АТМОСФЕРА
Загрязнители атмосферыЗагрязнители воздуха разделяют на
механические, химические, физические и биологические. Механические загрязнители – пыль, 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 загрязнители – это 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
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 см3/м3, в Англии – 50 см3/м3, в России – 1750 см3/м3. 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*
+ О2 → SО3
+ О. К образованию SО3 приводит также окисление SО2 под действием НО2-радикалов: НО2 + SО2 → SО3
+ ОН, а
также реакции фотоокисления с участием синглетного
кислорода: SО2 + О2( 1∆)→ SО4; SО4
+ О2 → SО3
+ 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 см3/м3 его замечают более по специфическому
привкусу, чем по запаху; при концентрации 3 см3/м3 и выше
он легко определяется по запаху. Концентрации от 6 до 12 см3/м3
вызывают раздражение слизистых оболочек носа и горла, а более 20 см3/м3
– 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 см3/м3,
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 см3/м3
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. |
| |||||||||||||||||||