Загрязнение и защита атмосферы

Строение и состав атмосферы

Атмосфера - газообразная оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов и простирающаяся (условно) на высоту 100 км. Она имеет слоистое строение, которое включает ряд сфер и расположен­ные между ними паузы. Атмосфера играет большую роль во всех природ­ных процессах и, в первую очередь, регулирует тепловой режим и общие климатические условия, а также защищает человечество от вредного космического излучения.

Основными газовыми компонентами атмосферы являются азот (78 %), кислород (21 %), аргон (0,9 %) и углекислый газ (0,03 %). Газовый состав атмосферы меняется с высотой. В при­земном слое из-за антропогенных воздействий количество угле­кислого газа возрастает, а кислорода снижается. В отдельных ре­гионах в результате хозяйственной деятельности в атмосфере уве­личивается количество метана, оксидов азота и других газов, вызывающих такие неблагоприятные явления, как парниковый эффект, разрушение озонового слоя, кислотные дожди, смог.

Наиболее плотный слой воздуха, прилегающий к земной по­верхности, носит название тропосферы. Толщина ее составляет: на средних широтах 10-12 км, над уровнем моря и на полюсах 7-10 км, а на экваторе 16-18 км. Из-за неравномерности нагрева солнечной энергией в атмо­сфере образуются мощные вертикальные потоки воздуха, а в приземном слое отмечается неустойчивость его температуры, относи­тельной влажности, давления и т.п. Но при этом температура в тропосфере по высоте является стабильной и уменьшается на 0,6°С каждые 100 м в диапазоне от плюс 40°С до минус 50 °С. В тропосфере содержится до 80 % всей влаги, имеющейся в атмосфере, в ней об­разуются облака и формируются все виды осадков, которые по своей сути являются очистителями воздуха от примесей.

Выше тропосферы расположена стратосфера, а между ними на­ходится тропопауза. Толщина стратосферы составляет около 40 км, воздух в ней заряжен, влажность его невысока, при этом темпера­тура воздуха от границы тропосферы до высоты 30 км над уров­нем моря постоянна (около -50°С), а затем она постепенно по­вышается до +10°С на высоте 50 км. Под воздействием космиче­ского излучения и коротковолновой части ультрафиолетового излучения Солнца молекулы газов в стратосфере ионизируются, в результате образуется озон. Озоновый слой, располагаемый до 40 км, играет очень большую роль, оберегая все живое на Земле от ультрафиолетовых лучей.

Стратопауза отделяет стратосферу от лежащей выше мезосферы, в которой количество озона уменьшается, а температура на высоте примерно 80 км над уровнем моря составляет –70°С. Рез­кий перепад температур между стратосферой и мезосферой объ­ясняется наличием озонового слоя.

Загрязнение атмосферы

Качество атмосферы – совокупность ее свойств, определяющих степень воздействия физических, хими­ческих и биологических факторов на людей, растительный и жи­вотный мир, а также на материалы, конструкции и окружающую среду в целом. Качество атмосферы зависит от ее загрязненности.

Загрязнения атмосферы подразделяются:

а) вещественные (ингредиентные) – механические, химические и биологические загрязнения, которые обычно объе­диняют общим понятием – примеси;

б) энергетические (параметрические) – тепловые, аку­стические, электромагнитные и ионизирующие излучения, а также излучения оптического диапазона;

в) вещественно-энергетические – радионуклиды.

Под загрязнением атмосферы понимают привнесение в неё примесей, которые не содержатся в природном воздухе или изменя­ют соотношение между ингредиентами природного состава воздуха.

Наибольшее загрязнение атмосферы наблюдается в городах, где обычные загрязнители - это пыль, сернистый газ, окись углеро­да, двуокись азота, сероводород и др. В некоторых городах в связи с особенностями промышленного производства в воздухе содер­жатся специфические вредные вещества, такие, как серная и соляная кислота, стирол, бенз(а)пирен, сажа, марганец, хром, свинец, метилметакрилат. Всего в городах насчитывается не­сколько сотен различных загрязнителей воздуха, в т.ч. и вновь соз­даваемые вещества и соединения. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) отмечает, что из 105 известных элементов таб­лицы Менделеева 90 используются в производственной практике, а на их базе получено свыше 500 новых химических соединений, почти 10 % из которых вредные или особо вредные.

Различают естественные примеси, т.е. обуслов­ленные природными процессами, и антропогенные, т.е. возни­кающие в результате хозяйственной деятельности человечества. Уровень загрязнения атмосферы примесями от естест­венных источников является фоновым и имеет малые отклонения от среднего уровня во времени.

Антропогенные загрязнения отличаются многообразием и многочисленностью источников их выброса. Наиболее устойчивые зоны с повышенными концентрациями загрязнений возникают в местах активной жизнедеятельности че­ловека. Каждые 10-12 лет объем мирового про­мышленного производства удваивается, что сопровождается примерно таким же ростом объема выбрасываемых загрязнений в окружающую среду. По ряду загрязнений темпы роста их выбро­сов значительно выше средних. К таковым относятся аэрозоли тяжелых и редких металлов, синтетические соединения, не суще­ствующие и не образующиеся в природе, радиоактивные, бакте­риологические и другие загрязнения.

Примеси поступают в атмосферу в виде газов, паров, жидких и твердых частиц. Газы и пары образуют с воздухом смеси, а жид­кие и твердые частицы – аэрозоли (дисперсные системы), которые подразделяют на пыль (размеры частиц более 1 мкм), дым (разме­ры твердых частиц менее 1 мкм) и туман (размер жидких частиц менее 10 мкм). Пыль, в свою очередь, может быть крупнодисперс­ной (размер частиц более 50 мкм), среднедисперсной (50-10 мкм) и мелкодисперсной (менее 10 мкм). В зависимости от размера жидкие частицы подразделяются на супертонкий туман (до 0,5 мкм), тонкодисперсный туман (0,5-3,0 мкм), грубодисперсный ту­ман (3-10 мкм) и брызги (свыше 10 мкм). Следует отметить, что аэрозоли чаще полидисперсные, т.е. содержат частицы различ­ного размера.

Основными химическими примесями, загрязняющими атмо­сферу, являются следующие.

Окись углерода (СО) – бесцветный газ, не имеющий запаха, из­вестен также под названием «угарный газ». Образуется в результа­те неполного сгорания ископаемого топлива (угля, газа, нефти) в условиях недостатка кислорода и при низкой температуре. При этом 65 % от всех выбросов приходится на транспорт, 21 % – на мелких потребителей и бытовой сектор, а 14 % – на промышлен­ность. При вдыхании угарный газ образует прочные комплексные со­единения с гемоглобином крови человека и тем самым блокирует поступление кислорода в кровь. Это вызывает головные боли, тошноту, а при более высокой концентрации смерть. Максимальная разовая ПДК СО – 5 мг/м³, а среднесуточная – 3 мг/м³. При 14 мг/м³ возрастает вероятность смерти от инфаркта миокарда. Столь экстремальные концентрации часто наблюдают­ся в районах повышенной антропогенной нагрузки на окружаю­щую среду: в часы пик на транспорте или при инверсиях (т.е. в условиях слабого воздушного обмена), благоприятствующих воз­никновению смога. Уменьшение выбросов угарного газа достига­ется путем дожигания отходящих газов и использования альтер­нативных источников топлива.

Двуокись углерода (СО₂), или углекислый газ, – бесцветный газ с кисловатым запахом и вкусом, продукт полного окисления уг­лерода. Является одним из парниковых газов.

Двуокись серы (SO₂) (диоксид серы, сернистый ангидрид) – бесцветный газ с резким запахом. Образуется в процессе сгорания серосодержащих ископаемых видов топлива, в основном угля, а также при переработке сернистых руд. Он в первую очередь уча­ствует в формировании кислотных дождей. Общемировой выброс S₂ оценивается в 190 млн.т. в год. Концентрация диоксида серы особенно велика в районах, где расположены крупные тепловые станции, металлургические и горнообогатительные комбинаты. Максимальная разовая ПДК для диоксида серы составляет 0,5 мг/м³, а среднесуточная – 0,05 мг/м³. Длительное воздействие диоксида серы на человека приводит вначале к потере вкусовых ощущений, стесненному дыханию, а затем - к воспалению или отеку легких, перебоям в сердечной деятельности, нарушению кровообращения и остановке дыхания. Растения гораздо чувствительнее к воздействию диоксида серы, чем человек. Так, листовые пластинки растений, произрастаю­щих на расстоянии менее 1 км от предприятий, выбрасывающих диоксид серы, обычно густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшимися в местах оседания капель серной ки­слоты.

Окислы азота (оксид и диоксид азота) – газообразные веще­ства: монооксид азота NO и диоксид азота NO₂ объединяются одной общей формулой NO_X. При всех процессах горения обра­зуются окислы азота, причем большей частью в виде оксида. Ок­сид азота достаточно быстро окисляется до диоксида, который представляет собой красно-белый газ с неприятным запахом, сильно действующий на слизистые оболочки человека. Чем вы­ше температура сгорания, тем интенсивнее идет образование окислов азота. Другим источником окислов азота являются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые красители, нитросоединения, вискозный шелк, цел­лулоид. Количество окислов азота, поступающих в атмосферу, со­ставляет 65 млн.т. в год. От общего количества выбрасываемых в атмосферу окислов азота на транспорт приходится 55 %, на энер­гетику – 28 %, на промышленные предприятия – 14 %, на мелких потребителей и бытовой сектор – 3 %. Максимальная разовая ПДК диоксида азота составляет 0,085 мг/м³, а среднесуточная - 0,04 мг/м³. При концентрациях свыше 0,15 мг/м³ возникают острые заболевания органов дыхания. При остром отравлении диоксидом азота может развиться отек легких. Признаками хронического отравления являются го­ловные боли, бессонница, раздражение слизистых оболочек.

Озон (О₃) – газ с характерным запахом, более сильный окис­литель, чем кислород. Его относят к наиболее токсичным из всех обычных загрязняющих воздух примесей. В нижнем атмосфер­ном слое озон образуется в результате фотохимических процессов с участием диоксида азота и летучих органических соединений (ЛОС). Поскольку к ЛОС относят порядка 260 химических со­единений, при образовании озона получаются смеси, состоящие из сотен химических веществ и называемые фотохимическим «смогом». Наиболее высокие концентрации озона наблюдаются в промышленных районах. Однако, поскольку эмиссии диоксида азота и ЛОС участились даже в сельской местности, то и здесь за­фиксированы повышенные концентрации озона. Озон относят к 1-му классу опасности, при этом максимально разовая ПДК со­ставляет 0,16 мг/м³,а среднесуточная – 0,03 мг/м³.

Углеводороды - химические соединения углерода и водорода. К ним относят тысячи различных загрязняющих атмосферу ве­ществ, содержащихся в несгоревшем бензине, жидкостях, приме­няемых в химчистке, промышленных растворителях и т.д. Мно­гие углеводороды опасны сами по себе. Например, бензол, один из компонентов бензина, может вызвать лейкемию, а гексан – тя­жёлые поражения нервной системы человека. Бутадиен является сильным канцерогеном.

Свинец (Рb) – серебристо-серый металл, токсичный в любой известной форме. Широко используется для производства при­поя, красок, боеприпасов, типографского сплава и т.п. Около 60 % мировой добычи свинца, которая составляет порядка 4-107 т, ежегодно расходуется для производства кислотных аккумулято­ров. Однако основным источником (около 80 %) загрязнения ат­мосферы соединениями свинца являются выхлопные газы транс­портных средств, в которых используется этилированный бензин, в который в качестве антидетонационной присадки вводят тетраэтилсвинец. Для свинца и его соединений (кроме тетраэтилсвинца) среднесуточная ПДК составляет 0,0003 мг/м³, а для тетраэтилсвинца установлен ориентировочный безопасный уровень воз­действия (ОБУВ), равный 3-6 мг/м³. Свинец и его соединения, попадая в организм человека, сни­жают активность ферментов и нарушают обмен веществ, кроме того, они обладают кумулятивным действием, т.е. способностью накапливаться в организме человека. Особенно серьезную угрозу соединения свинца представляют для детей до шести лет. В орга­низме ребенка остается до 40 % попавших в него соединений свинца, а это нарушает умственное развитие, замедляет рост, ухудшает слух и речь ребенка и лишает его способности сосредо­точиться.

Фреоны – группа галогеносодержащих веществ, синтезиро­ванных человеком. Их преимуществом перед другими вещества­ми является то, что они не горючи, не токсичны и нейтральны. Фреоны, представляющие собой хлорированные и фторирован­ные углероды (ХФУ), как недорогие и нетоксичные газы широко применяют в качестве хладагентов в холодильниках и кондицио­нерах, пенообразующих агентов, в установках для газового пожа­ротушения, рабочего тела аэрозольных упаковок (лаков, дезодо­рантов и т.д.).

Промышленные пыли в зависимости от механизма их образова­ния подразделяют на 4 класса:

- механическая пыль – образуется в результате измельчения про­дукта в ходе технологического процесса;

- возгоны – образуются в результате объемной конденсации па­ров веществ при охлаждении газа, пропускаемого через техноло­гический аппарат, установку или агрегат;

- летучая зола – содержащийся в дымовом газе во взвешенном состоянии несгораемый остаток топлива, образуется из его мине­ральных примесей при горении;

- промышленная сажа – входящий в состав промышленного вы­броса твердый высокодисперсный углерод, образуется при не­полном сгорании или термическом разложении углеводородов.

Основной параметр, характеризующий взвешенные частицы – это их размер, который колеблется в широких пределах – от 0,1 мкм до 850 мкм. Из этой гаммы наиболее опасны частицы от 0,5 мкм до 5 мкм, поскольку они не оседают в дыхательных путях и именно их выдыхает человек.

Основными источниками антропогенных аэрозольных загряз­нений воздуха являются теплоэлектростанции (ТЭС), потребляю­щие уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, метал­лургические, цементные, магнезитовые и другие заводы. Аэро­зольные частицы от этих источников отличаются большим химическим разнообразием. Чаще всего в их составе обнаружива­ются соединения кремния, кальция и углерода, реже – оксиды ме­таллов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, ко­бальта, молибдена, а также асбест. Еще 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.

К постоянным источникам аэрозольного загрязнения отно­сятся промышленные отвалы – искусственные насыпи из переот­ложенного материала, преимущественно вскрышных пород, об­разующихся при добыче полезных ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности, ТЭС. Произ­водство цемента и других строительных материалов также являет­ся источником загрязнения атмосферы пылью. Сжигание каменного угля, производство цемента и выплав­ка чугуна дают суммарный выброс пыли в атмосферу, равный 170 млн.т/г.

Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с во­дяным паром.

К опасным факторам антропогенного характера, способст­вующим серьезному ухудшению качества атмосферы, следует от­нести ее загрязнение радиоактивной пылью. Так, при ядерных взрывах или авариях на АЭС большая часть радионуклидов обра­зуется в результате деления урана-235, урана-238 и плутония-239. Установлено, что через несколько десятков секунд после взрыва образуются около 100 различных радионуклидов, 29 из кото­рых вносит наибольший вклад в радиоактивное загрязнение ат­мосферы через час, 20 – через двое суток, а 3 – через 100 лет. Особую потенциальную опасность для человека и животных представляет стронций-90 не только как долгоживущий элемент, но и как аналог кальция, способный заменять его в костях.

Во время ядерных взрывов радионуклиды находятся в газооб­разном состоянии и по мере понижения температуры конденси­руются в аэрозольное облако. Наиболее крупные частицы (диа­метром более 40 мкм) выпадают из атмосферы и оседают на зем­ной поверхности. Мелкие же частицы (диаметром от 1 до 20 мкм) попадают не только в верхние слои тропосферы, но и в страто­сферу, обусловливая так называемое глобальное загрязнение, со­провождающееся выпадением радионуклидов в пределах обоих полушарий.

Следует отметить, что время пребывания мелких частиц в ниж­нем слое тропосферы составляет в среднем несколько суток, а в верхнем – 20-40 суток. Что касается частиц, попавших в страто­сферу, то они могут находиться в ней до года, а иногда и больше.

Загрязнение атмосферы соединениями серной и азотной ки­слот с последующим выпадением дождевых осадков называется кислотными дождями. Кислотные дожди образуются в результате выброса в атмосферу оксидов серы и азота предприятиями топливно-энергетического комплекса, автотранспортом, а также химиче­скими и металлургическими заводами. При анализе состава ки­слотного дождя основное внимание обращается на содержание катионов водорода, определяющих его кислотность (рН). Для чистой воды водородный показатель рН = 7, что соответствует нейтральной реакции. Растворы с рН ниже 7 считаются кислыми, выше - щелочными. Весь диапазон кислотности-щелочности ох­ватывается значениями рН от 0 до 14. Примерно две трети кислотных дождей вызываются диокси­дом серы. Оставшаяся треть обусловлена в основном окисиды азота, которые также служат одной из причин парникового эф­фекта и входят в состав городского смога.

По данным Европейского парламента экономический ущерб от кислотных осадков составляет 4 % валового национального продукта. Это должно учитываться при выборе стратегии борьбы с кислотными дождями в долгосрочной перспективе. Конкретные меры по уменьшению выбросов серы в атмосфе­ру реализуются в двух направлениях:

- использование на ТЭЦ углей с низким содержанием серы;

- очистка выбросов.

Малосернистыми считаются угли с содержанием серы менее 1 %, а высокосернистыми - с содержанием серы более 3 %. Чтобы уменьшить вероятность образования кислотных дождей, высоко­сернистые угли подвергают предварительной обработке. В состав угля обычно входят пиритная и органическая сера. Современные многостадийные методы очистки угля позволяют извлечь из него до 90 % всей пиритной серы, т.е. до 65 % её общего количества. Для удаления органической серы в настоящее время разрабаты­ваются методы химической и микробиологической очистки.

Аналогичные методы необходимо применять и к высокосер­нистой нефти. Мировые запасы нефти с низким содержанием се­ры (до 1 %) невелики и составляют не более 15 %. При сжигании мазута с высоким содержанием серы исполь­зуют специальные химические присадки, которые позволяют снизить содержание диоксида серы в выбросах.

Биологические примеси подразделяют на патогенные микро­организмы (бактерии, вирусы, грибы и т.д.) и микроорганизмы (растения и животные). К первым относят живые существа, раз­мером меньше 500 мкм.

Загрязнение атмосферы биологическими примесями связано как с массовым появлением самих микроорганизмов, так и с влия­нием их на человека, в первую очередь на его иммунную систему. Иммунная система человека эволюционировала на протяже­нии миллионов лет, адекватно реагируя на новые бактерии и штаммы вирусов. Но достигнутое экологическое равновесие человека с окружающей средой всё больше нарушается. Выделяют две причины. Первая связана с нарушением обмена веществ в организме человека под воздействием химических ве­ществ, а вторая - с ослаблением организма под воздействием стрессовых ситуаций.

Даже микродозы чужеродных химических веществ, проникнув в организм человека с загрязненным воздухом, недоброкачест­венной пищей или водой, разносятся кровью по органам и тка­ням. Частично они задерживаются там и начинают участвовать в обмене веществ, искажая его нормальное течение и становясь пусковыми механизмами ускоренной мутации клеток, среди ко­торых зачастую появляются онкогенно опасные.

Исследованиями установлено, что с 70-х годов XX в. в России на 50 % возросла частота таких экологически зависимых (эндо-экологических) заболеваний, как сердечно-сосудистые и онко­логические. К настоящему времени накоплен большой статисти­ческий материал, устанавливающий тесную корреляционную связь между концентрацией нитратов в пищевых продуктах (ко­торые могут и не превышать установленных ПДК) и определен­ными заболеваниями печени (первичный рак печени). Эндоэкологические заболевания наиболее опасны для будущих поколе­ний, и это подтверждается следующими данными: всего 23 % детей остаются здоровыми к 7-летнему возрасту, а к 17-летию – 14 %, половина юношей призывного возраста непригодна к служ­бе в армии по состоянию здоровья.

Вирус СПИДа вообще парализует защитные свойства орга­низма, и человек, его носитель, становится уязвимым к любым заболеваниям.