Атмосферный воздух является самой важной жизнеобеспечивающей природной средой и представляет собой смесь газов и аэрозолей приземного слоя атмосферы, сложившуюся в ходе эволюции Земли, деятельности человека и находящуюся за пределами жилых, производственных и иных помещений. Результаты экологических исследований, как в России, так и за рубежом, однозначно свидетельствуют о том, что загрязнение приземной атмосферы – самый мощный, постоянно действующий фактор воздействия на человека и окружающую среду. Атмосферный воздух имеет неограниченную ёмкость и играет роль наиболее подвижного, химически агрессивного и всепроникающего агента взаимодействия вблизи поверхности компонентов биосферы, гидросферы и литосферы.

Основные агенты воздействия атмосферы на гидросферу - атмосферные осадки в виде дождя и снега, в меньшей степени смога, тумана. Поверхностные и подземные воды суши имеют, главным образом, атмосферное питание и вследствие этого их химический состав зависит в основном от состояния атмосферы.

Отрицательное влияние загрязнённой атмосферы на почвенно-растительный покров связано как с выпадением кислотных атмосферных осадков, вымывающих кальций, гумус и микроэлементы их почв, так и с нарушением процессов фотосинтеза, приводящих к замедлению роста и гибели растений. Высокая чувствительность деревьев (особенно берёзы, дуба) к загрязнению воздуха выявлена давно. Совместное действие обоих факторов приводит к заметному уменьшению плодородия почв и исчезновению леса. Кислотные атмосферные рассматриваются сейчас как мощный фактор не только выветривания горных пород и ухудшения качества несущих грунтов, но и химического разрушения техногенных объектов, включая памятники культуры и наземные линии связи.

Загрязнённая приземная атмосфера вызывает рак лёгких, горла и кожи, расстройство центральной нервной системы, аллергические и респираторные заболевания, дефекты у новорождённых и многие другие болезни, список которых определяется присутствующими в воздухе загрязняющими веществами и их совместным воздействием на организм человека.

ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ

Проблема чистоты атмосферы не нова. Она возникла вместе с появлением промышленности и транспорта, работающих на угле, а затем на нефти. В течение практически двух столетий задымление воздуха носило местный характер. Дым и копоть сравнительно редких заводских, фабричных и паровозных труб почти полностью рассеивались на большом пространстве. Однако быстрый и повсеместный рост промышленности и транспорта в ХХв. привёл к такому увеличению объёмов и токсичности выбросов, которые уже не могут быть «растворены» в атмосфере до безвредных для природной среды и человека концентраций.

Загрязнение атмосферы имеет природное и антропогенное происхождение.

К природным источникам загрязнения относятся: извержения вулканов, пыльные бури, лесные пожары, пыль космического происхождения, частицы морской соли, продукты растительного, животного и микробиологического происхождения. Уровень такого загрязнения рассматривается в качестве фонового, который мало изменяется со временем.

Главный природный процесс загрязнения приземной атмосферы - вулканическая и флюидная активность Земли. Крупные извержения вулканов приводят к глобальному и долговременному загрязнению атмосферы. Это обусловлено тем, что в высокие слои атмосферы мгновенно выбрасываются огромные количества газов, которые на большой высоте подхватываются движущимися с высокой скоростью воздушными потоками и быстро разносятся по всему земному шару. Продолжительность загрязнённого состояния атмосферы после крупных вулканических извержений достигает нескольких лет.

На долю природных факторов в конце ХХв. приходилось 75% общего загрязнения атмосферы. Остальные 25% возникали в результате деятельности человека.

Антропогенные источники загрязнения обусловлены хозяйственной деятельностью человека. К ним следует отнести:

1. Сжигание горючих ископаемых, которое сопровождается выбросом 5млрд.т. углекислого газа в год.

2. Работа тепловых электростанций, когда при сгорании высокосернистых углей в результате выделения сернистого газа и мазута образуются кислотные дожди.

3. Выхлопы современных турбореактивных самолётов с оксидами азота и газообразными фтор углеводородами из аэрозолей, которые могут привести к повреждению озонового слоя атмосферы.

4. Выбросы вредных веществ от автомобилей.

5. Производственная деятельность.

6. Загрязнение взвешенными частицами (при измельчении, фасовке и загрузке, от котельных, электростанций, шахтных стволов, карьеров при сжигании мусора).

7. Выбросы предприятиями различных газов.

8. Сжигание топлива в котлах, сопровождающееся образованием оксидов азота, которые вызывают смог.

9. Вентиляционные выбросы с чрезмерной концентрацией озона из помещений с установками высоких энергий (ускорители, ультрафиолетовые источники и атомные реакторы).

При процессах сгорания топлива наиболее интенсивное загрязнение приземного слоя атмосферы происходит в мегаполисах и крупных городах, промышленных центрах ввиду широкого распространения в них автотранспортных средств, ТЭЦ, котельных и других энергетических установок, работающих на угле, мазуте, дизельном топливе, природном газе и бензине. Вклад автотранспорта в общее загрязнение атмосферного воздуха достигает здесь 40 – 50%. Мощным и чрезвычайно опасным фактором загрязнения атмосферы являются катастрофы на АЭС (Чернобыльская авария) и испытания ядерного оружия в атмосфере. Это связано как с быстрым разносом радионуклидов на большие расстояния, так и с долговременным характером загрязнения территории.

Высокая опасность химических и биохимических производств заключается в потенциальной возможности аварийных выбросов в атмосферу чрезвычайно токсичных веществ, а также микробов и вирусов, которые могут вызвать эпидемии среди населения и животных.

В настоящее время в приземной атмосфере находятся многие десятки тысяч загрязняющих веществ антропогенного происхождения. Ввиду продолжающегося роста промышленного и сельскохозяйственного производства появляются новые химические соединения, в том числе сильно токсичные. Главными антропогенными загрязнителями атмосферы кроме крупнотоннажных оксидов серы, азота, углерода, пыли и сажи являются сложные органические, хлорорганические и нитросоединения, техногенные радионуклиды, вирусы и микробы. Наиболее опасны широко распространённые в воздушном бассейне диоксин, бенз(а)пирен, фенолы, формальдегид, сероуглерод. Твёрдые взвешенные частицы представлены главным образом сажей, кальцитом, кварцем, гидрослюдой, каолинитом, полевым шпатом, реже сульфатами, хлоридами. В снеговой пыли специально разработанными методами обнаружены окислы, сульфаты и сульфиты, сульфиды тяжёлых металлов, а также сплавы и металлы в самородном виде.

Химическое загрязнение атмосферы

Под загрязнением атмосферы следует понимать изменение её состава при поступлении примесей естественного и антропогенного происхождения. Вещества – загрязнители бывают трёх видов: газы, пыль и аэрозоли. К последним относятся диспергированные твёрдые частицы, выбрасываемые в атмосферу и находящиеся в ней длительное время во взвешенном состоянии.

Основной вклад в высокий уровень загрязнения вносят предприятия чёрной и цветной металлургии, химии и нефтехимии, стройиндустрии, энергетики, целлюлозно-бумажной промышленности, а также в некоторых городах и котельные.

Источники загрязнений – теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ; металлургические предприятия, которые выбрасывают в воздух окислы азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка; химические и цементные заводы. Вредные газы попадают в воздух в результате сжигания и переработки бытовых и промышленных отходов.

Атмосферные загрязнители разделяются на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом превращения последних. Так, поступающих в атмосферу сернистый газ окисляется до серного ангидрида, который взаимодействует с парами воды и образует капельки серной кислоты. При взаимодействии серного ангидрида с аммиаком образуются кристаллы сульфата аммония. Подобным образом, в результате химических, фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы, образуются другие вторичные признаки.

Основным источником пирогенного загрязнения на планете являются тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия, котельные установки, потребляющие более 170% ежегодно добываемого твёрдого и жидкого топлива.

Основными вредными примесями пирогенного происхождения являются:

а) Оксид углерода. Получается при неполном сгорании углеродистых веществ. В воздух он попадает в результате сжигания твёрдых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Оксид углерода является соединением, активно реагирующим с составными частями атмосферы и способствует повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта.

б) Сернистый ангидрид. Выделяется в процессе сгорания серо-содержащего топлива или переработки сернистых руд, часть соединений серы выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах.

в) Серный ангидрид. Образуется при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Предприятия цветной и чёрной металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки миллионов тонн серного ангидрида.

г) Сероводород и сероуглерод. Поступают в атмосферу раздельно или вместе с другими соединениями серы. Основными источниками выброса являются предприятия по изготовлению искусственного волокна, сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие, а также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному окислению до серного ангидрида.

д) Оксиды азота. Основными источниками выброса являются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шёлк, целлулоид.

е) Соединения фтора. Источниками загрязнения являются предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений. Фторосодержащие вещества поступают в атмосферу в виде фторида натрия и кальция. Соединения характеризуются токсическим эффектом.

ж) Соединения хлора. Поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих соляную кислоту, хлоросодержащие пестициды, органические красители, хлорную известь, соду. В атмосфере встречаются как примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты.

Аэрозольное загрязнение атмосферы

Из естественных и антропогенных источников в атмосферу ежегодно поступают сотни миллионов тонн аэрозолей. Аэрозоли – это твёрдые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Аэрозоли разделяются на первичные (выбрасываются из источников загрязнения), вторичные (образуются в атмосфере), летучие (переносятся на далёкие расстояния) и нелетучие (отлагаются на поверхности вблизи зон пылегазовыбросов).

К естественным источникам относятся пыльные бури, вулканические извержения и лесные пожары. Газообразные выбросы (например, Газообразные выбросы (например, SO2) приводят к образованию в атмосфере аэрозолей. Несмотря на то, что время пребывания в тропосфере аэрозолей исчисляется несколькими сутками, они могут вызвать снижение средней температуры воздуха у земной поверхности на 0,1 – 0,3ºС. Не меньшую опасность для атмосферы и биосферы представляют аэрозоли антропогенного происхождения, образующиеся при сжигании топлива либо содержащиеся в промышленных выбросах.

Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений атмосферы являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой зольности, обогащённые фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще всего в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода. Пыль, осаждающаяся в индустриальных районах, содержит до 20% оксида железа, 15% силикатов и 5% сажи, а также примеси различных металлов (свинец, ванадий, молибден, мышьяк, сурьма и т.д.).

Ещё большее разнообразие свойственно органической пыли, включающей алифатические и ароматические углеводороды, соли кислот. Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях. Постоянными источниками аэрозольного загрязнения являются промышленные отвалы – искусственные насыпи из переотложенного материала, преимущественно вскрышных пород, образуемых при добыче полезных ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности, ТЭС. Источником пыли и ядовитых газов служат массовые взрывные работы. Так, в результате одного среднего по массе взрыва (250 – 300 тонн взрывчатых веществ) в атмосферу выбрасывается около 2тыс. куб. м. условного оксида углерода и более 150т. пыли. Производство цемента и других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью.

КИСЛОТНЫЕ ДОЖДИ

Термином «кислотные дожди» называют все виды метеорологических осадков – дождь, снег, град, туман, дождь со снегом, рН которых меньше, чем среднее значение рН дождевой воды (средний рН для дождевой воды равняется 5.6). Выделяющиеся в процессе человеческой деятельности двуокись серы (SO2) и окислы азота (NOх) трансформируются в атмосфере в кислотообразующие частицы. Эти частицы вступают в реакцию с водой атмосферы, превращая её в растворы кислот, которые и понижают рН дождевой воды.

Двуокись серы и различные оксиды азота выбрасываются в атмосферу автомобильным транспортом, в результате деятельности металлургических предприятий и электростанций, а также при сжигании угля и древесины. Вступая в реакцию с водой атмосферы, они превращаются в растворы кислот – серной, сернистой, азотистой и азотной. Затем, вместе со снегом или дождём, они выпадают на Землю.

Кислотные дожди большей частью наблюдаются в районах с развитой промышленностью. Хотя капельки воды и быстро удаляются из атмосферы, они всё же распространяются на сотни километров от производящих выбросы теплостанций, промышленных предприятий и т.д. Среди вредных веществ, содержащихся в воздухе городов, имеется большая группа, обладающая канцерогенной активностью. Это в первую очередь бенз(а)пирен и другие ароматические углеводороды, поступающие от котельных промышленных предприятий и с выхлопными газами автотранспорта.

Кислотный дождь оказывает отрицательное воздействие на водоёмы – озёра, реки, заливы, пруды – повышая их кислотность до такого уровня, что в них погибает флора и фауна. Водяные растения лучше всего растут со значениями рН между 7 и 9,2. С увеличением кислотности водяные растения начинают погибать, лишая других животных водоёма пищи. При кислотности рН 6 погибают пресноводные креветки. Когда кислотность повышается до рН 5.5, погибают донные бактерии, которые разлагают органические вещества и листья, и органический мусор начинает скапливаться на дне. Затем гибнет планктон – крошечное животное, которое составляет основу пищевой цепи водоёма и питается веществами, образующимися при разложении бактериями органических веществ. Когда кислотность достигает рН 4.5, погибает вся рыба, большинство лягушек и насекомых.

По мере накопления органических веществ на дне водоёмов из них начинают выщелачиваться токсичные металлы. Повышенная кислотность воды способствует более высокой растворимости таких опасных металлов, как алюминий, кадмий, ртуть и свинец из донных отложений и почв. Эти токсичные металлы представляют опасность для здоровья человека. Люди, пьющие воду с высоким содержанием свинца или принимающие в пищу рыбу с высоким содержанием ртути, могут приобрести серьёзные заболевания.

Огромный вред наносят кислотные дожди лесам. Леса высыхают, развивается суховершинность на больших площадях. Кислота увеличивает подвижность в почвах алюминия, который токсичен для мелких корней, и это приводит к угнетению листвы и хвои, хрупкости ветвей. Особенно страдают хвойные деревья, потому что хвоя сменяется реже, чем листья, и поэтому накапливает больше вредных веществ за один и тот же период. Хвойные деревья желтеют, у них изреживаются корни, повреждаются мелкие корни. Но и у лиственных деревьев изменяется окраска листьев, повреждается кора. Естественного возобновления хвойных и лиственных лесов не происходит.

Всё больший ущерб кислотные дожди наносят сельскохозяйственным культурам: повреждаются покровные ткани растений, изменяется обмен веществ в клетках, растения замедляют рост и развитие, уменьшается их сопротивляемость к болезням и паразитам, падает урожайность.

Кислотные дожди не только убивают живую природу, но и разрушают памятники архитектуры. Прочный, твёрдый мрамор, смесь окислов кальция (СаО и СО2), реагирует с раствором серной кислоты и превращается в гипс (СаSО4). Смена температур, потоки дождя и ветра разрушают этот мягкий материал.

В атмосферном воздухе, в первую очередь промышленных центров и городов, в результате сложных химических реакций смеси газов (главным образом окислов азота и углеводородов, содержащихся в выхлопных газах автомобилей), протекающих в нижних его слоях под действием солнечного света, образуются различные вещества, ядовитый туман. Такой ядовитый туман получил название «смог». Его возникновению способствуют определённые метеорологические условия: отсутствие ветра и дождя, а также температурная инверсия. Смог крайне вреден для живых организмов. Во время смога ухудшается самочувствие людей, резко увеличивается число лёгочных и сердечно-сосудистых заболеваний, возникают эпидемии гриппа.

Смог бывает следующих типов:

Влажный смог лондонского типа – сочетание тумана с примесью дыма и газовых отходов производства.

Ледяной смог аляскинского типа – смог, образующийся при низких температурах из пара отопительных систем и бытовых выбросов.

Радиационный туман – туман, который появляется в результате радиационного охлаждения земной поверхности и массы влажного приземного воздуха до точки росы. Обычно радиационный туман возникает ночью в условиях антициклона при безоблачной погоде и лёгком бризе.

Сухой смог лос-анджелесского типа – смог, возникающий в результате фотохимических реакций, которые происходят в газовых выбросах под действием солнечной радиации; устойчивая синеватая дымка из едких газов без тумана.

Фотохимический смог - смог, основной причиной возникновения которого считаются автомобильные выхлопы. Автомобильные выхлопные газы и загрязняющие выбросы предприятий в условиях инверсии температуры вступают в химическую реакцию с солнечным излучением, образуя озон.

Фотохимический смог может вызвать поражение дыхательных путей, рвоту, раздражение слизистой оболочки глаз и общую вялость. В ряде случаев в фотохимическом смоге могут присутствовать соединения азота, которые повышают вероятность возникновения раковых заболеваний.

Смог наблюдается обычно при слабой турбулентности (завихрение воздушных потоков) воздуха, и следовательно, при устойчивом распределении температуры воздуха по высоте, особенно при инверсиях температуры, при слабом ветре или штиле.

Инверсии температуры в атмосфере, повышение температуры воздуха с высотой вместо обычного для тропосферы её убывания. Инверсия температуры встречается и у земной поверхности (приземные инверсии температуры), и в свободной атмосфере. Приземные инверсии температуры чаще всего образуются в безветренные ночи (зимой иногда и днём) в результате интенсивного излучения тепла земной поверхностью, что приводит к охлаждению как её самой, так и прилегающего слоя воздуха. Толщина приземных инверсий температуры составляет десятки – сотни метров. Увеличение температуры в инверсионном слое колеблется от десятых долей градусов до 15 - 20ºС и более. Наиболее мощны зимние приземные инверсии температуры в Восточной Сибири и в Антарктиде.

В тропосфере, выше приземного слоя, инверсия температуры чаще образуется в антициклонах благодаря оседанию воздуха, сопровождающемуся его сжатием, а следовательно – нагреванием (инверсия оседания). В зонах фронтов атмосферных инверсия температуры создаётся вследствие натекания тёплого воздуха на нижерасположенный холодный. В верхних слоях атмосферы (стратосфере, мезосфере, термосфере) инверсия температуры возникает из-за сильного поглощения солнечной радиации. Так, на высотах от 20 – 30 до 50 – 60км расположена инверсия температуры, связанная поглощением ультрафиолетового излучения Солнца озоном. У основания этого слоя температура равна от -50 до -70ºС, у его верхней границы она поднимается до -10ºС - +10ºС. Мощная инверсия температуры, начинающаяся на высоте 80 – 90км и простирающаяся на сотни км вверх, также обусловлена поглощением солнечной радиации.

Смог снижает видимость, усиливает коррозию металлов и сооружений, оказывает отрицательное воздействие на здоровье человека. Интенсивный и длительный смог может явиться причиной повышения заболеваемости и смертности.

Угарный газ, входящий в состав смога, представляет собой соединение углерода с кислородом; газ без цвета и запаха. Отравление угарным газом возможны на производстве и в быту: в доменных, литейных цехах; при испытании двигателей, использовании топливных газов для сушки и подогрева; в химической промышленности; в гаражах; при дровяном отоплении и т.п.

Одним из вредных компонентов смога является и озон (О3). В крупных городах при образовании смога его естественная концентрация (1· 10ˉ ) повышается в 10 раз и более. Озон здесь начинает оказывать вредное воздействие на лёгкие и слизистые оболочки человека и на растительность.

ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ

Парниковый эффект относится к числу проявлений глобального экологического кризиса. Эта тенденция наметилась в связи с увеличением в атмосфере концентраций углекислого газа, метана и некоторых других парниковых газов.

В последние десятилетия и, особенно в последние годы, парниковый эффект стал крупной научной проблемой, от решения которой существенно зависит возможность перехода цивилизации на путь устойчивого развития.

Важнейшей причиной изменения климатической системы является накопление в атмосфере антропогенных парниковых газов и вызываемое ими нарушение рационального баланса атмосферы.

Под парниковыми газами понимаются газы, создающие в атмосфере экран, задерживающих инфракрасные лучи. В результате этого происходит нагревание нижнего слоя атмосферы. Атмосфера играет роль как бы «одеяла», удерживающего тепло. Наиболее значимыми природными парниковыми газами являются пары воды, содержащиеся в атмосфере в большом количестве, а также диоксид углерода, который попадает в атмосферу как естественным, так и искусственным путём и является основным компонентом, вызывающим парниковый эффект антропогенного происхождения. Известно, что при отсутствии диоксида углерода в атмосфере температура поверхности Земли была бы, примерно, на 7º ниже, чем в настоящее время, что создало бы крайне неблагоприятные условия для жизни животных и растений.

Сжигание топлива, лесные и степные пожары – это основные причины увеличения содержания диоксида углерода в атмосфере. В то же время поглощение СО2 из атмосферы основными его потребителями (лесными растениями и фитопланктоном Мирового океана) сократилось за счёт уменьшения площадей лесов, гибели фитопланктона. В результате поступление углерода в атмосферу стало превышать его потребление растениями. Ежегодный прирост СО2 в атмосфере составляет 3,5млрд.т.

Возрастание диоксида углерода в атмосфере усиливает парниковый эффект, так как СО2 успешно пропускает длинноволновые лучи солнечного света к поверхности Земли и задерживает коротковолновое излучение. Поэтому чем выше концентрация СО2 в атмосфере, тем меньше тепла рассеивает Земля, тем выше средняя температура у земной поверхности. Потеплению климата Земли способствует также поступление тепла в атмосферу за счёт сжигания нефтепродуктов, угля, торфа, работы разнообразных двигателей. Повышение средних температур на земном шаре может существенно изменить ход природных процессов биосферы.

Кроме диоксида углерода в создании парникового эффекта участвуют фреоны, метан и оксид азота. Роль каждого из указанных газов антропогенного происхождения может быть проиллюстрирована данными, приведёнными в таблице 1.