможность для длительного со­хранения серы в атмосфере, либо велика концентрация промыш­ленных предприятий с выбросами больших количеств серы. Более низкие концентрации сульфатов, составляющие 7—15 % концен­трации сернистого газа, наблюдаются Поволжье, и на Дальнем Востоке.

Увеличение концентрации серы за счет переноса ее из европейских стран мо­жет оказаться значительным на территории Ленинградской и Ка­лининградской областей. Сюда мо­жет переноситься в среднем за 1 год 4,1 т/км².

Средний уровень загрязнения воздуха существенно зависит от преобладающей в городе отрасли промышленности. Такой вывод получен при рассмотрении материалов измерений, выполненных в 328 городах. В городах с предприяти­ями черной и цветной, нефтеперерабатывающей промышленности концентрации сернистого газа выше, чем в среднем по стране, и выше, чем в крупнейших городах.

Средние максимальные концентрации сернистого газа в горо­дах с предприятиями цветной металлургии выше средних макси­мальных по стране почти в 2 раза, а в городах с другими из рас­сматриваемых отраслей промышленности — выше средней макси­мальной по стране на 40—50 %..

Влияние на окружающую среду. Высокие концентрации диоксида серы вызывают серьезное повреждение растительности. Острое повреждение, вызванное диоксидом серы, отражается в появлении белесых пятен на широколистных растениях или обесцвеченных некротических полос на листьях с продольным жилкованием. Хронический эффект проявляется как обесцвечивание хлорофилла, приводящее к пожелтению листьев, появлению красной или бурой окраски, которая в нормальных условиях маскируется зеленой. Независимо от формы проявления, результатом является снижение продуктивности и замедление роста. Лишайники особенно чувствительны к SO₂ и используются как биоиндикаторы при определении его избыточных количеств в воздухе. Однако диоксид серы не всегда вызывает повреждение: в сульфатдефицитных местностях дополнительные небольшие уровни SO₂ могут благотворно влиять на растения, однако происходящее параллельно некоторое подкисление почвы может потребовать дополнительного известкования.

Оксид углерода (II)

Источники. Неполное сгорание органического вещества (автотранспорт, промышленность, сжигание отходов, курение и т.п.). Образуется также при протекании некоторых биологических и промышленных процессов.

Атмосфера. Естественное содержание в атмосфере 0,01–0,23 мг/м³. Концентрации в городах зависят от интенсивности движения транспорта и погодных условий и изменяются в широких пределах в зависимости от времени и расстояния от источника.

Окись углерода выбрасывается в атмосферу .предприятиями нефтяной, нефтеперерабатывающей и металлургической промышленности, крупными электростанциями. Однако в наибольших ко­личествах она поступает в атмосферу с выхлопными газами авто­мобилей. Для выбросов автомобилей примем h = 1,5 м.

При диагнозе состояния загрязнения следует учитывать фото­химические реакции в атмосфере, которые приводят не только к переходу NO в N0₂, но и к возникновению новых, более токсич­ных вредных веществ, чем первичные вещества, поступающие с выбросами предприятий.

Опасные условия загрязнения воздуха наблюдались при фото­химическом смоге в городах США. Леннер и др. отмечали высокие концентрации окислов азота (более 1 мг/м³) в Гётеборге. Механизм формирования смога и концентрации вредных веществ, при этом образующихся, являются предметом многих .исследова­ний. Окислители, включая озон, являются продуктами реакции окислов азота и углеводоро­дов в атмосфере.

Химические реакции, приводящие к фотохимическому смогу, сложны, а их количество велико, но главные моменты образова­ния смога описываются небольшим количеством реакций.

Влияние на здоровье. Снижает способность крови переносить кислород к тканям. Каждая млн^-1 СО приводит к связыванию с 0,165 % гемоглобина крови с образованием карбоксигемоглобина. Существуют данные, что содержание карбоксигемоглобина 1-2 % влияет на поведение и может усугублять симптомы сердечно-сосудистых заболеваний (чтобы снабжение тканей кислородом оставалось на прежнем уровне, необходимо усиленное кровоснабжение). Содержание 2-5 % приводит к нарушению психомоторных функций, а более 5 % — нарушения сердечной деятельности и дыхания. Содержание карбоксигемоглобина более 10 % приводит к головной боли, утомляемости, сонливости, снижению работоспособности, коме, остановке дыхания и смерти. Принимая во внимание эти эффекты, желательно не допускать содержания карбоксигемоглобина свыше 2 %.