Загрязнение атмосферного воздуха

1. ЗНАЧЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

Воздух - один из основных элементов среды, необходимый всему живому на земле. Без пищи человек может обходиться пять недель, без воды - пять дней, без воздуха - пять минут. Но нормальная жизнедеятельность требует не только наличия воздуха, но и его определенной чистоты. От качества воздуха зависят здоровье людей, состояние животного и растительного мира, прочность и долговечность любых конструкций зданий, сооружений. Загрязненный воздух - источник загрязнения вод, суши, морей, почв.

Основной потребитель воздуха в природе - флора и фауна Земли. Подсчитано, что весь воздушный океан проходит через живые земные организмы, включая человека, примерно за десять лет.

Каково же значение атмосферного воздуха?

Прежде всего, атмосферный воздух - это среда обитания человека и остальных живых организмов.

Атмосфера регулирует тепловой режим Земли, она способствует перераспределению тепла по земному шару. Проникающая через атмосферу лучистая энергия Солнца - практически единственный источник теплоты для поверхности Земли. Лучистая энергия Солнца частично поглощается атмосферой; достигая поверхности Земли, частично поглощается почвой и водоемами, морями и океанами, частично отражается в атмосферу. Если бы не было атмосферы, то ночью и зимой Земля охлаждалась за счет собственного излучения, а летом и днем перегревалась за счет солнечной радиации (так происходит на Луне).

Газовая оболочка - это «одеяло» Земли, предохраняющее ее от чрезмерного остывания и перегревания. Благодаря этому на Земле не бывает резких переходов от мороза к жаре и обратно.

Газовая оболочка - надежный щит, который спасает все живущее на Земле от губительных ультрафиолетовых, рентгеновских и космических лучей. Верхние слои атмосферы частично поглощают, частично рассеивают эти лучи.

Атмосфера защищает нас и от «звездных осколков». Врезаясь в атмосферу на большой скорости (от 11 до 64 км/ч) под действием земного притяжения, они раскаляются за счет трения о воздух и на высоте около 60-70 км большей частью сгорают.

Велико значение атмосферы и в распределении света. Воздух атмосферы разбивает солнечные лучи на миллионы мелких лучей, рассеивает их и создает то равномерное освещение, к которому привык человек.

Атмосфера является той средой, где распространяются звуки. Без воздуха на земле царила бы тишина, мы не слышали бы друг друга, не любовались бы пением птиц и шумом ручья. Не была бы возможна человеческая речь.

В воздушной оболочке, а точнее в ближайшей к поверхности Земли части тропосферы формируется погода, поэтому метеорологи называют его часто «кухней погоды». И, правда, от процессов, которые происходят под влиянием земной поверхности и гидросферы, зависят явления погоды. Движения воздушных масс способствуют образованию ветра, конденсация или замерзание водяного пара вызывают дождь, снег или град. Ионизация воздушных частиц приводит к образованию грозовых разрядов.

Кроме всего сказанного, атмосфера является источником химических элементов. Наша промышленность использует кислород воздуха для нормальной работы мартеновской печи и других промышленных процессов. Азотфиксирующие бактерии усваивают азот воздуха и накапливают его в корневых клубеньках, которые можно легко обнаружить на корневой системе бобовых, обогащая тем самым почву азотом.

Путем разделения воздуха получают промышленный азот и кислород. Около трех четвертей получаемого азота идет на синтез аммиака, он используется также как инертная среда в технологических процессах в черной металлургии, коксохимии, машиностроении и других отраслях народного хозяйства. Жидкий азот находит применение в холодильной промышленности и криогенной технике как активный хладагент.

Жидкий кислород является компонентом ракетного топлива.

Атмосферный воздух используется также как тепло-, электро- и звукоизоляционный материал. Сжатый воздух используется как рабочее тело для совершения механической работы в шахтах, на заводах, автотранспорте. Он работает в различных пневматических машинах, отбойных молотках, в автомобильных шинах, струйных и распылительных аппаратах.

Человеку, животным и растениям кислород дает необходимую энергию для жизни путем биологического окисления в организме различных веществ.

Из воздуха выделяют инертные газы, которые находят широкое применение в науке, технике и промышленности. Это прежде всего гелий, аргон, криптон, ксенон, неон и радон.

Наличие воздушной оболочки придает нашему небу голубой цвет, так как молекулы основных элементов воздуха и различные примеси, содержащиеся в нем, рассеивают главным образом лучи с короткой длиной волны, т.е. фиолетовые, синие и голубые. Иногда цвет неба бывает не чисто голубым. Это зависит от количества и размеров примесей в атмосфере.

Очень долгое время люди считали, что воздух является простым веществом. И только в ХVIII в. французский ученый Лавуазье установил, что воздух является механической смесью различных газов.

Атмосфера Земли, или, как мы ее называем в повседневной жизни, воздух, состоит из постоянных и переменных компонентов. К числу постоянных относятся: азот, занимающий 78,09% объема и 75,53% по массе; кислород соответственно - 20,95% и 23,14%, аргон - 0,93% и 1,28%, углекислый газ - 0,03% и 0,05%. Оставшиеся 0,1% объема занимают инертные газы: неон, криптон, ксенон, радон, гелий, а также водород.

Долгое время считали, что воздух не имеет массы. Только в XVII в. было доказано, что масса 1 м³ сухого воздуха, если его взвесить на уровне моря и при температуре 0 C, равна 1293 г, а на каждый квадратный сантиметр земной поверхности приходится 1033 г воздуха.

Вверху давление воздуха и его масса уменьшаются: на высоте 20 км масса 1м³ воздуха - 43 г, а на высоте 40 км - лишь 4 г.

Ученые подсчитали массу атмосферы Земли, и оказалось, что ее суммарная масса равна 5,15 10¹⁵ т, что в переводе на повседневный язык означает 5 квадрильонов 150 триллионов тонн.

Как показали исследования, основная масса воздуха - 50% - сосредоточена в тропосфере до высоты 6 км. Следующие 25% находятся в слое от 6 до 12 км, 12,5% - на высоте от 12 до 18 км и т.д.

Атмосфера Земли - сложное природное образование. Она имеет оригинальное строение, свою структуру. Прежде всего, атмосфера делится на несколько слоев по высоте, где каждый слой имеет свои особенности. Приземный слой от поверхности суши или океана до высоты 12 - 15 км (8- 10 км в полярных районах и до 16 - 18 км у экватора) составляет тропосферу, за ней до высоты 55 - 60 км расположена стратосфера. Следующий слой называется мезосферой, он достигает 80 - 85 км. За ним находится термосфера, которая простирается до высоты 1000 км. С высоты примерно 70 - 80 км (занимая часть мезосферы и термосферы) расположена ионосфера, распространяющаяся до высоты 450 - 600 км. В научной литературе ионосферу подразделяют на два слоя: нижний - ионосферу и верхний - от 150 до 600 км - магнитосферу. С высоты 1000 км располагается экзосфера, которая постепенно переходит в космическое пространство. Между отдельными слоями (сферами) находятся переходные прослойки от одной сферы к другой, получившие название паузы. Так, между тропосферой и стратосферой находится тропопауза, между стратосферой и мезосферой - стратопауза, следующий переходный слой - мезопауза, а далее, соответственно, термопауза.

Такое деление атмосферы было принято в 1960 г. Международным союзом геодезии и картографии в связи с изменением хода температуры по мере поднятия вверх от поверхности земли.

Нижняя граница атмосферы определяется подстилающей поверхностью суши или мирового океана, а верхняя не имеет четкой границы, так как на высоте ионосферы уже начинается постепенный переход в космическое пространство.

По химическому составу вся атмосфера Земли подразделяется на нижнюю (до 100 км) - гомосферу, имеющую состав, сходный с приземным воздухом, и верхнюю - гетеросферу неоднородного химического состава. Для верхней атмосферы характерны процессы диссоциации и ионизации газов, происходящие под влиянием излучения Солнца.

ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ

Атмосферный воздух никогда не бывает абсолютно чистым. Самый чистый воздух над океаном. В деревнях и селах он содержит пылевидных примесей в 10 раз больше, над поселками и небольшими городами воздух грязнее в 35 раз, а над промышленными центрами плывут облака тяжелого смога. В них содержится пыли в 150 раз больше, чем над океаном. Загрязненный воздух над крупными городами простирается на высоту 1,5 - 2,0 км. Эта плотная шапка задерживает летом до 20 % солнечных лучей, а зимой, когда и так мало света, поглощает половину его.

Воздушный океан обладает способностью к самоочищению от загрязняющих веществ. Аэрозоли вымываются из атмосферы осадками, ионы оседают под влиянием электрического поля атмосферы, а также вследствие гравитации.

В отсутствие атмосферных осадков происходит выпадение аэрозолей в результате соприкосновения нижнего слоя воздуха с земной поверхностью и предметами, расположенными на ней. Вследствие турбулентного перемешивания приземный слой воздуха все время обновляется, поэтому на поверхность отлагается значительное количество аэрозолей. Процессы самоочищения связаны не только с выпадением осадков и образованием нисходящих потоков, но и с другими метеорологическими явлениями.

Всякое загрязнение вызывает у природы защитную реакцию, направленную на его нейтрализацию. Эта способность природы долгое время эксплуатировалась человеком бездумно и хищнически. При этом не возникало и мысли о наносимом ей ущербе. Казалось, что, как ни велика общая масса отходов, она незначительна по сравнению с защитными ресурсами. Однако при все прогрессирующем росте загрязнений становится очевидным, что природные системы самоочищения рано или поздно не смогут выдержать такой натиск.

Способность атмосферы к самоочищению имеет определенные границы. Если они будут превышены, то самоочищение в атмосфере не приведет к полному рассеиванию и разложению примесей. Поэтому большие объемы вредных выбросов в атмосферу вызывают целый ряд неблагоприятных последствий.

Проблема чистоты атмосферы не нова: она возникла вместе с появлением промышленности и транспорта, работающих на угле, а после и на нефти. В течение почти двух столетий задымление атмосферного воздуха носило местный характер, дым и копоть многочисленных фабрик и паровозных труб почти полностью рассеивались на больших пространствах. Однако быстрый и повсеместный рост промышленности и транспорта в нынешнем столетии привел к такому увеличению объемов и токсичности выбросов, что они уже не в состоянии «раствориться» в атмосфере до безопасных для природной среды и человека концентраций.

Прежде чем говорить об источниках загрязнения, необходимо разобраться: что же считать загрязнением.

Загрязнение - привнесение в какую-либо среду или возникновение в ней новых, не характерных для нее физических, химических или биологических веществ, агентов или превышение в рассматриваемое время естественного среднемноголетнего уровня (в пределах крайних колебаний) концентрации перечисленных агентов в среде. По характеру загрязняющих компонентов загрязнения можно разделить на несколько видов: механическое, химическое, физическое, радиационное и биологическое (табл. 1).

Таблица 1. Виды загрязнения

Общее количество загрязнителей, находящихся постоянно в атмосферном воздухе над планетой, составляет примерно 10 млн. т. Причинами наличия в атмосфере такого количества загрязнителей являются как производственная деятельность человека, так и естественные процессы. Последние, как правило, протекают независимо от человека.

В настоящее время в отечественной и зарубежной литературе нет единой классификации источников загрязнения, поэтому мы воспользуемся смешанной классификацией, которая чаще всего используется в литературе (табл. 2) и рассмотрим подробнее некоторые группы и подгруппы источников загрязнения.

Таблица 2. Классификация источников загрязнения воздушного бассейна

Как установлено исследованиями верхних слоев атмосферы, в воздушную оболочку нашей планеты поступает большое количество космической пыли, которая на 25% состоит из железа, кобальта, никеля и на три четверти - из каменистой основы, содержащей натрий, калий, кальций, магний, кремний и алюминий. Ежегодно на поверхность Земли оседает до 10 тыс. т космической пыли. Ее концентрация даже на высоте 10 км превышает концентрацию земных аэрозолей. Космическая пыль поглощает солнечное излучение и служит своеобразным пылевым экраном, влияет на изменение теплового баланса планеты, способствует различным климатическим аномалиям.

На состояние атмосферы влияют также земные источники загрязнения. Это извержения вулканов, выбрасывающих в воздушный бассейн сотни тысяч тонн пепла и газов, которые во взвешенном состоянии переносятся воздушными потоками на большие расстояния. Это - «солнечные дожди», когда во время штормов захватываются большие количества морской водяной пыли, впоследствии превращающейся над континентами в кристаллики солей. Это и колонии микроорганизмов, практически всегда присутствующие в атмосфере всех континентов, и аэрозоли растительного происхождения - пыльца, споры грибов. Они перемещаются на большие расстояния, достигают значительных высот и могут вызвать аллергические заболевания.

Загрязняют воздушный бассейн и лесные пожары. В процессе гниения и брожения органических остатков выделяются органические кислоты, сернистые соединения, сероводород, бикарбонаты, метан, аммонийный азот, угольная кислота и другие соединения. Они принимают самое активное участие в круговороте веществ, осваиваются биосферой, часть их нейтрализуется.

Но кроме природных (естественных) источников загрязнения атмосферы имеются источники техногенные или антропогенные, то есть созданные человеком (искусственные). В этой группе загрязнений следует выделить следующие виды загрязнений.

Выхлопы автотранспорта. Мировой автомобильный парк насчитывает свыше 400 млн. машин, сжигающих огромное количество ценных нефтепродуктов и одновременно наносящих ощутимый вред окружающей среде.

Исследования ученых позволили установить, что выхлопные газы автомобиля представляют собой весьма сложную смесь, в состав которой входит много компонентов, которые можно свести в несколько групп.

В первую группу входят нетоксичные вещества: азот, кислород, водород и водяной пар. К этой же группе может быть отнесен и углекислый газ, содержание которого в выхлопах не представляет опасности для человека.

Ко второй группе относится окись углерода (СО), очень ядовитая и присутствующая в больших количествах (до 12 %).

Третью группу образуют окислы азота, включающие окись (NO) и двуокись азота (NO₂), также весьма ядовитые.

Четвертая, самая многочисленная группа веществ состоит из углеводов, среди которых имеются этилен, ацетилен, метан, пропан, толуол, бензпирен (канцероген) и др.

Пятую группу составляют альдегиды, главным образом ядовитый формальдегид (формалин) и др.

Наконец, в шестую группу можно выделить сажу, которая характерна для выхлопа дизельных двигателей. Она обладает способностью адсорбировать содержащиеся в выхлопах канцерогены.

Количество и состав выхлопных газов зависят от ряда факторов: типа двигателя (карбюраторный, дизельный), режима его работы, количества топлива и т. д. Наименьший выброс - при средней нагрузке и непрерывной работе, наибольший на холостом ходу, при торможении и разгоне.

Воздух городов загрязняется не только выхлопными газами, но и продуктами их окисления - фотооксидантами, часто более ядовитыми, чем исходные компоненты. К числу фотооксидантов относится озон, который в малом количестве полезен, а в большой концентрации представляет сильнейший яд.

Чаще всего в автотранспорте применяется этилированный бензин (с добавками к нему бромистого свинца или тетраэтилсвинца - негорючих, но сильно ядовитых жидкостей). Применение такого бензина улучшает работу мотора и одновременно значительно экономит топливо, но отравляет воздух соединениями свинца. Подсчитано, что суммарный выброс свинца от автомашин мира составляет 300 тыс. т/год.

Вторую группу источников выбросов вредных газов и индустриальной пыли составляют промышленные предприятия.

В черной металлургии процессы выплавки чугуна и стали сопровождаются выбросом в атмосферу различных газов. Выброс пыли в расчете на 1 т чугуна составляет 4,5 кг, сернистого газа 2,7 кг и марганца 0,6 - 0,1 кг. Вместе с доменным газом в атмосферу в небольших количествах выбрасываются также соединения мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, пары ртути и редких металлов, цианистый водород и смолистые вещества.

Агломерационные фабрики также являются значительным источником загрязнения воздуха сернистым газом. Во время агломерации руды происходит выгорание серы из пиритов. Сульфидные руды содержат до 10 % серы, а после агломерации ее остается 0,2 - 0,7 %. Выброс сернистого газа при агломерации может быть принят в размере 190 кг на 1 т руды.

Цветная металлургия загрязняет атмосферный воздух пылью и газами. Выбросы цветной металлургии содержат пылевидные токсические вещества, мышьяк, свинец и др., поэтому они особо опасны.

При получении металлического алюминия путем электролиза с отходящими газами от электролизных ванн в атмосферный воздух выделяется значительное количество газообразных и пылевидных фтористых соединений. При получении 1 т алюминия в зависимости от типа и мощности электролиза расходуется 38 - 47 кг фтора, при этом около 65 % его попадает в атмосферный воздух.

Нефтедобывающая и нефтехимическая промышленность выбрасывает в воздушную среду большое количество углеводородов, сероводородов и дурно пахнущих газов. Выброс в атмосферу вредных веществ на нефтеперерабатывающих заводах происходит главным образом вследствие недостаточной герметизации оборудования. Заводы синтетического каучука выбрасывают в атмосферный воздух такие вредные вещества, как стирол, дивинил, толуол, ацетон, изопрен и др.

Производство цемента и строительных материалов загрязняет атмосферу различной пылью. Сырьем для изготовления цемента служит известняк в смеси с мергелем или глинистыми сланцами. Сырьевая смесь обжигается для получения так называемого клинкера (твердого камневидного материала), который затем дробится и размалывается. Эти процессы сопровождаются интенсивным пылевыделением.

Химическая промышленность включает большую группу предприятий. Основными выбросами от предприятий химической промышленности являются оксид углерода, диоксиды азота, сернистый ангидрид, аммиак, пыль от неорганических производств, органические вещества, сероводород и сероуглерод, хлористые соединения, фтористые соединения и др. Так производство искусственных волокон (например, нейлона) сопровождается выделением токсичного сероуглерода (CS₂) и неприятно пахнущего сероводорода. При производстве бумаги в атмосферу попадают копоть, сернистый ангидрид, сероводород и неприятно пахнущие меркаптаны.

Угольная промышленность загрязняет атмосферу в силу образования отвалов пустой породы (террикоников). Внутри террикоников вследствие самовозгорания длительное время идет горение угля и пирита, сопровождающееся выделением сернистого газа, оксида углерода, продуктов возгонки смолистых веществ.

Что касается пыли, то большое ее количество выбрасывают в атмосферу тепловые электростанции. Они используют самые плохие, низкосортные угли, которые при сгорании дают много золы и значительный процент сернистых соединений. Эти угли сжигаются в пылевидном состоянии, причем много золы выбрасывается с дымовыми газами в атмосферу, а затем осаждается по всей местности в виде черной копоти. Теплоэлектроцентраль средней мощности, сжигающая в сутки 2000 т угля самого низкого сорта, выбрасывает за это же время в воздух около 400 т золы и 120 т сернистого газа.

Третью большую группу источников загрязнения воздушной среды представляют источники, расположенные в сельских местностях. Это животноводческие и птицеводческие фермы; промышленные комплексы по производству мяса; предприятия районного объединения Агропрома; энергетические и теплосиловые предприятия; пестициды, применяемые в сельском хозяйстве. В районе расположения помещений для содержания скота и птицы в атмосферный воздух могут поступать и распространяться на значительное расстояние аммиак, сероводород и другие газы.

К источникам загрязнения атмосферного воздуха относятся склады, в которых происходит протравливание семян пестицидами, и поля, на которые в том или ином виде вносятся пестициды и минеральные удобрения, а также хлопкоочистительные заводы.

Можно выделить еще четвертую группу - это так называемые особые виды загрязнения атмосферы. К ним можно отнести шумовое загрязнение (шум), электромагнитные поля и радиоактивное загрязнение.

Основными источниками шума являются все виды транспорта, промышленные объекты, различного рода громкоговорящие переговорные устройства. Дополнительный шум возникает от работы лифтов, санитарно-технического обслуживания, музыкальных инструментов и телевизоров.

Интенсивное проникновение во все сферы деятельности человека электрорадиотехнических устройств повлекло за собой загрязнение природной среды и, в частности, атмосферы, электромагнитными излучениями (полями). Источниками электромагнитного загрязнения являются радио- и телепередающие устройства, высоковольтные линии, электрифицированный транспорт и радиолокационные установки.

Проблема радиоактивного загрязнения атмосферы возникла с 1945 г. после взрыва сброшенных американскими самолетами бомб на японские города Хиросима и Нагасаки. При взрыве атомных бомб возникает чрезвычайно сильное радиоактивное излучение, которое в разных дозах долгое время поддерживается на огромных пространствах из-за распыления радиоактивных частиц. Из атмосферы радиоактивные продукты вместе с осадками поступают на Землю, заражая почву, водоемы, живые организмы. При этом мелкодисперсная пыль разносится на многие тысячи километров и вызывает глобальное радиоактивное загрязнение атмосферы.