Атмосфера - загрязнения и борьба с ними
1. Атмосфера – защитная оболочка Земли.
2. Загрязнение атмосферы – кислотные осадки
3. Разрушение озонового слоя
4. Парниковый эффект
5. Радиоактивное, электромагнитное, шумовое загрязнения
6. Меры по охране атмосферы
1 Атмосфера – газообразная оболочка планеты, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли (99% составляет О2, N2).
Имеет слоистое строение: 1) тропосфера (высота от 10 до 15 км). Здесь протекает большинство метеорологических процессов, происходит конвективный перенос влаги и формируются облака. Содержит 80% влаги. 2) стратосфера (до высоты = 40 - 55 км), содержит озоновый слой. 3) ионосфера (высота до 1300 км) обладает повышенной ионизацией молекул газа. 4) экзосфера (высота до 10000 км) плотность воздуха с увеличением высоты убывает, приближаясь к разреженности вещества, в максимальном пространстве.
Атмосфера является защитной оболочкой Земли и необходимым условием поддержания многих биосферных процессов. О2 и СО2 активно участвуют в обмене веществ живых организмов N2.
Азот воздуха фиксируется азотфиксирующими бактериями и возвращается в атмосферу при денитрификации в процессе разложении органических остатков. Для жизнедеятельности человека воздух – самый главный ресурс. Даже незначительные изменения в составе воздуха грозят тяжелыми последствиями. Например, содержание СО2 в воздухе > 0,07 % оказывает угнетающее действие на дыхание, а концентрация 4% вызывает смертельный исход. Критическим пределом для человека в содержании атмосферного О2 является его снижение с 23,3% до 17% (по массе).
Происходящими в атмосфере процессами обуславливаются климатические явления, что имеет особое значение для определения агроклиматического потенциала территории. Для хорошего самочувствия животных и человека важно определение соотношения тепла и влажности. Так «зона комфорта» находится при соотношении t и влажности: 20° – 85%; 25° - 60%; 30° - 44%; 35° - 33%.
Атмосфера играет фундаментальную роль в производственных процессах, требующих затрат энергии. Эта энергия черпается за счет сжигания атмосферного О2. Кислород, хотя и относится к возобновляемым ресурсам, но способен легко истощаться.
Образование и разложение озона связано с поглощением ультрафиолетовой радиации солнца, которая губительна для живых организмов. О3 задерживает 20% инфракрасного излучения Земли, повышая утепляющее действие воздушного покрова. Основная масса О3 находится на h=20-24 км. Ионосфера так же оберегает все живое от вредного воздействия космической радиации, влияет на поглощение и отражение радиоволн.
2. Загрязнение атмосферы имеет естественное и искусственное происхождение 1) естественное: а) загрязнение космической пылью и космическим излучением; б) земное загрязнение при извержении вулканов, выветривании горных пород, пыльных бурях, лесных пожарах, выносе морских солей и др. 2) искусственное вызывается промышленными, транспортными, бытовыми выбросами. В атмосферу вследствие деятельности человека поступают СО2, СО, диоксид серы (SO2), метан, оксиды азота: NO2, NO, N2O, хлороуглероды, тяжелые металлы (свинец и др.).
В городах России на долю автотранспорта приходится около 40% общих загрязнений атмосферы. Примерно столько же приходится на долю ТЭС. Только за 1ч работы ТЭС средней мощности сжигается более 80т. угля и выбрасывается в атмосферу около 5т. SO2 (сернистого газа) и 16-17 т. золы. Наиболее экологически чистым сегодня являются газ, при сжигании которого выброс оксидов N оказывается примерно на 20% меньше, чем при сжигании угля. Каждый автомобиль в среднем потребляет около 2 т топлива в год и выбрасывается в атмосферу 700 кг оксида С, 230 кг различных углеводородов, 40кг окислов N, 2 - 5 кг твердых веществ. Особо опасные вещества тетраэтилсвинец и бензапирен, обладающие канцерогенными свойствами. Всего в выхлопных газах присутствует около 200 веществ. Автомобили сжигают О2 в 3 - 4 раза больше, чем требуется всему человечеству для дыхания.
Много разнообразных выбросов дают предприятия цветной и черной металлургии, химической и нефтехимической промышленности, производство строительных материалов. В результате атмосфера становится ареной сотен химических реакций, и некоторые из них способны вызвать довольно масштабные явления, существенно влияющие на состояние наземных и водных экосистем. Таким явлением оказываются кислотные осадки. Обычная кислотность осадков в центральной Европе и на северо-востоке США находится в пределах ph=3,0-5,5. Случай с наибольшим значением кислотности ph=2,25 был отмечен в 1981г. в Китае, в районе с сильным загрязнением воздуха. Под действием солнечного света, окислителей О2 и О3 из смеси газов (главным образов оксидов N, S, углеводородов) и паров Н2О образуются соединения кислотной природы, среди которых: 30%-HNO3; 60%-H2SO4; 2%-H2CO3; 5%-HCl. Другие кислоты содержатся в осадках в малых и следовых количествах. Картина кислотных загрязнений над регионами, зависит от характера производства. В Братске, где расположен алюминиевый комбинат, усыхание сосновых лесов обусловленно, прежде всего действием плавиковой кислоты (HF), которая образуется при производстве Al из криолита (Na3AlF6). Выпадение кислотных осадков на поверхность Земли может происходить 2 путями: 1) вымывание кислотных соединений - влажная седиментация; 2) осаждение веществ - сухая седиментация, которая не имеет существенного значения. Однако, обнаруженное недавно в районе северного полюса выпадение сульфатов и H2SO4 произошли, скорее всего этим способом.
Наиболее значимо воздействие кислотных осадков на почвы и водоемы. Снижается активность почв, микроорганизмов, падает продуктивность почв. В водоемах снижается видовое разнообразие фитопланктона при ph < 6,0 , при ph = 5,0 зоопланктон. Репродуктивность рыб резко падает при ph < 5,5, а при ph < 4,5 прекращается (оптимальные условия 6,5 - 8,5). В условиях подкисления развиваются: сфагновые мхи и сине-зеленые водоросли. Кислотные дожди могут вызывать коррозии металлов и разрушение зданий.
При большом количестве пыли и газов, выбрасываемых в воздух городов и при антициклонных условиях погоды, когда загрязнители скапливаются в приземном слое атмосферы, образуется ядовитый туман - смог. Для него характерно образование О3 и формальдегида. Смог крайне вреден для живых организмов. Ухудшается самочувствие людей, резко увеличивается число лёгочных и сердечнососудистых заболеваний, возникают эпидемии гриппа.
Смог бывает нескольких типов:
1) влажный (Лондонского типа) характерен для стран с морским климатом, где очень часты туманы и высока влажность воздуха. Основные компоненты SO2 (сернистый газ) вызывает воспаление верхних дыхательных путей. Появляется в осенне-зимнее время года. Представляет собой ядовитый густой желто-грязный туман.
2) сухой смог (Лос-анджелесского типа), наблюдается в теплое время года в сухом климате в виде синеватой дымки, например в Нью-Йорке, Бостоне, Детройте, Чикаго, Мадриде, Милане. Возникает в воздухе, загрязненном в основном выбросами автотранспорта в результате фотохимических реакций. Этот смог более опасен, вызывает раздражение глаз, слизистых оболочек носа и горла, обострения хронических заболеваний, болезни и гибель животных и растений. Вызывает коррозию металлов, растрескивание красок, резиновых и синтетических изделий, порчу одежды. Печально знаменитый смог в 1952г. унес за несколько дней более 4 тыс. жизней.
3) ледяной (смог Аляскинского типа). Возникает в Арктике и Субарктике при низких температурах в антициклоне. Выбросы даже небольшого количества загрязняющих веществ, приводят к возникновению густого тумана, состоящего из мельчайших кристалликов льда и например, серной кислоты.
В России смоги бывают, например, в городах, расположенных, как правило в горных котловинах, где застаивается воздух: Кемерово, Братск, Новокузнецк.
3. С антропогенными изменениями состава атмосферы связано разрушение озонового слоя. Особенно интенсивно этот процесс происходит над полюсами планеты, где появляются так называемые «озоновые дыры». Этот термин не самый удачный (введен с легкой руки журналистов) - никакой дыры в буквальном смысле слова в озоновом слое нет - есть области с пониженным содержанием О3. Темпы их расширения в Антарктиде составляют около 4% в год. Каждый процент потери атмосферного озона приводит к росту числа раковых заболеваний кожи на 2%. Наибольшая потеря озона прогнозируется в полосе 20 - 5 градусов северной широты. Не может успокаивать и то обстоятельство, что уменьшение концентрации О3 в конце зимы связано с сезонными изменениями в состоянии стратосферы и носит временный характер, поскольку атмосфера – самая динамичная оболочка биосферы. Замечено, что в северном полушарии происходит зимнее и весеннее падение О3. В средних и высоких широтах потери О3 составляет 2-10%. В 1995 г. отмечено, что озоновый слой над Сибирью сократился на 25% и сохранялся на этом уровне на протяжении первой половины февраля.
В целом возникновение и рассасывание «дыр» не обнаруживает пока твердо установленных закономерностей (об этом можно говорить лишь к арктической зоне в пределах 60 параллели).
Механизмов разрушения озонового слоя существует несколько:
1) водородный каталитический цикл:
H+O3=OH+O2 O+OH=H+O2
2) гидроксильный каталитический цикл:
OH + O3 = HO2 + O2 HO2+O3=OH+2O2
Пергидроксил
Происходит если в стратосферу попадают молекулы воды в достаточно большом количестве.
Антропогенным источником могут быть запуски космических ракет и полеты стратосферной авиации. Американскому кораблю многоразового использования «Шатл», который работает на твердом топливе достаточно сто раз за четыре пять лет слетать в космос, чтобы озоновый слой полностью исчез. Наш ракетный носитель «Е» работает на углеводородном топливе, Н2. Оно в несколько тыс. раз слабее воздействует на озоновый слой, чем «Шатл».
3) Азотный каталитический цикл:
NO+O3=NO2+O2, NO2+O=NO+O2
Источником оксидов N является закись N (N2O) которая химически инертна, может проникать в верхние слои атмосферы. Поставщиком азота в атмосферу являются азотные удобрения, применяемые в сельском хозяйстве и почва, обнажается после сведения лесов.
4) Хлорный каталитический цикл:
Cl+O3=ClO+O2 ClO + O=Cl+O2
Cl попадает в стратосферу в составе фреонов, точнее подгруппа фреонов (хлорфторуглеродов – ХФУ). Наиболее известное ХФУ-11 (CFCl3) и ХФУ-12(CF2Cl2). Они широко используются в качестве хладагентов в холодильных установках, при производстве распылителей (аэрозольные баллончики), растворителей, при производстве пен. Продуцирование активного хлора происходит в результате фотодиссоциации молекул фреонов.
В настоящее время содержание хлорсодержащих соединений в стратосфере в 4-5 раз превышает естественный фон.
Монреальским протоколом (сент. 1987 г.) предусматривалось сокращение использования ХФУ к 1998 году в 2 раза. Россия из-за тяжёлого финансового экономического положения попросила отсрочки на 4-5 лет. Химики всего мира интенсивно ищут заменителя ХФУ, был предложен ХФУ-22 вместо 11-го и 12-го. В нём один атом галогена заменён на водород, поэтому ХФУ-22 относительно быстро разлагается в атмосфере, не достигая озонового слоя. Для полного отказа от применения фреонов в холодильной технике необходимы инвестиции в размере 600-700$ млн. в год.
4. Очень быстрыми темпами растет в атмосфере содержание CH4 и CO2. Эти газы обуславливают так называемый парниковый эффект .Они как стекла теплицы пропускают солнечный свет, но частично задерживают тепловое излучение, испускаемое поверхностью земли, что способствует общему потеплению климата. Увеличение в атмосфере пыли, напротив, способствует его похолоданию, т. к. атмосферный аэрозоль приводит к снижению прозрачности воздуха .Осаждение пыли на поверхность земли, особенно в зоне ледников, ведет к снижению альбедо и может повлиять на климат в сторону его потепления.
За последние 100 лет концентрация СО2 в атмосфере выросло на 25%, метана – на 100%, что сопровождалось глобальным повышением температуры на 0,5 - 0,6. Из расчета следует, что удвоение (СО2) влечет изменение средней температуры на 2 - 3 градуса.
На конференции ООН по мировому климату в Женеве в ноябре 1990 г.все участники согласились с тем, что к 2100 г. ожидается потепление в среднем на 3 градуса. Считается, что в развитие парникового эффекта вносят 1) 50% - СО2; 2) метан - 15%; 3) хлорфторуглероды - 13% ;4) озон - 10%; 5) N2O - 9%.
Первый зримый эффект от глобального потепления климата связывают с подъемом уровня Мирового океана – за последние 100 лет – на 15 см. В ближайшие 100 лет прогнозируется дальнейший подъем на 70 см. Температура атмосферы наиболее повысится в средних широтах северного полушария. Зона тайги сдвинется к северу на 100 - 200 км. Местами этот сдвиг гораздо меньше или его не будет вовсе. В целом региональная картина климатических изменений обещает быть очень сложенной и запутанной. Уже сейчас мы являемся свидетелями участившихся стихийных бедствий. Общее потепление означает неуклонное накопление энергии в системе Земля – атмосфера. Её распределение вряд ли будет равномерным в пространстве и во времени. Бури и ураганы станут более частыми гостями в Сибири. При общем увеличении количества осадков в центральных районах материков климат может стать более засушливым (катастрофические засухи 80-90-х гг. 20 века в Африке, Северной Америке). Необходимо наряду с ограничением выбросов в атмосферу парниковых газов развивать фитомелиорацию и ресурсосберегающие технологии.
5. Самое опасное загрязнение атмосферы сферы – радиоактивное. Все острее встает проблема складирования и захоронения радиоактивных отходов военной промышленности, атомных электростанций, хранения химического оружия. С каждым годом они представляют все большую опасность для окружающей среды. Скорость накопления РАО явно опережает технические возможности по их утилизации.
Трагедия 1957 г. на производственном объединении «Маяк» (Челябинск-40) случилось из-за взрыва одной из 80-х металлах цистерн. Радиационному воздействию за прошедшие годы подверглось 0,5 миллиона человек. На территории бывшего СССР непригодны для проживания из-за повышенного уровня радиации 4 млн. км2. В настоящее время ярославские ученые предлагают захоронение отходов в глубоких скважинах 4-5 км. с диаметром = 400-600 мм. Они могут быть построены в течение 2 - 3 лет (Минатом не выделяет средств).
Современное промышленное производство загрязняет атмосферу такими физическими факторами, как тепловыми выбросами, электромагнитными полями, ультрафиолетовыми, инфракрасными, световыми излучениями, шумами (самостоятельно).
6. Меры по охране атмосферного воздуха
1) заводская труба.
Эффективный путь снижения вредных выбросов в атмосферу – внедрение малоотходных производств и технологических процессов, повышение эффективности действующих установок очистки воздуха, внедрение замкнутых воздушных циклов с частичной рециркуляцией воздуха. Промышленные агрегаты должны быть оборудованы пыле- и газоулавливающими средствами.
Пылеулавливающие системы:
1) сухие; 2) мокрые; 3) тканевые фильтры, 4) электрофильтры. Выбор зависит от вида пыли, свойств, состава, содержания в воздухе.
От характера протекания физико-химических процессов методы очистки промышленных отходов делят на группы:
1) промывка выбросов растворителями примесей (метод абсорбции);
2) промывка выбросов растворителями реагентов, связывающих примеси химически;
3) поглощение газообразных примесей твердыми активными веществами;
4) поглощение примесей с применением катализаторов.
Более эффективно применять полностью или частично замкнутые воздушные циклы – загрязненный воздух удаляется от оборудования и из зоны дыхания рабочих. Пройдя через пылеуловители, он частично выбрасывается в атмосферу. Эффективность схем и методов очистки воздуха возрастает, если они являются составной частью технологического оборудования. Улавливание вредных веществ позволяет сохранить ценные готовые продукты для многих отраслей промышленности. Улавливание серы из отходящих газов магнитогорского комбината обеспечивает санитарную очистку и одновременно даёт возможность получить многие тысячи тонн H2SO4 в год по сравнительно дешёвой цене.
Загрязнение воздуха городов, крупных посёлков выхлопными газами автотранспорта – серьёзная проблема. Частичное решение – установка фильтров и дожигающих устройств, замена содержащих свинец добавок, чёткая организация движения, исключающая смену режимов работы двигателей. Кардинальное решение – замена двигателей внутреннего сгорания (например, электромобиль).
В улучшении воздушной среды большее значение имеют архитектурные и планировочные мероприятия в городе.