АТМОСФЕРА

Загрязнители атмосферы

 

Загрязнители воздуха разделяют на механические, химические, физические и биологические.

Механические загрязнителипыль, мусор. Они образуются при сжигании органического топлива и в процессе производства строительных материалов.

При таком виде загрязнения наиболее вредными являются частицы диаметром до 0,005 мм. С запыленностью воздуха связаны многие болезни: туберкулез, аллергические заболевания бронхов и др.; высокая концентрация пыли в воздухе вызывает атрофию слизистых оболочек носа, кровотечение.

Ученые установили прямую связь между загрязнением воздуха и частотой заболеваний раком дыхательных путей в городах с населением свыше 1 млн. человек. Заболевания глаз, в том числе хронические коньюнктивиты, нередко связаны с физическим загрязнением воздуха. Наличие пыли в атмосфере уменьшает поступление к поверхности Земли ультрафиолетовых лучей.

Зеленые насаждения очищают воздух от пыли и ослабляют действие других вредных примесей. Например, еловое насаждение собирает из воздуха 32 т пыли на 1 га, сосновое – 36,4 т, буковое – 68 т на 1 га. Лес, будучи способным отфильтровывать ежегодно до 50–70 т пыли на площади в 1 га, ослабляет опасность заболевания как перечисленными, так и многими другими заболеваниями.

Химические загрязнителиэто проникшие в экосистему чуждые ей вещества или присутствующие в ней, но в концентрациях, превышающих норму.

Наибольшее загрязнение воздуха происходит при сжигании топлива для нужд промышленности, отоплении жилищ, при работе транспорта; сжигании и переработке бытовых и промышленных отходов, образующихся в результате промышленных выбросов. Вследствие неполного сгорания образуются зола и вредные газы.

Один из основных по массе загрязнителей атмосферы – углекислый газ СО2. Вместе с кислородом это один из биогенов атмосферы, который в основном контролируется биотой. До антропогенного воздействия процессы, происходящие в углеродном цикле были сбалансированными, и содержание углерода в основных его резервуарах (атмосфере, океане и наземной биоте) было стабильным. Но в последние десятилетия наблюдается рост концентрации углекислого газа в атмосфере, доля которого с начала 20 века увеличилась почти на 25 %. Углекислый газ СО2 не вреден в малых концентрациях, но если не удастся уменьшить выброс в атмосферу углекислого газа, то нашу планету ожидает катастрофа, связанная с повышением температуры вследствие так называемого парникового эффекта. На повестке дня продолжает оставаться мировая проблема: энергия и углекислый газ.

Окись углерода (СО) – очень токсична, но быстро диффундирует в атмосфере; несгоревшие углеводороды или окисленные вещества (альдегиды и кислоты). Оксид углерода СО, легко вступая в соединения с гемоглобином крови, снижает обеспечение организма кислородом. Вследствие взаимодействия угарного газа с дыхательными ферментами и нарушениями под его воздействием углеводного и фосфорного обмена отравление может привести к летальному исходу. При постоянном воздействии малых концентраций СО в атмосфере люди жалуются на головную боль, головокружение, быструю утомляемость, боли в области сердца. Следует учитывать, что при длительном воздействии на организм оксид углерода даже в минимальных концентрациях оказывает прямое негативное воздействие на клетки нервной системы и вызывает эндокринные нарушения [8]. Быстрое токсичное действие окиси углерода на организм человека дало толчок многочисленным исследованиям его свойств. В настоящее время в городах отсутствует опасность быстрого поражения этим веществом; для этого в воздухе должна создаться его повышенная концентрация.

 

Таблица. Уровни загрязнения городской атмосферы

окисью углерода

Среднее содержание окиси  углерода в воздухе, см3/м3

Уровень загрязнения воздуха

0–5

Ничтожный

5–10

Слабый

10–20

Умеренный

20–30

Заметный

30–40

Значительный

40–50

Достаточно высокий

50–60

Высокий

> 60

Очень высокий

 

Однако некоторые лица, страдающие анемиями и сердечно-сосудистыми заболеваниями, обладают повышенной чувствительностью к воздействию этого вредного вещества. Первыми симптомами отравления являются головные боли, тошнота и чувство слабости.

Узаконенные величины предельно допустимых концентраций окиси углерода в воздухе городов не одинаковы в разных странах; так, в США они составляют 100 см33, в Англии – 50 см33, в России – 1750 см33.

Соединения серы: сернистый ангидрид (SО2), который может переходить в серный ангидрид (SО3) и в присутствии воды или ее паров образует серную кислоту (Н2SО4).

Диоксид серы SО2. Антропогенная деятельность и вулканические извержения приводят к накоплению в атмосфере SО2 – бесцветного газа с острым запахом, уже в малых концентрациях (20–30 мг/м3) вызывающего неприятный привкус во рту и раздражение слизистых оболочек глаз и дыхательных путей. Фотодиссоциация диоксида серы невозможна, так как длина волн, которые достигают нижних слоев атмосферы, где происходит накопление SО2, слишком велика, а жесткое коротковолновое излучение уже отфильтровано. Однако фотодиссоциация NO2 и кислорода дает на данной высоте достаточное количество атомарного кислорода и озона и тогда, в присутствии следов металлов, проявляющих каталитическое действие (например, марганец) возможен процесс:

SО2 + О + М → SО3 + М

Эффективность этой реакции возрастает по мере увеличения отношения концентрации SО2 к концентрации NO2. Соединяясь с водой, оксид серы (VI) образует серную кислоту, которая с металлами или аммонием (NН4+) дает сульфаты. Установлено, что сернистый газ, поступающий в атмосферу с извержением вулканов, дает серную кислоту, циркулирующую вокруг Земли в стратосфере сроком до года и несколько более. Сернистый газ в сочетании с парами воды (туман) является главным компонентом, так называемого сернистого смога (смог лондонского типа). Газообразный SО3 растворяется в капельках влаги с образованием серной кислоты:

SО3(г) + Н2О (ж) → Н2SО4 (водн.)

Образование в атмосферной влаге серной кислоты приводит к выпадению так называемых кислотных дождей. Особенно распространено это явление в странах Скандинавии, Северной Европе, на севере США и юге Канады.

Если вести речь о диоксиде серы в тропосфере, то он подвержен фотохимическим превращениям, поскольку при поглощении света в области 340–400 нм образует возбуждение молекулы SО2*(3В1) с временем жизни 8 мс.

Дальнейшее окисление SО2* кислородом воздуха приводит к образованию SО3:

SО2 + hy(< 400нм) → SО2*;

SО2* + О2SО3 + О.

К образованию SО3 приводит также окисление SО2 под действием НО2-радикалов:

НО2 + SО2SО3 + ОН,

а также реакции фотоокисления с участием синглетного кислорода:

SО2 + О2( 1∆)→ SО4;

SО4 + О2SО3 + О3.

«Смог» – это сочетание газообразных и твердых примесей с туманом или аэрозольной дымкой. Встречается «смог» Лондонского или Лос-Анджелеского типа. В первом случае причиной возникновения «смога» служит сжигание угля и мазута. При высокой влажности атмосферы образуется густой туман с примесью частиц сажи и SО2. Свое название этот «смог» получил после трагедии зимой 1952 г., когда в Лондоне в результате его образования умерло 3200 человек, до 10 тыс. человек тяжело заболели.

Фотохимический «смог» был впервые отмечен в 1944 г. в Лос-Анджелесе, когда в результате большого скопления автомобилей была парализована жизнь одного из крупнейших городов США. Фотохимический «смог» возникает под действием солнечного света в отсутствие ветра при низкой влажности воздуха, обычно в период температурных инверсий. То есть, когда загрязненный воздух зажат верхним теплым слоем, что предотвращает вертикальный перенос загрязнений. Наблюдается сильное раздражение слизистых оболочек дыхательных путей и глаз. Сохранение «смоговой» ситуации в течение длительного времени приводит к повышению заболеваемости и смертности среди населения. Особенно сильно «смог» влияет на детей и пожилых людей. Он оказывает вредное воздействие и на растительность, вызывая увядание и гибель листьев. Кроме того, фотохимический «смог» усиливает коррозию металлов, разрушение строительных сооружений.

Сернистый ангидрид (SО2) относится к раздражающим газам. При концентрации от 0,3 до 1 см33 его замечают более по специфическому привкусу, чем по запаху; при концентрации 3 см33 и выше он легко определяется по запаху. Концентрации от 6 до 12 см33 вызывают раздражение слизистых оболочек носа и горла, а более 20 см33 – также и глаз. Однопроцентного содержания сернистого ангидрида достаточно для раздражения увлажненных участков кожи. Вдыхание SО2 вызывает болезненные явления в легких и верхних дыхательных путях, иногда возникает отек легких, глотки, а также паралич дыхания.

Окислы азота (NО и NО2) – благоприятные условия для их образования создаются при высоких температурах.

Оксиды азота играют ключевую роль в образовании фотохимического «смога», влияют на разрушение озонового слоя. В силу этого обстоятельства загрязнение атмосферы оксидами азота оказывает как локальные, так и глобальные эффекты на состояние окружающей среды. Загрязнение атмосферы оксидами азота в целом сравнительно невелико. Однако в районах с развитой химической промышленностью имеются локальные зоны повышенного содержания NO, NO2 в воздухе.

Одним из важнейших свойств NO является его способность реагировать с O2 с образованием NO2:

2NO + O2 → 2NO2.

Обычно действие окиси азота (NO) оценивается по его двуокиси (NO2), так как находящаяся в воздухе окись очень быстро окисляется и переходит в двуокись.

Человек, находившийся в атмосфере со смертельной концентрацией двуокиси азота, в течение первых часов после ее воздействия не ощущает никаких недомоганий. В конце 7–8 часа появляются удушье, тошнота, боли в животе, кашель, учащается пульс, после чего наступает расстройство сердечной деятельности. В большинстве случаев смерть фиксируется через 8–48 часов.

Концентрации более 50 см33, раздражающие слизистые оболочки глаз и носа, должны также рассматриваться как опасные при воздействии небольшой продолжительности. Длительное воздействие двуокиси азота с концентрациями от 25 до 100 см33 вызывает раздражение легких.

Действие азотной кислоты (NO3). Пары азотной кислоты действуют весьма раздражающе на кожу, слизистые оболочки глаз и органов дыхания, а также разрушают зубы. Следует отметить, что случаи, при которых содержание этих паров в атмосфере достигает опасных концентраций, чрезвычайно редки, так как обычно своевременно принимаются необходимые меры по их предупреждению.

Важную роль в атмосферных процессах с участием соединений азота играет аммиак. В водном растворе аммиак имеет щелочную реакцию, вследствие чего может нейтрализовать атмосферные кислотные соединения:

NH3 + H2SO4 → NH4HSO4;

NH3 + NH4HSO4 → (NH4)2SO4.

Эти химические реакции приводят к образованию сульфата и нитрата аммония.

Важнейшим источником атмосферного аммиака является почва. Находящиеся в почве органические вещества подвержены микробиологической деструкции. Аммиак является одним из продуктов разрушения органических веществ. Особенно большое количество аммиака выделяется в процессе распада мочи домашних животных. Существенным источником служат также производство и внесение в почву азотных удобрений. Поступление аммиака в атмосферу в результате сгорания угля или моторного топлива незначительно.

В природной воде аммиак образуется при разложении азотсодержащих органических веществ. Хорошо растворим в воде с образованием гидроксида аммония. ПДКв аммиака составляет 2,0 мг/дм3, ПДКвр – 0,05 мг/дм3 (лимитирующий показатель вредности – токсикологический).

Стратосферный озоновый слой защищает людей и живую природу от жесткого ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения в ультра-фиолетовой части солнечного спектра. Содержание озона в атмосфере незначительно и составляет 0,004 % по объему. Озон образуется в атмосфере под действием электрических разрядов, синтезируется из кислорода под действием космической УФ-радиации. В пределах атмосферы повышенные концентрации озона образуют озоновый слой, имеющий важное значение для обеспечения жизни на Земле. Озоновый экран ослабляет смертоносную УФ-радиацию в слое атмосферы между 40 и 15 км над земной поверхностью примерно в 6500 раз. Исчезновение озоносферы привело бы к непредсказуемым последствиям – вспышке рака кожи, уничтожению планктона в океане, мутациям растительного и животного мира. Установлено, что жесткий ультрафиолет подавляет иммунную систему организма. Уменьшение толщины озонового слоя может привести к значительному изменению солнечного УФ-излучения, достигающего поверхности Земли, к изменению облачного покрова Земли, нарушению теплового баланса атмосферы. Изменения солнечного излучения могут оказывать заметное влияние на различные биологические и геохимические процессы, которые могут оказаться критическими для биосферы.

Озон – трехатомные молекулы кислорода – рассеян над Землей на высоте от 15 до 50 км; озоновая защитная оболочка очень невелика: всего 3 млрд. т газа, наибольшая концентрация – на высоте от 20 до 25км.

Заметнее всего уменьшение озона на высотах 15–25 км, в слое с максимальным содержанием озона. В целом содержание озона в атмосфере за последние два десятилетия значительно уменьшилось.

Было высказано несколько предположений о причинах разрушения озонового слоя: запуск мощных ракет, ежедневные полеты реактивных самолетов в высоких слоях атмосферы, испытания ядерного и термоядерного оружия, ежегодное уничтожение природного озонатора – миллионов гектаров леса – пожарами и хищнической рубкой, массовое применение фреонов в технике, парфюмерной и химической продукции в быту – главные факторы, разрушающие озоновый экран Земли. Разрушение озонового экрана Земли сопровождается рядом опасных явных и скрытых негативных воздействий на человека и живую природу.

Прорыв через «озоновые дыры» солнечных рентгено- и ультрафиолетовых лучей, энергия фотонов которых превышает энергию лучей видимого спектра в 50–100 раз, увеличивает число мощных лесных пожаров.

В 1996 г. Нобелевской премией по химической экологии удостоены ученые-химики Шервуд Роуланд, Марио Малина из Калифорнийского университета в Беркли (США) и Поль Крутцен из Германии за научную гипотезу, выдвинутую ими еще в 1974 г. Их догадка состоит в том, что разрушителями озона являлись синтезированные человеком химические вещества, получившие название хлорфторуглероды (ХФУ).

Инертные, негорючие неядовитые, несложные в производстве, они получили широкое распространение – в баллончиках с аэрозолями различного назначения, а также как охлаждающие жидкости в холодильниках и кондиционерах, как растворители (тетрахлорметан, метилхлороформ, бромистый метил), в производстве пестицидов. Бромистый метил используется в качестве дезинфицирующего вещества для почв и товаров (включая карантинную обработку некоторых продуктов, предназначенных для международной торговли), применяется в качестве добавки к автомобильному топливу. Из бромистого метила высвобождается бром, который в 30–60 раз разрушительнее для озона, чем хлор. Другие химические соединения, разрушающие озоновый слой, используются в баллонах для тушения пожара, при изготовлении полистироловых стаканчиков и современных упаковок для фасовки продуктов и полуфабрикатов.

Механизм действия фреонов таков: попадая в верхние слои атмосферы, эти вещества, инертные у земной поверхности, преображаются. Под воздействием ультрафиолетового излучения химические связи в молекулах ХФУ нарушаются. В результате выделяется хлор, который при столкновении с молекулой озона вышибает из нее один атом. Озон перестает быть озоном, превращается в обычный кислород. Хлор же, соединившись временно с кислородом, вскоре опять оказывается свободным и «пускается в погоню» за следующей «жертвой». Его активности хватает, чтобы разрушить десятки тысяч молекул озона.

В настоящее время вклад каталитических процессов в разложение О3 пока невелик. В то же время феномен антарктической «озоновой дыры» пока непонятен: то ли «дыра» возникла в результате антропогенного загрязнения атмосферы, то ли это естественный геоастрофизический процесс. Во всяком случае натурные измерения показали почти 100%-ное превышение хлорсодержащих частиц в зоне антарктической «дыры» по сравнению со средним значением. В итоге в стратосфере над Антарктидой в весенние месяцы начали появляться области с практически нулевой концентрацией О3.

Согласно оценкам, проведенным экспертами Всемирной метеорологической организации, при нынешнем уровне поступления в атмосферу фтор-хлоруглеродов концентрация озона в стратосфере через 10–20 лет уменьшится примерно на 17 %, после чего стабилизируется. При этом климат у поверхности Земли почти не изменится, но уровень УФ-излучения возрастет на треть. По расчетам увеличение дозы УФ-излучения на 1 % ведет к увеличению раковых заболеваний на 2 %. В то же время у жителей некоторых горных районов, где интенсивность УФ-излу-чения выше по сравнению с уровнем моря в несколько раз, рак кожи встречается реже, чем у жителей низменностей.

В 1996 г. Центральная аэрологическая обсерватория (ЦАО) в городе Долгопрудном под Москвой приступила к составлению и регулярной публикации карт концентрации озона над европейской частью России.

Аэрозоли. Из естественных и антропогенных источников в атмосферу ежегодно поступают сотни миллионов тонн аэрозолей. К естественным источникам относят пыльные бури, вулканические извержения и лесные пожары. Газообразные выбросы (например, SO2), приводят к образованию в атмосфере аэрозолей. Хотя время пребывания в тропосфере аэрозолей исчисляется несколькими сутками, их влияние может снизить среднюю температуру воздуха у земной поверхности на 0,1–0,3 °С. Не меньшую опасность для атмосферы и биосферы представляют аэрозоли антропогенного происхождения, образующиеся при сжигании топлива либо содержащиеся в промышленных выбросах. Минеральный состав аэрозолей антропогенного происхождения многообразен: оксиды железа и свинца, силикаты, сажа. Они содержатся в выбросах предприятий теплоэнергетики, черной и цветной металлургии, стройматериалов, а также автомобильного транспорта. Пыль, осаждающаяся в индустриальных районах, содержит до 20 % окиси железа, 15 % силикатов и 5 % сажи, а также примеси различных металлов (свинец, ванадий, молибден, мышьяк, сурьма и т.д.). В выбрасываемых в атмосферу аэрозолях присутствуют также хлор, бром, ртуть, фтор и другие элементы и соединения, опасные для здоровья человека.

Концентрация аэрозолей меняется в весьма широких пределах: от 104 мг/м3 в чистой атмосфере до 2∙106 мг/м3 в индустриальных районах. Концентрация аэрозолей в индустриальных районах и крупных городах с интенсивным автомобильным движением в сотни раз выше, чем в сельской местности. Среди аэрозолей антропогенного происхождения особую опасность для биосферы представляет свинец. Его концентрация изменяется от 0,000001 мг/м3 в незаселенных районах до 0,0001 мг/м3 для селитебных территорий. Еще более высокие концентрации свинца типичны для городов, где они меняются от 0,001 до 0,03 мг/м3.

Аэрозоли являются источником загрязнения не только атмосферы, но и стратосферы, оказывая влияние на ее спектральные характеристики и вызывая опасность повреждения озонового слоя. Непосредственно в стратосферу аэрозоли поступают с выбросами сверхзвуковых самолетов, однако имеются аэрозоли и газы, диффундирующие в стратосфере.

Основной аэрозоль атмосферы – сернистый ангидрид (SO2), несмотря на большие масштабы его выбросов в атмосферу, является короткоживущим газом (4–5 сут.). По современным оценкам, на больших высотах выхлопные газы авиационных двигателей могут увеличить естественный фон SO2 на 20 %. Хотя эта цифра невелика интенсивность полетов все же может сказаться на альбедо земной поверхности в сторону его увеличения. Выбросы SO2 в приземном слое могут увеличить оптическую толщину атмосферы в видимых частях спектра, что приведет к некоторому уменьшению поступления солнечной радиации в приземный слой воздуха. Таким образом, климатический эффект выбросов SO2 противоположен эффекту выбросов СО2, однако быстрое вымывание сернистого ангидрида атмосферными осадками значительно ослабляет в целом его воздействие на атмосферу и климат. Ежегодное поступление сернистого газа в атмосферу только вследствие промышленных выбросов оценивается почти в 150 млн. т. В отличие от углекислого газа сернистый ангидрид является весьма нестойким соединением. Под воздействием коротковолновой солнечной радиации он быстро превращается в сернистый ангидрид и в контакте с водяным паром переводится в сернистую кислоту, образует так называемые «кислотные дожди».

Атмосферные органические аэрозоли могут образовываться по гомогенному или гетерогенному механизму. Первый из них включает газообразное окисление органических соединений с образованием твердых или жидких частиц, второй подразумевает сорбцию, каталитическое окисление, полимеризацию на поверхности уже существующих твердых и жидких аэрозолей. Из многочисленных органических соединений, попадающих в атмосферу, наибольшую склонность к образованию аэрозолей проявляют терпеновые углеводороды. Так, наблюдаемая над хвойными лесами в летнее время голубоватая дымка представляет собой аэрозоль, возникающий в результате фотохимического окисления терпенов.

 


Промокод Lamoda на 3000 руб. при заказе от 10000 руб.
Промокод Lamoda на 3000 руб. при заказе от 10000 руб.


Промокод (купон) Google Ads (AdWords) на 200 zl. ПОЛЬША
Промокод (купон) Google Ads (AdWords) на 200 zl. ПОЛЬША


iTunes Gift Card (РОССИЯ) - 300 руб
iTunes Gift Card (РОССИЯ) - 300 руб