Аэрозольные загрязнения атмосферы

Содержание

Введение

1. Определение и типы аэрозолей

2. Основные источники аэрозолей

3. Фотохимический туман (смог)

4. Проблема контролирования выброса в атмосферу загрязняющих

веществ промышленными предприятиями (ПДК)

5. Влияние загрязнения атмосферы на человека, растительный и животный мир

Введение

На всех стадиях своего развития человек был тесно связан с окружающим миром. Но с тех пор как появилось высоко-индустриальное общество, опасное вмешательство человека в природу резко усилилось, расширился объем этого вмешательства, оно стало многообразнее и сейчас грозит стать глобальной опасностью для человечества. Расход невозобновимых видов сырья повышается, все больше пахотных земель выбывает из экономики, так на них строятся города и заводы. Человеку приходится все больше вмешиваться в хозяйство биосферы - той части планеты, в которой существует жизнь. Биосфера Земли в настоящее время подвергается нарастающему антропогенному воздействию. При этом можно выделить несколько наиболее существенных процессов, любой из которых не улучшает экологическую ситуацию на планете.

Наиболее масштабным и значительным является химическое загрязнение среды несвойственными ей веществами химической природы. Среди них газообразные и аэрозольные загрязнители промышленно-бытового происхождения. Прогрессирует и накопление углекислого газа в атмосфере. Дальнейшее развитие этого процесса будет усиливать нежелательную тенденцию в сторону повышения среднегодовой температуры на планете. Вызывает тревогу у экологов и продолжающееся загрязнение Мирового океана нефтью и нефтепродуктами, достигшее уже 1/5 его общей поверхности.

Нефтяное загрязнение таких размеров может вызвать существенные нарушения газо- и водообмена между гидросферой и атмосферой. Не вызывает сомнений и значение химического загрязнения почвы пестицидами и её повышенная кислотность, ведущая к распаду экосистемы. В целом все рассмотренные факторы, которым можно приписать загрязняющий эффект, оказывают заметное влияние на процессы, происходящие в биосфере [1, 17].

1. Определение и типы аэрозолей

Аэрозоли - это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Твердые компоненты аэрозолей в ряде случаев особенно опасны для организмов, а у людей вызывают специфические заболевания. В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или дымки. Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с водяным паром. Средний размер аэрозольных частиц составляет 1 - 5мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает около 1 куб.км. пылевидных частиц искусственного происхождения. Большое количество пылевых частиц образуется также в ходе производственной деятельности людей [2, 37].

По своему происхождению аэрозоли подразделяются на естественные и искусственные. Первые возникают в природных условиях без участия человека. Они поступают в тропосферу (реже в стратосферу) при извержении вулканов, сгорании метеоритов, при возникновении пылевых бурь, поднимающих с земных поверхностей частицы почвы и горных пород, а также при лесных и степных пожарах. Во время извержения вулканов, черных бурь или пожаров образуются громадные пылевые облака, которые нередко распространяются на тысячи километров. Штормовые ветры сбрасывают с гребней волн капельки морской воды, насыщенной солями хлоридов и сульфатов, которые осаждаются как на водной поверхности, так и на суше. В Англии, к примеру, ежегодно на 1 м2 суши прибрежной зоны осаждается 25--35 г солей.

Независимо от происхождения и условий образования аэрозоль, содержащий твердые частицы размером менее 5,0 мкм, называется дымом, а содержащий мельчайшие частицы жидкости -- туманом. Разновидностью тумана является смог, представляющий собой многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц. В состав смеси входят озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические соединения перекисной природы, называемые в совокупности фотооксидантами. Смог возникает в результате фотохимических реакций при определенных условиях: наличии в атмосфере высокой концентрации оксидов азота, углеводородов и других загрязнений, интенсивной солнечной радиации и безветрия или очень слабого обмена воздуха в приземном слое. Время пребывания частиц в атмосфере зависит как от их размеров и плотности, так и от состояния атмосферы (скорости ветра, состава, температуры). Крупные частицы обычно не переносятся в верхние слои атмосферы и оседают в течение нескольких часов вблизи источников их образования с рассеиванием у земной поверхности в подветренную сторону. Поэтому над крупными промышленными центрами образуются мощные скопления пыли и аэрозолей [2, 51].

Мелкие частицы (размер частицы меньше 1 мкм) имеют время пребывания в нижних слоях атмосферы 10--20 суток, что достаточно для их распространения на большие расстояния от источников образования. При этом за счет перемещений воздушных потоков они могут проникать в верхние слои тропосферы и из них - в стратосферу. Атмосферная пыль и аэрозоли ослабляют солнечное излучение в результате рассеяния, отражения и поглощения лучистой энергии. При достаточно длительном сохранении интенсивных загрязнений атмосферы это приводит к понижению температур и локальным изменениям климатических условий, что наиболее заметно в крупных городах и промышленных центрах. Пыль и аэрозоли играют заметную негативную роль в процессах коррозии металлических и силикатных материалов из-за образования на поверхностях отложений. В них содержатся сульфаты и хлориды, удерживающие влагу, в которой могут растворяться кислотные газы (SO2 и НС1). Образующиеся кислоты, удерживаемые в отложениях, разрушают изделия из камня, стекла, металлов. Пылевые и аэрозольные загрязнения атмосферы оказывают заметное влияние на здоровье человека, состояние флоры и фауны. Снижение потока солнечного излучения уменьшает образование (действием УФ-лучей) витамина D3, недостаток которого отрицательно сказывается на формировании костных тканей, обусловливая заболевания рахитом. УФ-лучи уничтожают некоторые микроорганизмы, оказывая стерилизующее действие. Недостаток УФ-лучей повышает риск инфекционных бактериальных заболеваний у растений и животных [2, 60].

2. Основные источники аэрозолей

Сведения о некоторых источниках техногенной пыли приведены ниже:

Производственный процесс выброса пыли, млн.т./год

1. Сжигание каменного угля 93,60

2. Выплавка чугуна 20,21

3. Выплавка меди (без очистки) 6,23

4. Выплавка цинка 0,18

5. Выплавка олова (без очистки) 0,004

6. Выплавка свинца 0,13

7. Производство цемента 53,37

Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные заводы. Аэрозольные частицы от этих источников загрязнения отличаются большим разнообразием химического состава. 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. Постоянными источниками аэрозольного загрязнения являются промышленные отвалы - искусственные насыпи из переотложенного материала, преимущественно вскрышных пород, образуемых при добыче полезных ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности, ТЭС. Источником пыли и ядовитых газов служат массовые взрывные работы. Так, в результате одного среднего по массе взрыва (250 - 300 тонн взрывчатых веществ) в атмосферу выбрасывается около 2тыс.куб.м. условного оксида углерода и более 150 тонн пыли. Производство цемента и других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью [3, 102].

Для сравнительной характеристики участия естественных и искусственных источников загрязнения воздуха твердыми частицами в таблице снизу приведены данные о поступлении в атмосферу первичных загрязнителей. Там же представлены сведения о вторичных загрязнителях, связанных с новообразованиями в атмосфере.

3. Фотохимический туман (смог)

Фотохимический туман представляет собой многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц первичного и вторичного происхождения. В состав основных компонентов смога входят озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические соединения перекисной природы, называемые в совокупности фотооксидантами. Фотохимический смог возникает в результате фотохимических реакций при определенных условиях: наличии в атмосфере высокой концентрации оксидов азота, углеводородов и других загрязнителей. Интенсивной солнечной радиации и безветрие или очень слабого обмена воздуха в приземной слое при мощной и в течение не менее суток повышенной инверсии. Устойчивая безветренная погода, обычно сопровождающаяся инверсиями, необходима для создания высокой концентрации реагирующих веществ. Такие условия создаются чаще в июне-сентябре и реже зимой. При продолжительной ясной погоде солнечная радиация вызывает расщепление молекул диоксида азота с образованием оксида азота и атомарного кислорода [2, 57].

Атомарный кислород с молекулярным кислородом дают озон. Казалось бы, последний, окисляя оксид азота, должен снова превращаться в молекулярный кислород, а оксид азота - в диоксид. Но этого не происходит. Оксид азота вступает в реакции с олефинами выхлопных газов, которые при этом расщепляются по двойной связи и образуют осколки молекул и избыток озона. В результате продолжающейся диссоциации новые массы диоксида азота расщепляются и дают дополнительные количестве озона. Возникает циклическая реакция, в итоге которой в атмосфере постепенно накапливается озон. Этот процесс в ночное время прекращается. В свою очередь озон вступает в реакцию с олефинами. В атмосфере концентрируются различные перекиси, которые в сумме и образуют характерные для фотохимического тумана оксиданты. Последние являются источником, так называемых свободных радикалов, отличающихся особой реакционной способностью. Такие смоги - нередкое явление над Лондоном, Парижем, Лос-Анджелесом, Нью-Йорком и другими городами Европы и Америки. По своему физиологическому воздействию на организм человека они крайне опасны для дыхательной и кровеносной системы и часто бывают причиной преждевременной смерти городских жителей с ослабленным здоровьем.

4. Проблема контролирования выброса в атмосферу загрязняющих веществ промышленными предприятиями (ПДК)

Приоритет в области разработки предельно допустимых концентраций в воздухе принадлежит СНГ. ПДК - такие концентрации, которые на человека и его потомство прямого или косвенного воздействия, не ухудшают их работоспособности, самочувствия, а также санитарно-бытовых условий жизни людей. Обобщение всей информации по ПДК, получаемой всеми ведомствами, осуществляется в ГГО - Главной Геофизической Обсерватории. Чтобы по результатам наблюдений определить значения воздуха, измеренные значения концентраций сравнивают с максимальной разовой предельно допустимой концентрацией и определяют число случаев, когда были превышены ПДК. а также во сколько раз наибольшее значение было выше ПДК. Среднее значение концентрации за месяц или за год сравнивается с ПДК длительного действия - среднеустойчивой ПДК. Состояние загрязнение воздуха несколькими веществами, наблюдаемые в атмосфере города, оценивается с помощью комплексного показателя - индекса загрязнения атмосферы (ИЗА). Для этого нормированные на соответствующее значения ПДК и средние концентрации различных веществ с помощью несложных расчетов приводят к величине концентраций сернистого ангидрида, а затем суммируют. Максимальные разовые концентрации основных загрязняющих веществ были наибольшими в Норильске (оксиды азота и серы), Фрунзе (пыль), Омске (угарный газ) [4, 85].

Степень загрязнения воздуха основными загрязняющими веществами находится в прямой зависимости от промышленного развития города. Наибольшие максимальные? концентрации характерны для городов с численностью населения более 500 тыс. жителей. Загрязнение воздуха специфическими веществами зависим от вида промышленности, развитой в городе. Если в крупном городе размешены предприятия нескольких отраслей промышленности, то создается очень высокий уровень загрязнения воздуха, однако проблема снижения выбросов многих специфических веществ до сих пор остается нерешенной.

5. Влияние загрязнения атмосферы на человека, растительный и животный мир

Все загрязняющие атмосферный воздух вещества в большей или меньшей степени оказывают отрицательное влияние на здоровье человека. Эти вещества попадают в организм человека преимущественно через систему дыхания. Органы дыхания страдают от загрязнения непосредственно, поскольку около 50% частиц примеси радиусом 0,01-0.1 мкм, проникающих в легкие, осаждаются в них.

Проникающие в организм частицы вызывают токсический эффект, поскольку они: а) токсичны (ядовиты) по своей химической или физической природе; б) служат помехой для одного или нескольких механизмов, с помощью которых нормально очищается респираторный (дыхательный) тракт; в) служат носителем поглощенного организмом ядовитого вещества.

В некоторых случаях воздействие одни из загрязняющих веществ в комбинации с другими приводят к более серьезным расстройствам здоровья, чем воздействие каждого из них в отдельности. Большую роль играет продолжительность воздействия.

Статистический анализ позволил достаточно надежно установить зависимость между уровнем загрязнения воздуха и такими заболеваниями, как поражение верхних дыхательных путей, сердечная недостаточность, бронхиты, астма, пневмония, эмфизема легких, а также болезни глаз. Резкое повышение концентрации примесей, сохраняющееся в течение нескольких дней, увеличивает смертность людей пожилого возраста от респираторных и сердечно-сосудистых заболеваний. В декабре 1930 г. в долине реки Маас (Бельгия) отмечалось сильное загрязнение воздуха в течение 3 дней; в результате сотни людей заболели, а 60 человек скончались - это более чем в 10 раз выше средней смертности. В январе 1931 г. в районе Манчестера (Великобритания) в течение 9 дней наблюдалось сильное задымление воздуха, которое явилось причиной смерти 592 человек [5, 77].

Широкую известность получили случаи сильного загрязнения атмосферы Лондона, сопровождавшиеся многочисленными смертельными исходами.

В 1873 г. в Лондоне было отмечено 268 непредвиденных смертей. Сильное задымление в сочетании с туманом в период с 5 по 8 декабря 1852 г. привело к гибели более 4000 жителей Большого Лондона. В январе 1956 г. около 1000 лондонцев погибли в результате продолжительного задымления. Большая часть тех, кто умер неожиданно, страдали от бронхита, эмфиземы легких или сердечно-сосудистыми заболеваниями.

В зонах интенсивных пылевых загрязнений возникает ряд специфических заболеваний. К ним, среди прочих, относятся силикоз и асбестоз, приводящие к изменению тканей легких. Силикоз вызывается кварцевой пылью с размерами частиц около 3 мкм. Асбестоз - иглами асбеста длиной более 5 мкм и сечением около 3 мкм. В отличие от химически инертных частиц кварца и асбеста, действующих на организм чисто механически, мельчайшие частицы металлов, или ионы металлов, вызывают образование в крови токсических продуктов биохимических реакций. Особенно распространенными заболеваниями являются токсичные отравления свинцом, кадмием, алюминием, бериллием и их соединениями, а также вспышки инфекционных заболеваний у людей, имевших длительный контакт с пылью вольфрама, ванадия, титана и ряда шлаков металлургических производств. Многие виды пылей антропогенного происхождения являются причинами аллергических заболеваний. При этом аллергенами могут быть пыли как минерального, так и органического происхождения. Гигроскопические пыли могут обезвоживать поверхности листьев растений, образуя на них корку, что нарушает естественные процессы обмена. Отложения ряда пылей препятствуют процессу фотосинтеза, отражая часть лучистой энергии в области длин волн 400-750 нм. Наоборот, пыли, типичные для городов, поглощают инфракрасное излучение, способствуя этим перегреву листьев растений. Все это нарушает нормальный водный и температурный режим и в конечном счете снижает активность ферментов фотосинтеза [5, 109].

Заключение

Охрана природы - задача нашего века, проблема, ставшая социальной. Снова и снова мы слышим об опасности, грозящей окружающей среде, но до сих пор многие из нас считают их неприятным, но неизбежным порождением цивилизации и полагают, что мы ещё успеем справиться со всеми выявившимися затруднениями. Однако воздействие человека на окружающую среду приняло угрожающие масштабы. Чтобы в корне улучшить положение, понадобятся целенаправленные и продуманные действия. Ответственная и действенная политика по отношению к окружающей среде будет возможна лишь в том случае, если мы накопим надежные данные о современном состоянии среды, обоснованные знания о взаимодействии важных экологических факторов, если разработаем новые методы уменьшения и предотвращения вреда, наносимого Природе Человеком.

Список литературы

1. Владимиров А.М. и др. Охрана окружающей среды. Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат 1991.

2. Болбас М.М. Основы промышленной экологии. Москва: Высшая школа, 2003.

3. Е.А. Криксунов. Экология. Учебник, Москва, 1995г.

4. В.В. Глухов, Т. В. Лисочкина, Т. П. Некрасова. Экономические основы экологии: учебник. - Специальная литература. -СПб. - 1995г.

5. Н.Ф. Реймерс. Экология (теория, законы, правила, принципы и гипотезы) - М.: Журнал "Россия Молодая", 1994.