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, см33

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 не-сколькими 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 Тинькофф на 2 месяца бесплатного обслуживания
Промокод Тинькофф на 2 месяца бесплатного обслуживания


3 шт. Купоны / промокоды Google AdWords 60$ Беларусь
3 шт. Купоны / промокоды Google AdWords 60$ Беларусь


Промокод, купон на услуги 1C-UMI, 51%
Промокод, купон на услуги 1C-UMI, 51%