На человека и растительность
| .Концентрация оксидантов | Экспозиция,ч | Эффект воздействия | |
| мкг/м3 | Млн-1 | ||
| 0,05 0,1 0,13 0,3 | - | Повреждение растительности Раздражение глаз Обострение респираторных заболеваний Ухудшение спортивных показателей |
Примечание. В России принято выражать концентрации газообразных примесей в мг/м3 , а за рубежом – в частях на миллион (млн-1, ррт). Для перевода концентраций с, выраженных в мг/м3, необходимо использовать соотношение с (мг/м3) = с (млн-1)·М/24,5, где М — молярная масса примесей, г/моль; 24,5 —объем (л) 1 моль идеального газа при температуре 25 °С и давлении 105 Па. Для О3 при t = 25ºС 1 млн-1 = 1,962 мг/м3.
Фотохимические смоги, впервые обнаруженные, в 40-х годах в г. Лос-Анджелес, теперь периодически наблюдаются во многих города мира.
Кислотные дожди известны более 100 лет, однако проблема этих дождей возникла около 20 лет назад.
Источниками кислотных дождей служат газы, содержащие серу и азот. Наиболее важные из них: SO2, NОх, H2S. Кислотные дожди возникают вследствие неравномерного распределения этих газов в атмосфере. Например, концентрация SO2 (мкг/м3) обычно таковы: в городе 50...1000, на территории около города в радиусе около 50 км 10...50, в радиусе около 150 км 0,1...2, над океаном 0,1.
Основными реакциями в атмосфере являются: I вариант: SO2 + ОН ® НSO3; НSO3 + ОН ® H2SO4 (молекулы в атмосфере быстро конденсируются в капли); II вариант: SO2 + hv ® SO2* (SO2*— активированная молекула диоксида серы); SO2* + O2 ® SO4 ; SO4 + O2 ® SO3 + O3; SO3 + H2O ® H2SO4. Реакции обеих вариантов в атмосфере идут одновременно. Для сероводорода характерна реакция H2S + O2 ® SO2 + H2O и далее I или II вариант реакции.
Источниками поступления соединений серы в атмосферу являются: естественные (вулканическая деятельность, действия микроорганизмов и др.) 31...41 %, антропогенные (ТЭС, промышленность и др.) 59...69 %; всего поступает 91...112 млн. т в год.
Концентрации соединений азота (мкг/м3) составляют: в городе 10...100, на территории около города в радиусе 50км 0,25...2,5, над океаном 0,25.
Из соединений азота основную долю кислотных дождей дают NO и NO2. В атмосфере возникают реакции: 2NO + O2 ® 2 NO2, NO2 + ОН ® HNO3. Источниками соединений азота являются: естественные (почвенная эмиссия, грозовые разряды, горение биомассы и др.) 63 %, антропогенные (ТЭС, автотранспорт, промышленность) 37 %; всего поступает 51...61 млн. т в год.
Серная и азотная кислоты поступают в атмосферу также в виде тумана и паров от промышленных предприятий и автотранспорта. В городах их концентрация достигает 2 мкг/м3.
Соединения серы и азота, попавшие в атмосферу, вступают в химическую реакцию не сразу, сохраняя свои свойства соответственно, в течение 2 и 8...10 суток. За это время они могут вместе с атмосферным воздухом пройти расстояния 1000...2000 км и лишь после этого выла' дают с осадками на земную поверхность.
Различают два вида седиментации: влажная и сухая. Влажная — это выпадение кислот, растворенных в капельной влаге, она возникает при влажности воздуха 100,5 %; сухая —реализуется в тех случаях, когда кислоты присутствуют в атмосфере в виде капель диаметром около 0,1 мкм. Скорость седиментации в этом случае весьма мала и могут проходить большие расстояния (следы серной кислоты обнаружены даже на Северном полюсе).
Различают прямое и косвенное воздействие кислотных осадков на человека. Прямое воздействие обычно не представляет опасности, так концентрация кислот в атмосферном воздухе не превышает 0,1 мг/м3, т. е. находится на уровне ПДК (ПДКос = 0,1 и ПДКмр = 0,3 мг/м3 для H2SO4). Такие концентрации нежелательны для детей и астматиков.
Прямое воздействие опасно для металлоконструкции (коррозия со скоростью до 10 мкм/год), зданий, памятников и т. д. особенно из песчаника и известняка в связи с разрушением карбоната кальция.
Наибольшую опасность кислотные осадки представляют при попадании в водоемы и почву, что приводит к уменьшению рН воды (РН = 7 —нейтральная среда). От значения рН воды зависит растворимость алюминия и тяжелых металлов в ней и, следовательно, их накопление в корнеплодах, а затем и в организме человека. При изменении рН воды меняется структура почвы и снижается ее плодородие. Снижение рН питьевой воды способствует поступлению в организм человека указанных выше металлов и их соединений.
В нашей стране повышенная кислотность осадков (рН = 4...5,5) отмечается в отдельных промышленных регионах. Наиболее неблагополучны города Тюмень, Тамбов, Архангельск, Северодвинск, Вологда, Петрозаводск, Омск и др. Плотность выпадения осадков серы, превышающая 4 т/(км·год), зарегистрирована в 22 городах страны, а более 8...12 т/(км·год) в городах: Алексин, Новомосковск, Норильск, Магнитогорск.
Состояние и состав атмосферы определяют во многом величину солнечной радиации в тепловом балансе Земли. На ее долю приходится основная часть поступающей в биосферу теплоты:
| Теплота от солнечной радиации Теплота от естественных источников (из недр Земли, от животных и др.) Теплота от антропогенных источников (энергоустановок, пожаров и др.) | Дж/год 25-1023 37,46-1020 4,2-1020 | % 99,8 0,18 0,02 |
Экранирующая роль атмосферы в процессах передачи теплоты от Солнца к Земле и от Земли в космос влияет на среднюю температуру оиосферы, которая длительное время находилась на уровне около + 15 ° С. расчеты показывают, что при отсутствии атмосферы средняя температура оиосферы составляла бы приблизительно —15° С.
Основная доля солнечной радиации передается к поверхности мли в оптическом диапазоне излучений, а отраженная от земной верхности — инфракрасном (ИК). Поэтому доля отраженной лучистой энергии, поглощаемой атмосферой, зависит от количества многоатомных минигазов (СO2, H2O, СН4, O3 и др.) и пыли в ее составе. Чем выше концентрация минигазов и пыли в атмосфере, тем меньше доля отраженной солнечной радиации уходит в космическое пространство, тем больше теплоты задерживается в биосфере за счет парникового эффекта. ИК-излучение поглощается метаном, фреонами, озоном, оксидом диазота и т. п. в диапазоне длины волн 1...9 мкм, а парами воды и углекислым газом при длине волн 12 мкм и более. В последние годы наметилась тенденция к значительному росту концентраций СО2, СН4, N2O и других газов в атмосфере:
| Год ..... | ||||||||
| Концентрация СО2, млн-1 | 450...600 | 700...750 |
Аналогично изменяются концентрации метана, оксида азота, озона и других газов. Рост концентраций СО3 в атмосфере происходит вследствие уменьшения биомассы Земли и увеличения техногенных поступлений.
Источниками техногенных парниковых газов являются: теплоэнергетика, промышленность и автотранспорт, они выделяют СО2; химические производства, утечки из трубопроводов, гниение мусора и отходов животноводства определяют поступленияСН4; холодильное оборудование, бытовая химия —фреонов; автотранспорт,ТЭС, промышленность —оксидов азота и т. п.
В результате в биосферу дополнительно поступает теплота порядка 70-Ю2 Дж/год, при этом на долю отдельных газов приходится: СО2 — 50%, фреонов—15, O3 —5, СН4 —20, N2O (оксид азота) — 10 %. Доля парникового эффекта в нагреве биосферы в 16,6 раза больше доли других источников антропогенного поступления теплоты.
Рост концентраций минигазов в атмосфере и как следствие повышение доли теплоты ИК-излучения, задерживаемой атмосферой, неизбежно сопровождается ростом температуры поверхности Земли. В период с 1880 по 1940 г. средняя температура в северном полушарии возросла на 0,4 °С, а в период до 2030 г. она может повыситься еще на 1,5—4,5 °С. Это весьма опасно для островных стран и территории, расположенных ниже уровня моря. Есть прогнозы, что к 2050 г. уровень моря может повыситься на 25—40 см, а к 2100 —на 2 м, что приведет к затоплению 5 млн. км2 суши, т. е. 3 % суши и 30 % всех урожайных земель планеты.
Парниковый эффект в атмосфере — довольно распространенное явление и на региональном уровне. Антропогенные источники теплоты (ТЭС, транспорт, промышленность), сконцентрированные в крупных городах и промышленных центрах, интенсивное поступление парниковых газов и пыли, устойчивое состояние атмосферы создают окол° городов пространства радиусом 50 км и более с повышенными на 1-5 ³С температурами и высокими концентрациями загрязнений. Эти зоны тепла над городами хорошо просматриваются из космического пространства. Они разрушаются лишь при интенсивных движениях больших масс атмосферного воздуха.
Техногенные загрязнения атмосферы не ограничиваются приземной зоной. Определенная часть примесей поступает в озоновый слой и рарушает его. Разрушение озонового слоя опасно для биосферы, так как оно сопровождается значительным повышением доли ультрафиолетового излучения с длиной волны менее 290 нм, достигающего земной поверхности. Эти излучения губительны для растительности, особенно для зерновых культур, представляют собой источник канцерогенной опасности для человека, стимулируют рост глазных заболеваний.
Основными веществами, разрушающими озоновый слой, являются соединения хлора, азота.По оценочным данным, одна молекула хлора может разрушить до 105 молекул озона, одна молекула оксидов азота —до 10 молекул.
Источниками поступления соединений хлора и азота в озоновый слой могут быть: вулканические газы; технологии с применением фреонов; атомные взрывы; самолеты («Конкорд», военные), в выхлопных газах которых содержатся до 0,1 % общей массы газов соединения NО и NO2; ракеты, содержащие в выхлопных газах соединения азота и хлора. Состав выхлопных газов космических систем (т) на высоте 0...50км приведен ниже:
| Соединения хлора «Энергия» и «Буран», СССР………….. 0 «Шатгл».США ……………………..... 187 | Оксиды азота | Пары воды, водород | Оксиды углерода | Оксиды алюминия |
Значительное влияние на озоновый слой оказывают фреоны, продолжительность жизни которых достигает 100 лет. Источниками поступления фреонов являются: холодильники при нарушении герметичности контура переноса теплоты; технологии с использованием фреонов; бытовые баллончики для распыления различных веществ и т. п.
По оценочным данным, техногенное разрушение озонового слоя к У/З г. достигло 0,4...1 %; к 2000 г. ожидается 3 %, к 2050 г.— 10 %. верная война может истощить озоновый слой на 20—70 %. Заметные негативные изменения в биосфере ожидаются при истощении озонового слоя на 8...10 % общего запаса озона в атмосфере, составляющего около 3 млрд. т. Заметим, что один запуск космической системы «Шаттл» сопровождается разрушением около 0,3 % озона, что составит около 107 т озона.
В результате антропогенного воздействия на атмосферу возможи следующие негативные последствия:
— превышение ПДК многих токсичных веществ(СО, NO2, SO2, CnHm, бенз(а)пирена, свинца, бензола и др.) в городах и населенных пунктах;
— образование смога при интенсивных выбросах NOх,CnHm
— выпадение кислотных дождей при интенсивных выбросах SOх, NOх;
— появление парникового эффекта при повышенном содержании СО2, NOх, О3, СН4, H2O и пыли в атмосфере, что способствует повышению средней температуры Земли;
— разрушение озонового слоя при поступлении NOх и соединений хлора в него, что создает опасность УФ-облучения.
Загрязнение гидросферы. Потребление воды [2.2] в РФ в 1996 г. достигло 73,2 км3, в том числе на нужды, %:
— производственные—53,1;
— хозяйственно-питьевые—19,1;
— орошение —14,3;
— сельскохозяйственное водоснабжение —4,3;
— прочие — 9.
При использовании воду, как правило, загрязняют, а затем сбрасывают в водоемы. Внутренние водоемы загрязняются сточными водами различных отраслей промышленности (металлургической, нефтеперерабатывающей, химической и др.), сельского и жилищно-коммунального хозяйства, а также поверхностными стоками. Основными источниками загрязнений являются промышленность и сельское хозяйство.
Загрязнители делятся на биологические (органические микроорганизмы), вызывающие брожение воды; химические, изменяющие химический состав воды; физические, изменяющие ее прозрачность (мутность), температуру и другие показатели.
Биологические загрязнения попадают в водоемы с бытовыми и промышленными стоками, в основном предприятий пищевой, медико-биологической, целлюлозно-бумажной промышленности. Например, целлюлозно-бумажный комбинат загрязняет воду также, как город с населением 0,5 млн. чел.
Биологические загрязнения оценивают биохимическим потреблением кислорода —БПК. БIIKs —это количество кислорода, потребляемое за 5 суток микроорганизмами—деструкторами для полной минерализации органических веществ, содержащихся в 1 л воды. Нормативное значение БПКз = 5 мг/л. Реальные загрязнения сточных вод таковы, что требуют значений БПК на порядок больше.
Химические загрязнения поступают в водоемы с промышленными, поверхностными и бытовыми стоками. К ним относятся: нефтепро дукты, тяжелые металлы и их соединения, минеральные удобрения, пестициды, моющие средства. Наиболее опасны свинец, ртуть, кадмий. Поступление тяжелых металлов (т/год) в Мировой океан следующее:
| Сток с суши | Атмосферный перенос | |
| Свинец | (1-20)·105 | (2-20)·105 |
| Ртуть | (5-8)·103 | (2-3)·103 |
| Кадмий | (1-20)·103 | (5-40)·102 |
Физические загрязнения поступают в водоемы с промышленными стоками, при сбросах из выработок шахт, карьеров, при смывах с территорий промышленных зон, городов, транспортных магистралей, за счет осаждения атмосферной пыли. Всего в 1996 г. в водоемы страны сброшено 58,9 км3 сточных вод, из них 22,4 км3 загрязненных.
Содержание некоторых загрязняющих веществ (тыс. т) в сточных водах показано ниже:
| 1992 г. | 1996 г. | |
| Соединения меди | 0,9 | 0,2 |
| Соединения железа | 51,2 | 19,7 |
| Соединения цинка | 1,6 | 0,8 |
| Нефтепродукты | 34,9 | 9,3 |
| Взвешенные вещества | 618,6 | |
| Соединения фосфора | 32,4 | |
| Фенолы | 0,22 | 0,08 |
В результате антропогенной деятельности многие водоемы мира и нашей страны крайне загрязнены. Уровень загрязненности воды по отдельным ингредиентам превышает 30 ПДК. Наиболее высокий уровень загрязненности воды наблюдается в бассейнах рек: Днестр, Печора, Обь, Енисей, Амур, Северная Двина, Волга, Урал. Антропогенное воздействие на гидросферу приводит к следующим негативным последствиям:
— снижаются запасы питьевой воды (около 40 % контролируемых водоемов имеют загрязнения, превышающие 10 ПДК);
— изменяется состояние и развитие фауны и флоры водоемов;
— нарушается круговорот многих веществ в биосфере;
- снижается биомасса планеты и как следствие воспроизводство кислорода.
Опасны не только первичные загрязнения поверхностных вод, но и вторичные, образовавшиеся в результате химических реакций веществ в водной среде. Так, при одновременном попадании весной 1990 г. в р. Белая фенолов и хлоридов образовались диоксины, содержание которых в 147 тыс. раз превысило допустимые значения.
Большую опасность загрязненные сточные воды представляют тех случаях, когда структура грунта не исключает их попадание в зоны залегания грунтовых вод. В ряде случаев до 30...40 % тяжелых металлов из почвы поступает в грунтовые воды.
Загрязнение земель. Нарушение верхних слоев земной коры происходит при: добыче полезных ископаемых и их обогащении; захорони нии бытовых и промышленных отходов; проведении военных учений и испытаний и т. п. Почвенный покров существенно загрязняется осадками в зонах рассеивания различных выбросов в атмосфере пахотные земли — при внесении удобрений и применении пестицидов
Ежегодно из недр страны извлекается огромное количество горной массы, вовлекается в оборот около трети, используется в производстве около 7 % объема добычи. Большая часть отходов не используется и скапливается в отвалах.
По данным Госкомстата, в 1990 г. 10 тыс. промышленных предприятий образовали 302 млн. т отходов, из них 80 % отходы черной и цветной металлургии. Большая часть отходов шла на переработку, но около 9 млн. т вывозили в места неорганизованного складирования и на городские свалки.
Существенно загрязнение земель в результате седиментации токсичных веществ из атмосферы. Наибольшую опасность представляют предприятия цветной и черной металлургии. Зоны загрязнений их выбросами имеют радиусы около 20—50 км, а превышение ПДК достигает 100 раз. К основным загрязнителям относятся никель, свинец, бенз(а)пирен, ртуть и др.
Опасны выбросы мусоросжигающих заводов, содержащие тетра-этилсвинец, ртуть, диоксины, бенз(а)пирен и т. п. Выбросы ТЭС содержат бенз(а)пирен, соединения ванадия, радионуклиды, кислоты и другие токсичные вещества. Зоны загрязнения почвы около трубы имеют радиусы 5 км и более.
В табл. 2.6 приведены основные источники и наиболее распространенные группы веществ химического загрязнения почвы.
Таблица 2.6.