Атмосфера загрязнена галогенами кислотами газами тяжелыми металлами

Обновлено: 22.01.2025

Различают природные (естественные) и антропогенные (искусственные) источники загрязнения. К природным источникам относятся: пыльные бури, пожары, различные аэрозоли растительного, животного или микробиологического происхождения и т.п. Антропогенные выбросы в атмосферу ежегодно составляют более 19 млрд. т, из них более 15 млрд. т углекислого газа, 200 млн. т оксида углерода, более 500 млн. т углеводородов, 120 млн. т золы и др.

На территории Российской Федерации, например, в 1991г., выбросы загрязняющих веществ в воздушную среду составили около 53 млн. т, в том числе промышленностью – 32 млн. т (61%), автотранспортом 21 млн. т (39%). В одном из крупных регионов страны, Ростовской области, выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух в 1991 и 1996 гг. составили соответственно 944,6 тыс. т и 858,2 тыс. т в том числе:

летучие орг. соед.

Более половины от общего объема составляют выбросы от автотранспорта. Загрязнения в основном получаются в виде побочных продуктов или отходов при добыче, переработке и использовании ресурсов, а также могут представлять собой одну из форм вредных выбросов энергии, например, избыточного тепла, шума и радиации.

Большинство естественных загрязнений (например, извержение вулкана, сжигание угля) рассеиваются по обширной территории, и их концентрация, зачастую, снижается до безопасной (за счет разложения, растворения и рассеивания). Антропогенные загрязнения воздуха возникают на урбанизированных территориях, где большие количества загрязнителей концентрируются в небольших объемах воздуха.

Наиболее опасными и широко распространенными считаются следующие восемь категорий загрязнителей:

1) взвеси – мельчайшие частицы вещества во взвешенном состоянии;

2) углеводороды и другие летучие органические соединения, находящиеся в воздухе в виде паров;

3) угарный газ (СО) – чрезвычайно ядовит;

4) оксиды азота (NO_x) – газообразные соединения азота и кислорода;

5) оксиды серы (SO₂ диоксид) – ядовитый газ, опасный для растений и животных;

6) тяжелые металлы (медь, олово, ртуть, цинк и т.д.);

7) озон и другие фотохимические окислители;

8) кислоты (преимущественно серная и азотная).

Рассмотрим, что это за загрязнители и как они образуются.

В крупных городах можно встретить два основных вида источников загрязнителей: точечные, например, труба ТЭЦ, дымовая труба, выхлопная труба автомобиля и т.д. и неточечные – поступающие в атмосферу с обширных источников.

Различают твердые, жидкие и газообразные вещества, загрязняющие окружающую среду.

Твердые – образуются при механической обработке материалов или их транспортировке, при сжигании и тепловых процессах производства. К ним относятся пыль и взвеси, образующиеся: первые – при добыче, переработке и транспортировке сыпучих материалов, различных технологических процессах и ветровой эрозии; вторые – при открытом сжигании отходов и из промышленных труб в результате самых различных технологических процессов.

Жидкие загрязняющие вещества – продукт химических реакций, конденсации или распыления жидкости в технологических процессах. Основными жидкими загрязнителями являются нефть и продукты ее переработки, загрязняющие атмосферу углеводородами.

Газообразные загрязнители образуются в результате химических реакций, электрохимических процессов, сжигания топлива, реакций восстановления. Наиболее распространенными загрязнителями в газовом состоянии являются: оксид углерода СО, диоксид углерода СО₂, оксиды азота NO, N₂O, NO₂, NO₃, N₂O₅, диоксид серы SO₂, соединения хлора и фтора.

Рассмотрим наиболее опасные, широко распространенные загрязнители. Каковы они и в чем их опасность?

1. Пыль и взвеси – это взвешенные в воздухе тонкие частицы, например, дыма и сажи (табл.4.2). Основными источниками взвеси являются промышленные трубы, транспорт и открытое сжигание топлива. Мы можем наблюдать такие взвеси в виде смога или дымки.

По дисперсности, т.е. степени измельченности различают пыль:

— крупнодисперсную – с частицами размером более 10 мкм, оседающую в неподвижном воздухе с возрастающей быстротой;

— среднедисперсную – с частицами от 10 до 5 мкм, медленно оседающую в неподвижном воздухе;

— мелкодисперсную и дым – с частицами размером 5 мкм, быстро рассеивающуюся в окружающей среде и почти не оседающую.

Основные источники загрязнения атмосферного воздуха

Котлы и промышленные печи

NO₂, SO₂, а также CO, альдегиды (HCHO), органические кислоты, бензапирен

CO, NO₂, альдегиды, углеводороды неканцерогенные, бензапирен

SO₂, H₂S, NH₃, NО_x, CO, углеводороды, кислоты, альдегиды, канцерогенные вещества

В зависимости от процесса (H₂S, CO, NH₃), кислоты, органические вещества, растворители, летучие сульфиды и др.

Металлургия и коксохимия

SO₂, CO, NH₃, NO_X, фтористые и цианистые соединения, органические вещества, бензапирен

В зависимости от процесса (CO, фтористые соединения, органические вещества)

NH₃, H₂S, смеси органических соединений

Промышленность строительных материалов

CO, органические соединения

Пыль, способная некоторое время находиться в воздухе во взвешенном состоянии, называется аэрозоль, в отличие от осевшей пыли, называемой аэрогель. Мелкодисперсная пыль представляет для организма наибольшую опасность, поскольку она не задерживается в верхних дыхательных путях и может проникнуть глубоко в легкие. Кроме того, тонкая пыль может быть проводником в организм человека различных ядовитых веществ, например, тяжелых металлов, которые на пылинках могут проникать глубоко в дыхательные пути.

Можно привести и другие примеры: комбинация двуокиси серы с пылью раздражает кожу и слизистые оболочки, с повышением концентрации — приводит к нарушениям дыхания и болям в груди, а при очень высоких концентрациях, значительно превосходящих ПДК, вызывает смерть от удушья.

В машиностроительных предприятиях, особенно в цехах горячей и холодной обработки металлов, в воздушную среду рабочих зон выделяется много пыли, токсических и раздражающих газов. Современный стандарт устанавливает ПДК для вредных веществ около 1000 видов. По степени воздействия на организм вредные вещества подразделяют на четыре класса:

1-й – вещества чрезвычайно опасные;

2-й – вещества высоко опасные;

3-й – вещества умеренно опасные;

4-й – вещества малоопасные.

Класс опасности веществ установлен в зависимости от норм и показателей (табл.4.3).

Классы опасности и пределы уровня загрязнения

Норма для класса опасности

Предельно допустимая концентрация (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны, мг/м 3

Средняя смертельная концентрация в воздухе, мг/м 3

Предельно допустимая концентрация представляет первичный стандарт, являющийся критерием загрязнения, это максимальный уровень загрязнения, который человек может переносить без ущерба для здоровья, плюс 10-15% как запас прочности.

2. Углеводороды – это органические соединения углерода и водорода. В технике и промышленности они используются в качестве энергоносителей, например, природный газ, пропан, бензин, растворители для красок и чистящих средств и др. Среди особо опасных углеводородов важное место занимает бензапирен – составная часть выхлопных газов автомобилей и выбросов в атмосферу от угольных печей.

3. Угарный газ. При полном сгорании топлива и отходов, представляющих собой органические соединения, образуются углекислый газ и вода:

В случае полного сгорания выбрасывается в воздух двуокись углерода, называемая также углекислым газом (СО₂) при неполно окисленном углероде – угарный газ (СО).

Двуокись углерода – бесцветный газ со слабым запахом образуется при дыхании живых организмов, а также при сжигании угля, нефти и газа на тепловых станциях, в котельных и т.п. В небольшом количестве углекислый газ не опасен, но в очень больших дозах он приводит к смерти. Содержание СО₂ в воздухе постоянно растет, что связано с все более увеличивающимся количеством сжигания угля и нефти. За последние 100 лет содержание двуокиси углерода в воздухе увеличилось примерно на 14%. Рост содержания углекислого газа в воздухе способствует повышению температуры на Земле, так как слой углекислого газа создает мощный экран, не пропускающий в космос тепло, излучаемое Землей, что нарушает естественный теплообмен между планетой и окружающим ее пространством. Это так называемый парниковый, или оранжерейный, эффект.

Окись углерода (СО) – не полностью окисленный углерод, так называемый угарный газ. СО – ядовитый газ, не имеющий цвета и запаха. Вдыхание угарного газа блокирует поступление кислорода в кровь, приводит к кислородному голоданию тканей с последующим наступлением обморока, паралича дыхательных путей и смерти.

4. Оксиды азота (NO_x) – газообразные соединения веществ, вырабатываемые микроорганизмами; также могут образоваться в продуктах сгорания топлива в автомобильных двигателях, в химической промышленности, например, при производстве азотной кислоты. При высоких температурах горения часть азота (N₂) окисляется, образуя монооксид (NO), который в воздухе, вступая в реакцию с кислородом, окисляется до диоксида (NO₂) и/или тетраоксида (N₂O₄).

Оксиды азота способствуют возникновению фотохимического смога, образованного из продуктов реакции между окислами азота и ненасыщенными углеводородами под активным действием ультрафиолетового излучения Солнца.

Оксиды азота раздражают органы дыхания, слизистые оболочки, особенно легких и глаз, а также отрицательно действуют на мозг и нервную систему человека.

5. Двуокись серы или так называемый сернистый газ (SO₂) – остро пахнущий, бесцветный газ, раздражающий дыхательные пути человека и животных, особенно в среде тонкой пыли. Основными источники загрязнения воздуха двуокисью серы являются горючие ископаемые, сжигаемые в энергетических установках. Топливо и отходы, которые при сгорании попадают в воздух, содержат серу (например, в угле от 0,2 до 5,5% серы). В процессе сгорания сера окисляется с образованием SO₂. Двуокись серы наносит серьезный ущерб окружающей среде – у растений под действием SO₂ происходит частичное отмирание хлорофилла, что пагубно действует на сельскохозяйственные урожаи, лесные деревья, водоемы, выпадая в виде так называемых кислотных дождей.

6. Тяжелые металлы, загрязняя окружающую среду, приносят огромный вред человеку и природе. Свинец, ртуть, кадмий, медь, никель, цинк, хром, ванадий – постоянные компоненты воздушной среды крупных промышленных центров. Примеси тяжелых металлов могут содержать уголь, а также различные отходы.

Примеры: там, где используется в качестве дополнителя в бензин тетраэтилсвинец с целью дешевого предотвращения стука двигателей (в ряде стран такой способ добавки запрещен) воздух значительно загрязняется свинцом. Высвобождаясь с выхлопными газами, этот вредный тяжелый металл, остается в воздухе и, прежде чем осесть, переносится ветром на большие расстояния.

Другой тяжелый металл – ртуть, попадая из загрязненного воздуха в воду в процессе биоаккумуляции в озерах, попадает в организмы рыб, что создает серьезную опасность отравления человека по пищевой цепочке.

7. Озон и различные активные органические соединения, которые образуются в процессе химических взаимодействий оксидов азота с летучими углеводородами, стимулируемых лучами солнца. Продукты этих реакций называются фотохимическими окислителями. Например, под действием солнечной энергии диоксид азота распадается на монооксид и атом кислорода, который, соединяясь с О₂, образует озон О₃.

8. Кислоты, преимущественно серная и азотная, которые образуют кислотные дожди.

Какие же объекты источников загрязнения атмосферы составляют главную опасность здоровью планеты?

Основными загрязнителями воздуха в индустриальных странах являются автомобили и другие виды транспорта, промышленные предприятия, тепловые электростанции, крупные комплексы военной промышленности и атомной энергетики.

Автотранспорт загрязняет воздух городов окисью углерода и азота, углеводородами и другими вредными веществами. Ежегодные выбросы автомобилей в России в начале 90-х годов составили 36 млн. т или 37% от общего объема выбросов (около 100 млн. т/год), в том числе: оксиды азота – 22%, углеводороды – 42%, окиси углерода – около 46% (наибольший объем выбросов от автомобилей отмечен в Москве – более 840 тыс. т/год).

Сейчас в мире несколько сотен миллионов только личных автомобилей, почти половина из них – около 200 млн. — на американском континенте. В Японии из-за ограниченной территории на единицу площади приходится почти в 7 раз больше автолюбителей, чем в США. На совести автомобиля – этой "химической фабрики на колесах" – более 60% всех вредных веществ в городском воздухе. Выхлопные газы автомобиля содержат около 200 веществ, приносящих вред здоровью и природе. В них присутствуют несгоревшие или неполностью разложившиеся углеводороды топлива. Количество углеводородов резко увеличивается, если двигатель работает на малых оборотах или при увеличенной скорости, например, при старте на перекрестках у светофоров. В момент нажатия на педаль акселератора выделяется большое количество несгоревших частиц (в 10-12 раз больше чем при нормальном режиме). Кроме того, в несгоревших выхлопных газах двигателя при нормальном режиме содержится около 2,7% окиси углерода, количество которого увеличивается при снижении скорости примерно до 3,9-4%, а на тихом ходу – до 6,9%.

Выхлопные газы, в том числе окись углерода, углекислый газ и многие другие выбросы двигателей, тяжелее воздуха, поэтому все они скапливаются у земли, отравляя человека и растительность. При полном сгорании топлива в двигателе часть углеводородов превращается в сажу, содержащую различные смолы. Особенно при неисправности двигателя за автомобилем тянется черный шлейф дыма, содержащий полициклические углеводороды и в том числе бензапирен. В выхлопных газах содержатся также оксиды азота, альдегиды, обладающие резким запахом и раздражающим эффектом, соединения неорганического свинца.

Черная металлургия – один из крупных источников загрязнения атмосферы пылью и газами. В процессе выплавки чугуна и переработки его на сталь выбросы пыли в расчете на 1 т предельного чугуна составляют 4,5 кг, сернистого газа – 2,7 кг и марганца – 0,5-0,1 кг.

Существенную роль в загрязнении атмосферы играют выбросы мартеновских и конверторных сталеплавильных цехов. Выбросы мартеновских печей в основном содержат пыль из триокиси железа (76%) и триокиси алюминия (8,7%). При бескислородном процессе на 1 т мартеновской стали выделяется 3000-4000 м 3 газов с концентрацией пыли около 0,6-0,8 г/м 3 . В процессе подачи кислорода в зону расплавленного металла образование пыли значительно увеличивается, достигая 15-52 г/м 3 . Одновременно происходит выгорание углеводорода и серы, в связи с чем в выбросах мартеновских печей содержится до 60 кг окиси углерода и до 3 кг сернистого газа в расчете на 1 т выдаваемой стали.

Процесс получения стали в конверторных печах характерен выбросом в атмосферу дымовых газов, состоящих из частиц окислов кремния, марганца и фосфора. В составе дыма содержится до 80 % окиси углерода, а концентрация пыли в отходящих газах составляет около 15 г/м 3 .

Выбросы цветной металлургии содержат технические пылевидные вещества: мышьяк, свинец, фтор и др., поэтому представляют собой серьезную опасность для здоровья людей и окружающей среды. В процессе производства алюминия электролизом в атмосферу выбрасывается большое количество газообразных и пылевидных фтористых соединений. Для получения 1 т алюминия расходуется от 33 до 47 кг фтора (в зависимости от мощности электролизера), более 65 % которого попадает в атмосферу.

Предприятия химической промышленности относятся к группе наиболее опасных источников загрязнения атмосферы. Состав их выбросов весьма разнообразен и содержит много новых, чрезвычайно вредных веществ. Мы мало знаем о потенциально вредном воздействии 80 % этих веществ на людей, животных и природу. К основным выбросам предприятий химической промышленности относятся окись углерода, окислы азота, сернистый ангидрид, аммиак, органические вещества, сероводород, хлористые и фтористые соединения, пыль от неорганических производств и др.

Топливно-энергетический комплекс (тепловые электростанции, теплоэлектроцентрали, котельные установки) выделяет в атмосферный воздух дым, образующийся при сгорании твердого и жидкого топлива. Выбросы в атмосферный воздух от использующих топливо установок содержат продукты полного сгорания – окислы серы и зола, продукты неполного сгорания – в основном окись углерода, сажа и углеводороды. Общий объем всех выбросов весьма значительный. Например, тепловая электростанция, потребляющая ежемесячно 50 тыс. т угля, содержащего примерно 1% серы, ежедневно выбрасывает в атмосферу 33 т серного ангидрида, который может превратиться (при определенных метеорологических условиях) в 50 т серной кислоты. За одни сутки такая электростанция производит до 230 т золы, которая частично (около 40-50 т в день) выбрасывается в окружающую среду в радиусе до 5 км. Выбросы тепловых станций, сжигающих нефть, почти не содержат золы, однако выделяют в три раза больше серного ангидрида.

Воздушные загрязнения нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности содержат большое количество углеводородов, сероводорода и дурно пахнущих газов.

Основные источники загрязнения воздуха, возможные последствия и пути решения проблемы

Загрязнение воздуха представляется одним из главных факторов, влияющих на экологию. К основным источникам загрязнения атмосферного воздуха относят промышленные выбросы, лесные пожары, испарение солей с поверхности океанов и другие природные и антропогенные факторы.

Виды загрязнителей воздуха

Самые крупные источники загрязнения делятся на следующие группы:

1. Химические элементы. К основному виду загрязнения относят газообразные вещества, попадающие в атмосферу планеты. Загрязнение атмосферы происходит такими веществами как диоксид серы, альдегиды, тяжёлые металлы, оксиды углерода, радиоактивные изотопы, аммиак, и углеводороды.

2. Физические загрязнители. К физическим явлениям, обуславливающим загрязнение атмосферного воздуха, относятся:

радиоактивное излучение, в том числе космическое;
твёрдые частицы и иные загрязняющие атмосферный воздух вещества;
шумовое воздействие (слишком громкие звуки, колебания на низких частотах, которые вызывают дезориентацию у птиц и нарушают баланс экосистем);
тепловые выбросы;
электромагнитное воздействие.

3. Механические загрязнители. Механическое воздействие на воздух считается подвидом физического. Веществами, загрязняющими атмосферу, являются пыль, получаемая при производстве цемента; угольная сажа; частицы резины, поднимающиеся в небо от истирающихся покрышек и т.д.

4. Биологические загрязнители. К естественным факторам, влияющим на состояние воздуха, относят преимущественно микробное загрязнение. Основным загрязнителем называют грибные споры и бактерии, поднимающиеся в небо. Свою роль играют вирусы, вегетативные формы жизни, а также отходы жизнедеятельности.

Основные источники загрязнения

Технологический прогресс позволил сформировать довольно чёткую классификацию. Теперь у учёных есть средства обнаружения загрязнителей, разработаны критерии, позволяющие оценить ущерб экологии.

1. Естественные источники. Иногда влияние природных катаклизмов было во много раз серьёзнее, чем вред, нанесённый природе человечеством. Примером такой ситуации служит упавший метеорит, из-за которого предположительно началось вымирание динозавров. Основные факторы, влияющие на экологию:

извержения вулканов;
ветер;
испарение солей из Мирового океана;
вызванные молниями пожары.

Арбол де Пьедра (дерево скальных пород), известное каменное дерево, образованное порывами ветра в пустыне Силоли в Эдуардо Аваро, Национальный заповедник Андской фауны в Боливии

2. Ветровая эрозия. Сильный ветер способен кардинально изменить ландшафт планеты. Влияние ветра на атмосферу проявляется в том, что пыль и камни поднимаются в небо. Засорённый пылью воздух опасен для птиц.

В сочетании с другими видами загрязнения, например, радиоактивным, это создаёт повышенную опасность для флоры и фауны. Дышать таким воздухом опасно.

3. Вулканическая деятельность. Из-за извержений вулканов в атмосферу поднимаются тысячи тонн сажи и раскалённых газов. Происходит тепловое и пылевое загрязнение воздуха. Вулканический пепел смертельно опасен при попадании в дыхательные пути. Жертвами извержений становятся птицы и обитатели воды и суши.

4. Испарение солей с поверхности океанов и морей. Этот процесс не относится к главным причинам загрязнения атмосферы, но оказывает на неё влияние.

При её конденсации выделяется много теплоты, поэтому большую часть энергии атмосфера получает в виде пара.

5. Продукты жизнедеятельности флоры и фауны. Источником проблем бывают бактерии и грибные споры, переносимые ветром, а также разлагающиеся экскременты животных. Выделяющиеся при этом газы поднимаются в воздух. Сюда же относится гниение останков растений.

6. Лесные пожары.

Причиной возгорания обычно служит удар молнии в сухое дерево. В результате пожара в небо поднимаются тонны сажи и пепла.

Частицы космической пыли

7. Космическая пыль. Любая планета подвергается бомбардировке космическими частицами, оставшимися после образования звёздных систем. Небольшие частицы сгорают в атмосфере, более крупные достигают поверхности Земли. Метеорит оставляет кратер, из-за чего в небо поднимаются тысячи тонн пыли и камней.

Источники, созданные человеком

Антропогенные источники засорения воздуха — следствие технического прогресса и развития человеческого вида.

1. Промышленные выбросы. Больше всего атмосферу загрязняют предприятия черной и цветной металлургии, а также химические производства. Заводы выбрасывают колоссальное количество газов и твёрдых веществ:

диоксида серы;
свинца;
сероуглерода;
ксилола.

2. Энергетические предприятия. ТЭС работают на ископаемом топливе (угле), выбрасывая в воздух СО_2. Среди других загрязнителей угарный газ, тяжёлые металлы (соединения свинца), углеводороды, сажа и несгоревшие частицы горючего.

3. Выхлопные газы.

ДВС выделяют оксид углерода и азота, диоксид серы, сажу и углеводороды. При частичном сгорании топлива наносится более серьезный урон атмосфере. Бензиновые и дизельные двигатели одинаково опасны для окружающей среды. Наибольший вред наносит легковой автотранспорт, так как он более распространён, хотя грузовик потенциально опаснее: двигатели большего объёма выбрасывают больше вредных веществ.

4. Добыча нефти и полезных ископаемых. Большую опасность представляют пожары на местах добычи нефти. Природные месторождения содержат достаточно топлива, чтобы горение продолжалось неделями, пока пожарные пытаются погасить пламя. За это время смог накрывает огромную территорию.

5. Использование химикатов в сельском хозяйстве. Ветер переносит пестициды на новые территории, в результате они попадают в почву и воду. Загрязнение атмосферы происходит в результате развития животноводства. Скот на пастбищах выделяет метан в виде кишечных газов. Этот газ выделяется также из коровьего навоза.

6. Курящие люди. При сгорании табака в окружающую среду выделяются:

Наименование	Процент
азот	59%
цианистый водород	0,1%
углеводороды	0,1%
глицерин и спирты	0,1%
альдегиды и кетоны	0,1%
никотин	0,002%
фенолы	0,003%
оксид углерода II	4%
кислород	13,4%
оксид углерода IV	13,6%

Влияния на атмосферу в целом они не оказывают, но ухудшают качество воздуха в отдельном помещении.

7. Линии электропередач. ЛЭП служат одним из источников загрязнения потому, что вокруг проводов существует электромагнитное поле высокой напряжённости. На воздух оно не влияет, но пагубно сказывается на живых организмах. Пчёлы, например, становятся агрессивнее. На находящихся вблизи ЛЭП растениях чаще встречаются внешние деформации.

Возможные последствия

Локальные последствия загрязнения атмосферы наблюдаются уже давно. Экологи спорят, приведёт ли оно к глобальному изменению климата.

Разрушение озонового слоя. Загрязнение атмосферы приведёт к истончению и разрушению озонового слоя. В результате под действием ультрафиолетовых лучей повысится естественный радиационный фон.

Озоновый слой – защита земли от УФ лучей становится меньше и меньше с каждым годом

Как появляются кислотные дожди

Определение степени загрязнения воздуха

Уровень чистоты атмосферы выявляется анализом среднегодичной концентрации примеси в воздухе. Также учитываются среднее квадратическое отклонение и максимальная разовая концентрация примеси.

Индекс ИЗА — это интегральный показатель загрязнения атмосферы. Он показывает длительную загрязнённость воздуха, и учитывает как концентрации, так и воздействие опасных факторов на здоровье.

Текущее состояние атмосферы

В России в зоне наибольшего риска находятся Челябинская, Свердловская, Оренбургская и Иркутская области, так как там хорошо развита промышленность, есть вредные производства. В число самых чистых городов входят Севастополь, Горно-Алтайск.

Индустриальный пейзаж в Карабаше, Челябинская область, Россия

Методы борьбы с проблемой

Экологи и правительства прорабатывают меры, как бороться с загрязнением воздуха. Некоторые идеи уже реализуются на практике, однако комплексных преобразований нет.

Снижение промышленных выбросов. Предполагается установка продвинутых фильтров на трубы предприятий, чтобы избежать попадания в атмосферу наиболее вредных веществ.
Современные методы утилизации и переработки отходов. Вместо сжигания или захоронения отходов предполагается использование грануляторов, дробилок, сушилок и т.д. Большим шагом к решению проблемы станет массовая переработка вторсырья.
Использование альтернативных источников энергии. Солнечные, волновые и ветровые электростанции пока не могут удовлетворить потребность человечества в электричестве, однако их количество постепенно увеличивается.
Посадка зелёных насаждений. Растения выделяют кислород и впитывают вредные вещества из атмосферы. Посадка деревьев и кустов позволяет противодействовать влиянию выбросов.
Организация эко ферм. Основанные на экологически чистом труде фермерские хозяйства, не применяющие пестициды, снижают наносимый планете вред.
Прочие варианты решения проблемы. Ученые разрабатывают инновационные способы очистки среды:

очищающие воздух билборды;
бетон, поглощающий смог;
распыление химикатов, убирающих смог.

Борьба с загрязнением атмосферы на законодательном уровне

В мире вводятся ограничения на выброс вредных веществ в атмосферу. Законом регулируется соответствие ДВС экологическим стандартам. В Российской Федерации рассматривается законопроект по введению нового экологического налога.

Глава 2. Глобальные проблемы биосферы

О.А. Барабанова, И.Н. Безкоровайная, Е.Б. Бухарова [и др.]
Экология: курс лекций
Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2010. – 325 с.

Лекция 10. Антропогенные воздействия на атмосферу, гидросферу и литосферу

10.1. Загрязнение атмосферы

В настоящее время основной вклад в загрязнение атмосферного воздуха на территории России вносят следующие отрасли: теплоэнергетика (тепловые и атомные электростанции, промышленные и городские котельные), автотранспорт, предприятия черной и цветной металлургии, нефтедобычи и нефтехимии, машиностроение, производство стройматериалов.

Значительная часть загрязняющих веществ атмосферы вступает в химическое взаимодействие. Реагируя с водой, многие из них образуют кислоты, которые выпадают в виде осадков, вызывая закисление почв и природных вод. Капли кислот в воздухе ускоряют процессы коррозии: в промышленных районах металл ржавеет в 20 раз быстрее, чем в сельской местности. На долю трех видов загрязнителей – пыли, оксидов углерода и серы приходится 80 % загрязнения.

Дым, пыль и газы конвективными потоками воздуха поднимаются на разную высоту. В зависимости от протекающих в данный момент в атмосфере климатических и метеорологических процессов загрязняющие вещества или остаются в непосредственной близости от мест выброса, или выносятся за их пределы и рассеиваются. Так, над всем Северным полушарием располагается стабильная зона повышенной концентрации диоксида серы, превышающей фоновую на востоке США, в Центральной и Восточной Европе в 10–15 раз.

Одним из проявлений трансформации загрязнителей в атмосфере является агрегирование (слипание) мелких частиц, аэрозолей с образованием крупных устойчивых конгломератов. Основная часть пыли техногенного происхождения находится в приземном слое воздуха, рассеиваясь на площади не более 0,4 % суши. Количество пыли, оседающей в год на поверхность земли, достигает в крупных городах, промышленных центрах 300 т/км 2 .

Основные загрязнители окружающей среды

Основные источники загрязнения

Оксид углерода (IV),

углекислый газ СО₂

вулканическая деятельность, дыхание живых организмов, сжигание ископаемого топлива, транспорт

Оксид углерода (II), угарный газ СО

вулканическая деятельность, работа двигателей внутреннего сгорания, транспорт

растения, бактерии. работа двигателей внутреннего сгорания, химическая промышленность

Кадмий Cd, цинк Zn, медь Cu и др. тяжелые металлы

химическая промышленность, металлургия

Оксид серы (IV), сернистый газ SO₂ и другие производные серы

вулканическая деятельность, морские бризы, бактерии, сжигание ископаемого топлива, металлургия

Оксиды азота NO_x, аммиак

бактерии, горение, сжигание топлива, транспорт, авиация, азотсодержащие минеральные удобрения

атомные электростанции, ядерные взрывы,

вулканическая деятельность, космическая пыль, ветровая эрозия, водяная пыль, промышленное производство, работа двигателей внутреннего сгорания

Органические вещества естественные и синтетические

лесные пожары, химическая промышленность, сжигание топлива и отходов, сельское хозяйство (пестициды)

Антропогенные выбросы в атмосфере претерпевают различные химические превращения: фотолиз – фотохимические реакции при облучении солнечным светом; озонолиз – в реакциях с атмосферным озоном; гидролиз – при реакции с атмосферной влагой, паром; окисление – соединение с кислородом. Химические атмосферные процессы с участием различных загрязнителей включают первичные реакции окисления NO, SO₂, углеводородов с участием озона, гидроксильных радикалов и вторичные фотохимические реакции образования аэрозолей, кислот, озона.

Схема основных газофазных первичных и вторичных преобразований оксидов азота в нижних слоях атмосферы представлена на рис. 20.

Рис. 20. Схема основных первичных и вторичных преобразований оксидов азота в атмосфере

Первичная реакция взаимодействия оксида азота с озоном

дает толчок к множеству вторичных реакций, в том числе и кругового преобразования с повторным воспроизводством оксида азота и озона:

и нитратов – твердых продуктов взаимодействия азотной кислоты с аммиаком NH₃ и другими соединениями. Избыточное количество озона, образующееся в каждом цикле преобразования молекулы оксида азота, выводится из цикла, способствуя накоплению озона в атмосфере. Значительную роль в формировании уровня и характера загрязнения воздушного бассейна играет конверсия S0₂ в атмосфере с образованием аэрозолей. Соединяясь с парами воды, предварительно окисленный оксид серы (IV) образует серную кислоту:

Образовавшиеся аэрозоли частично выводятся из атмосферы осадками и туманами, они взаимодействуют с газообразными примесями, подвергаются коагуляции.

В атмосфере при контакте с влагой диоксиды азота и серы образуют соответствующие кислоты. В летний период при интенсивном солнечном облучении скорость превращения диоксида азота в кислоту весьма велика – 50 % диоксида азота переходит в кислоту. Вследствие высокой растворимости в воде и сорбции на увлажненной поверхности твердых частиц азотная кислота быстро выпадает на землю.

В отличие от оксидов азота диоксид серы, прежде чем полностью превратиться в сульфат-анион, может переноситься с массами воздуха на большие расстояния, ареал рассеивания его значительно больше. Образующиеся кислоты выводятся из атмосферы с осадками – «кислотными» дождями. Кислотность осадков доходит до рН = 1,5. Продукты трансформации диоксида серы в атмосфере в виде осадков выпадают на поверхность литосферы (около 50 %), гидросферы (около 30 %), поглощаются растениями (около 20 %).

Состав воздуха (на высоте уровня моря)

Содержание пылевых природных и антропогенных частиц в атмосферном воздухе составляет от 0,02 мг/м 3 (чистый воздух) до 2,5–3,0 мг/м 3 в городах и свыше 100 мг/м 3 в промышленной зоне. Отмечается присутствие в атмосфере оксидов азота, в основном природного происхождения (при воздействии молний, биологического окисления). Доля оксидов азота техногенного происхождения не превышает 10 %. Однако высокая степень концентрации источников промышленных выбросов оксидов азота вблизи городов приводит к тому, что в локальных зонах их влияние является определяющим.

Химический состав атмосферы постоянно изменяется. Однако изменения некоторых составляющих (диоксид углерода, пыль, озон) могут существенно изменять климат планеты, условия существования биосферы.

Атмосфера служит транзитной средой для распространения космических воздействий, солнечной радиации (инфракрасное, ультрафиолетовое излучение, видимая часть спектра – световое излучение), а также рентгеновского, гамма-излучения.

При наличии инверсии температур воздуха вертикальная циркуляция воздушных масс ограничивается, изменяются условия теплового подъема выбросов в атмосферу через газоотводящие трубы. Инверсионный слой воздуха, в пределах которого наблюдается указанное изменение температуры, характеризуется мощностью (толщиной), положением относительно поверхности земли, а также величиной градиента температуры по высоте.

Инверсионный слой воздуха может непосредственно примыкать нижней границей к поверхности земли. Мощность инверсии составляет от нескольких десятков до сотен метров при перепаде температур по высоте инверсионного слоя до 10–15 °С и выше. Длительность инверсионного состояния атмосферы – от нескольких часов до 7–10 суток. Повторяемость инверсии наиболее значительна для северных районов страны.

Поступление в атмосферу твердых и газообразных веществ антропогенного происхождения (табл. 8) порождает разветвленные цепные процессы трансформации загрязнителей. При взаимодействии загрязнителей со сложным по составу атмосферным воздухом в различных условиях (инсоляция, температура, влага, запыленность) образуется большое количество вторичных токсичных веществ, нередко более опасных, чем первичные загрязнители (диоксид азота, диоксид серы, углеводороды и др.).

Выделяется ряд физических процессов преобразования загрязнителей, их перехода в другие природные среды: молекулярная диффузия, возникающая при градиенте концентрации; взаимодействие загрязнителей с частицами воды (сорбция, захват аэрозольных частиц, вымывание – захват вещества падающими частицами капель воды); осаждение под действием гравитации.

Одним из проявлений трансформации загрязнителей в атмосфере является агрегатирование (слипание) мелких частиц, аэрозолей с образованием крупных устойчивых конгломератов. Основная часть пылей техногенного происхождения находится в приземном слое воздуха, рассеиваясь на площади не более 0,4 % суши. Количество пыли, оседающей в год на поверхность земли, достигает в крупных городах, промышленных центрах 300 т/км 2 .

Специфический характер перемещения загрязнителей складывается при явлениях сверхдальнего переноса, когда твердые частицы, аэрозоли, капли кислот переносятся на многие сотни, тысячи километров (трансграничный, трансконтинентальный). Антропогенные выбросы претерпевают различные химические превращения: фотолиз – фотохимические реакции при облучении солнечным светом; озонолиз – в реакциях с атмосферным озоном; гидролиз – при реакции с атмосферной влагой, паром; окисление– соединение с кислородом.

Возможные формы переходов загрязнений между природными средами

Возможные формы перехода загрязнений

Перенос в атмосфере, характерный для большинства загрязнений. Осаждение (вымывание) атмосферных загрязнений на водную поверхность

Атмосфера – поверхность суши

Осаждение атмосферных загрязнений на земную поверхность (на сушу)

Осаждение загрязнений на поверхность насаждений с последующей ассимиляцией (внекорневое поступление загрязнений в биоту)

Испарения из воды в атмосферу (нефтепродуктов, соединений ртути)

Перенос (распространение) загрязнений в водных системах

Гидросфера – поверхность суши (дно рек, озер)

Переход из воды в почву (фильтрация, «самоочищение», осаждение на дно водоемов)

Переход из поверхностных вод в биоту (экосистемы, поступление в организм животных и человека с питьевой водой)

Поверхность суши – гидросфера

Смыв загрязнений с суши во время снеготаяния, с осадками, временными водотоками

Поверхность суши – поверхность суши

Миграция в почве, ледниках, снежном покрове (проникновение загрязнений на разные глубины)

Поверхность суши – биота

Корневые поступления загрязнений в растительность

Испарения из биоты (малозначимы)

Попадание загрязнений из биоты в воду после гибели организмов

Биота – поверхность суши

Попадание загрязнений из биоты в почву, главным образом после гибели организма

Миграция по пищевым цепям

Потенциал самоочищения атмосферы зависит от условий рассеивания вредных веществ и соответствующего метеорологического потенциала – прежде всего ветрового режима. Хорошо «проветриваемая» территория даже при больших техногенных нагрузках сохраняет сравнительно благоприятные санитарно-гигиенические условия. При плохой вентиляции местности и при небольших выбросах, особенно при температурной инверсии, санитарные условия оказываются неблагоприятными.

Характер экологической ситуации формируется в результате определенного соотношения атмосферных процессов и параметров техногенных выбросов. Важнейшим параметром атмосферы, влияющим на экологическую ситуацию, является потенциал рассеивающей способности атмосферы – метеорологический потенциал атмосферы (МПА), характеризующий способность атмосферы в данной местности к самоочищению.

Загрязнение атмосферного воздуха

Общая характеристика. Загрязнение атмосферного воздуха непосредственно влияет на здоровье человека, а загрязнение атмосферы (на глобальном уровне) – лишь косвенно через климатические изменения, разрушение озонового экрана биосферы, кислотные дожди и др. Наиболее распространенные группы загрязнителей воздуха: атмосферные газы (окислы азота, серы, углерода, например, углекислый газ), углеводороды, фенолы, аэрозоли тяжелых металлов и другие органические и минеральные соединения. Аэрозоли – взвешенные в газообразной среде частички твердых или жидких веществ как органического, так и неорганического происхождения. Аэрозоли могут содержать сложные комплексы химических веществ, в том числе обладающих высокой степенью токсичности и представляющих опасность для здоровья человека и жизнестойкости растений.

Очень большую группу загрязнителей образуют углеводороды, в составе которых наиболее опасны для человека и животных хлор-, фтор-, азот-, фосфорсодержащие соединения, большинство из которых являются ядовитыми веществами и обладают канцерогенным действием, т.е. могут вызывать онкологические заболевания. В эту группу входят и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), среди которых наиболее опасны бензапирен и фенантрен, также вызывающие онкологические заболевания.

Источники загрязнения воздуха. Наиболее значительный источник загрязнения воздуха – автотранспорт, поставляющий в атмосферу свинец, окись углерода и упоминаемые выше ПАУ. Принято считать, что в большинстве стран мира более половины загрязнения воздуха связано с работой автотранспорта. В среднем по территории России выхлопные газы автотранспортных средств определяют 40–45% загрязнения воздуха, но в городах они дают больше 50% загрязнения воздуха, причем в крупных городах(от 0,5 млн. до 1–1,5 млн. жителей) на их долю приходится 55–70%, а в очень крупных (несколько млн. жителей) городах – более 85% от общего объема загрязнения атмосферного воздуха. В России по транспортным выбросам лидируют Москва и Петербург, объемы которых в атмосферу соответственно достигают 800 и 250 тыс. т в год.

Значительную долю загрязнения воздуха составляют также выбросы тепловых электростанций, содержащие окислы серы и азота, золу, тяжелые металлы, ПАУ, связанные со сжиганием топлива. Причем первенство здесь принадлежит электростанциям, работающим на угле, меньше всего выбросов дают станции, использующие природный газ.

Предприятия химической промышленности выбрасывают в атмосферу углеводороды, фенолы, органические фториды и хлориды, карбоновые кислоты, альдегиды, органические соединения серы, хлора, фтора, азота, двуокись серы, сероводород, окислы азота, соляную кислоту, другие кислоты, соединения фтора, тяжелые металлы, карбиды и др. Металлургические предприятия выбрасывают в воздух пыль в больших объемах, окислы серы, углерода и азота, фтористые газы и металлы. О составе этой пыли можно судить по тому факту, что из тонны пыли, выделяемой при плавке меди, можно извлечь около 100 кг меди и немного меньше цинка и свинца, известных своей токсичностью. Выбросы нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих предприятий содержат углеводороды, сероводород, дурнопахнущие газы (стирол, ацетон, толуол и др.), а при сжигании попутных газов в факельных установках – в больших объемах сажу, окись углерода, диоксид азота, углеводороды.

Воздействие загрязнений воздуха на природную среду. Перечисленные выше химические вещества, присутствующие в атмосферном воздухе, оказывают воздействие не только на здоровье людей, которое будет рассматриваться в следующем разделе, но и на состояние природной среды. Это воздействие в природных экосистемах многообразно и еще недостаточно изучено. Некоторые из атмосферных газов (например, окислы углерода) в небольших концентрациях могут оказывать благотворное действие на рост и развитие растений. Но большинство из загрязнителей, особенно в значительных концентрациях, могут угнетать деятельность биоты. Вредное действие на растения оказывает диоксид серы. Поступая внутрь листа при дыхании он угнетает жизнедеятельность клеток, листья сначала покрываются бурыми пятнами, а потом высыхают. Аналогичное воздействие на лиственные породы деревьев оказывает и диоксид азота. Сажа, считающаяся не очень вредным для здоровья человека загрязнителем воздуха, забивая дыхательные устьица хвоинок, приводит к гибели хвойные деревья. С выбросами сажи при сжигании газа в факелах, разбросанных на бескрайних просторах Сибири, экологи связывают усыхание лесов на некоторых территориях нефтедобычи.

Читайте также: