Мониторинг кислотных осадков

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время внимание мировой общественности все чаще привлекает проблема антропогенного загрязнения окружающей среды. Такое внимание к проблеме можно объяснить по-разному, но наиболее правдоподобным объяснением, на мой взгляд, является то, что эта проблема действительно существует и представляет реальную угрозу для жизни человека и вообще всех живых организмов. Нельзя не принимать во внимание и то, что загрязнение окружающей среды наносит огромный ущерб экономике различных государств. На борьбу с загрязнением окружающей среды ежегодно тратятся огромные суммы, однако, в большинстве случаях, и их недостаточно для того, чтобы принципиально что-либо изменить. Именно актуальностью поставленной проблемы обусловлен выбор темы этой работы.

Конечно, в пределах одной работы невозможно полностью рассмотреть проблему загрязнения окружающей среды. Эту проблему вряд ли вообще можно рассмотреть полностью. Поэтому здесь будет рассмотрено загрязнение лишь одной части окружающей среды, а именно атмосферы. Атмосфера, как часть окружающей среды также была выбрана не случайно. Ведь воздух, окружающий нас, является частью атмосферы. Как известно, человек не может прожить без воздуха и пяти минут. Таким образом, с последствиями загрязнения атмосферы сталкивается абсолютно каждый, поэтому эта проблема будет актуальна всегда и для всех людей.

Стоит особо отметить, что, останавливая свой выбор на загрязнении атмосферы, я не отрицаю опасность загрязнения других частей окружающей среды, загрязнение которых не будет рассмотрено в рамках этой работы.

Целью этой работы является подробное рассмотрение проблемы загрязнения атмосферы. При этом загрязнение представлено как совокупность загрязнителей, поэтому рассмотрение проблемы сводится к рассмотрению основных загрязнителей и их влияния на окружающую среду и здоровье человека. Раскрытие проблемы нельзя считать полным, если не указать методы борьбы с загрязнением атмосферы. Эти методы также нашли отражение в конце теоретической части работы.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ (ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ)

§1. Состав атмосферного воздуха и слои атмосферы

Атмосфера - это газовая оболочка, окружающая землю. Чистый сухой атмосферный воздух на 99% состоит из газообразных азота и кислорода. Однако чистый воздух содержит еще несколько компонентов, которые, хотя и присутствуют лишь в незначительных количествах, играют весьма важную роль. Первый из этих компонентов - двуокись углерода (углекислый газ), оказывающая сильное влияние на температуру земной атмосферы. Другой компонент - озон. Важным компонентом воздуха является также водяной пар. Содержание водяного пара колеблется от 0% по объему в сухом воздухе до примерно 4% во влажном воздухе. Пылевые частицы как от промышленных, так и природных источников (например, вулканов) также могут быть весьма существенным компонентом воздуха, хотя обычно присутствуют в относительно небольших количествах. Также в воздухе в очень небольших количествах содержатся аргон и другие инертные газы. Основные компоненты чистого сухого воздуха и их процентные доли приведены в таблице 1.

Таблица 1. Компоненты чистого сухого воздуха.

Кислород, содержащийся в воздухе, жизненно необходим для дыхания растений и животных. Озон обеспечивает защиту от ультрафиолетового излучения Солнца, которое может быть губительно для жизни. Однако и кислород, и озон не всегда входили в состав земной атмосферы.

Ученые считают, что 4,5 - 5 млрд. лет назад атмосфера Земли имела состав, аналогичный составу вулканических выбросов, состоящих в основном из водяного пара, двуокиси углерода и азота. В процессе охлаждения первобытной Земли, когда ее кора постепенно затвердевала, сильные дожди в основном вымыли из атмосферы углекислый газ. Кислород, содержащийся ныне в атмосфере, имел совершенно иной источник происхождения, а именно зеленые растения. Под действием солнечных лучей из кислорода образовался озон.

Компоненты атмосферы далеко неравномерно распределены в ней. Специалисты, изучающие атмосферу, выделяют в ней несколько зон, располагающихся на различных высотах от Земли в зависимости от их температуры.

Самый близкий к поверхности земли слой называется тропосферой. В этом слое высотой 9 - 10 км в основном происходят все те явления, которые мы именует погодой. Именно в этой части атмосферы образуются все осадки в виде дождей, почти все облака и возникает подавляющее число гроз и штормов. Выше располагается стратосфера (около 40 км). Температура в этом слое сначала остается постоянной, а затем начинает повышаться с высотой. В стратосфере сконцентрирована основная часть атмосферного озона, и именно это обстоятельство обуславливает такое повышение температуры. Озон поглощает ультрафиолетовые лучи Солнца, что и вызывает разогрев стратосферы. На высоте более 50 км начинается мезосфера - зона, где температура опять понижается. Наконец, еще выше (более 80 км) над земной поверхностью распложена термосфера, не имеющая определенной верхней границы. В этой области температура вновь увеличивается с высотой.

Наибольшее воздействие человек оказывает на нижние (находящиеся ближе к Земле) слои атмосферы - тропосферу и стратосферу. Именно об их загрязнении пойдет речь в следующих разделах.

§2. Основные загрязнители атмосферы

Загрязнение, согласно принятому ООН определению, - это экзогенные химические вещества, встречающиеся в ненадлежащем месте, в ненадлежащее время и в ненадлежащем количестве. Однако по большому счету загрязнителем может быть любой физический агент, химическое вещество или биологический вид (в основном микроорганизмы), попадающие в окружающую среду или образующиеся в ней в количествах выше естественных. Под атмосферным загрязнением понимают присутствие в воздухе газов, паров, частиц, твердых и жидких веществ, тепла, колебаний, излучений, которые неблагоприятно влияют на человека, животных, растения, климат, материалы, здания и сооружения.

По происхождению загрязнения делят на природные, вызванные естественными, часто аномальными процессами в природе, и антропогенные, связанные с деятельностью человека. С развитием производственной деятельности человека все большая доля в загрязнении атмосферы приходится на антропогенные загрязнения.

Антропогенные источники загрязнения атмосферы делятся на группы: промышленные предприятия, транспорт, бытовое и коммунальное хозяйства. Промышленные источники в свою очередь разделяются по областям, а также по ингредиентам. Роль отдельных источников загрязнения в России оценивается следующим образом: теплоэлектростанции выбрасывают 27% общих поступлений загрязняющих веществ в атмосферу, черная металлургия - 24%, цветная металлургия - 10, нефтедобыча и нефтехимия - 15, автотранспорт - 13, предприятия стройиндустрии - 8, химическая промышленность - 1%.

Воздействие энергетики на состояние воздушного бассейна определяется, главным образом, видом сжигаемого топлива. Выбросы электростанций, потребляющих уголь, составляют 139 млн. кг в год оксидов серы, 21 млн. кг оксидов азота, 5 млн. кг твердых частиц.

Черная и цветная металлургия - следующий по интенсивности источник загрязнения атмосферы. При выплавке чугуна и переработки его на сталь в атмосферу выбрасываются соединения мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, пары ртути, цианистый водород и смолистые вещества. Значительную роль в загрязнении атмосферы играют выбросы сталеплавительных цехов. Преобладающая часть пыли мартеновских печей состоит из триокиси железа и триокиси алюминия.

Воздушные выбросы нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности содержат большое количество углеводородов, сероводорода и дурно пахнущих газов. Выброс в атмосферу вредных веществ на нефтеперерабатывающих заводах происходит вследствие недостаточной герметизации оборудования.

В выхлопах двигателей внутреннего сгорания содержатся окись углерода, оксиды азота, углеводороды, альдегиды, сажа, бенз(а)пирен и некоторые другие загрязнители. Специалисты установили, что один легковой автомобиль ежегодно поглощает из атмосферы в среднем более 4 т кислорода, выбрасывая с отработанными газами примерно 800 кг окиси углерода, около 40 кг оксидов азота и почти 200 кг различных углеводородов.

Производство цемента и строительных материалов также может быть источником загрязнения атмосферы различной пылью. Основные технологические процессы их производства - измельчение и термическая обработка шихт, полуфабрикатов и продуктов в потоках горячих газов, которые сопровождаются выбросом пыли в атмосферу.

Наконец, заводы синтетического каучука выбрасывают в атмосферу такие вредные вещества, как стирол, дивинил, толуол, ацетон, изопрен и др.

После рассмотрения основных источников загрязнения обратимся к характеристике загрязнений теми веществами, которые они выбрасывают в атмосферу.

Загрязнение воздуха оксидами серы. Соединения серы поступают в воздух в основном при сжигании богатых серой видов горючего, таких, как уголь и мазут.

Не все виды топлива содержат значительные количества серы. В углях некоторых сортов содержится всего 0,5% серы, тогда как в других - до 6%. Уголь широко используется в производстве стали, но в первую очередь он применяется как топливо для получения пара и последующего генерирования электрической энергии. Среднее содержание серы в углях, идущих на получение электроэнергии, составляет 2,5%.

При сгорании в топках электростанций каждого миллиона тонн угля выделяется 25 тыс. тонн серы. Разумеется, эта сера выделяется не в элементарной форме, а главным образом в виде сернистого газа - двуокиси серы.

Сера также содержится в сырой нефти, однако ее содержание не превышает 1%. При перегонке нефти большая часть серы из продуктов перегонки, таких, как керосин и бензин, удаляется. Содержащие серу отходы сжигаются в процессе перегонки. Вот почему керосин и бензин делают лишь небольшой вклад в выбросы оксидов серы, попадающих в атмосферу.

При перегонке нефти большая часть серы переходит в мазут - самую тяжелую фракцию перегонки. В нем может содержаться от 0,5 до 5,0% серы, хотя посредством дополнительных процедур перегонки содержание серы в мазуте можно еще уменьшить.

В отличие от нефти и угля природный газ практически не содержит серы. С этой точки зрения газ является экологически чистым топливом.

Таким образом, антропогенные источники выбросов в атмосферу диоксида серы можно выразить следующей диаграммой:

Диаграмма 1.Источники выбросов в атмосферу диоксида серы, %

При сжигании угля или нефти сера, содержащаяся в них, окисляется. Далее, реагируя с водой, она образует серную кислоту. Таким образом, оксиды серы являются одной из причин выпадения кислотных осадков. Считается, также, что высокое содержание оксидов серы в воздухе непосредственно влияет на увеличение заболеваемости людей и даже рост смертности.

Загрязнение воздуха оксидами углерода. При неполном окислении углерода образуется бесцветный, не имеющий запаха газ - окись углерода (угарный газ). В городском воздухе окись углерода содержится в большей концентрации, чем любой другой загрязнитель. Однако, поскольку этот газ не имеет не цвета, ни запаха, наши органы чувств не в состоянии обнаружить его.

Самым крупным источником окиси углерода в наших городах является автотранспорт. Свыше 90% окиси углерода попадает в воздух вследствие неполного сгорания углерода в моторном топливе. Соответствующая реакция такова:

C + Ѕ O2 = CO.

Имеется и другой источник окиси углерода, с которым, правда, сталкиваются только курящие люди и их ближайшее окружение - это сигаретный дым.

Пагубное влияние окиси углерода на здоровье человека заключается в ее способности связывать гемоглобин - белок крови, приносящий кислород к тканям человеческого организма.

Содержание двуокиси углерода (углекислого газа) в атмосфере увеличивается самыми разными путями. При вырубке лесов уничтожаются деревья, которые усваивают углекислый газ в процессе фотосинтеза. При производстве бетона из известняка образуется некоторое количество CO2. Но наиболее существенная часть углекислого газа образуется при сжигании топлива на воздухе. Установлено, что количество углекислого газа в атмосфере с каждым годом увеличивается.

Двуокись углерода в отличие от окиси не представляет прямой угрозы здоровью человека. Однако чрезмерное поступление в атмосферу углекислого газа грозит парниковым эффектом, последствием которого станет глобальное повышение температуры.

Загрязнение воздуха оксидами азота. Окись азота может образовываться в природе при лесных пожарах, однако высокие концентрации оксидов азота в городах и в окрестностях промышленных предприятий связаны с деятельностью человека. При высокотемпературном сгорании ископаемых видов топлива происходит реакции двух типов, в результате которых образуются оксиды азота. К первому типу реакций относится реакция между кислородом воздуха и азотом, содержащимся в топливе; при этом образуются оксиды азота. В угле содержание азота обычно составляет около 1%. В нефти и газе - всего лишь 0,2 - 0,3%; именно этот азот окисляется кислородом воздуха.

Ко второму типу реакций относятся реакции между кислородом воздуха и азотом, содержащимся в воздухе; при этом также образуются оксиды азота. Поэтому, даже если в исследуемом топливе вообще не содержится азот, все равно при его горении образуются оксиды азота. Оксиды азота образуются при сгорании любых видов топлива - природного газа, угля, бензина или мазута. Приблизительно 95% годового выброса оксидов азота в атмосферу - это результат сжигания ископаемого топлива. Около 40% общего объема выбросов приходится на автомобили и другие виды моторного транспорта. Примерно 30% приходится на сжигание природного газа, нефти и угля в топках электростанций. Сжигание ископаемого топлива для осуществления различных производственных процессов в промышленности добавляет еще 20%. Производство взрывчатых веществ и азотной кислоты - еще два источника выбросов оксидов азота в атмосферу, правда, не связанные со сжиганием топлива. Приведенные данные можно представить в виде следующей диаграммы:

Диаграмма 2. Источники выбросов в атмосферу оксидов азота, %

При использовании трех основных видов ископаемого топлива сжигание природного газа (во всех видах применения) дает примерно 20% общего объема выбросов оксидов азота, сжигание угля - 25%, а нефти - 47%.

Примерно 90% оксидов азота образуется в форме окиси азота (NO). Оставшиеся 10% приходится на двуокись азота (NO2).

Большая часть данных о влиянии оксидов азота на здоровье человека относится к двуокиси азота. Исходно двуокись азота составляет лишь 10% выбросов всех оксидов азота в атмосферу; однако в ходе сложной последовательности химических реакций в воздухе значительная часть окиси азота превращается в двуокись азота - гораздо более опасное соединение.

Помимо прямого воздействия на организм человека, оксиды азота способны вступать в фотохимические реакции, в результате которых образуются новые загрязнители воздуха, в том числе озон, альдегиды, а также необычные органические соединения. Двуокись азота также способна реагировать с водой с образованием азотной кислоты. В результате выпадают кислотные осадки.

Загрязнение воздуха частицами. Частицы, взвешенные в воздухе, - еще одно серьезное загрязнение атмосферы. В отличие от других загрязнений частицы очень разнородны по своему химическому составу. В воздухе находятся в виде взвеси многие твердые и жидкие компоненты, весьма различные по происхождению. Движение транспорта, сжигание топлива, промышленные процессы и выбросы твердых отходов - все эти источники дают вклад в загрязнение атмосферы твердыми частицами.

При сгорании угля образуются твердые частицы, диспергированные в воздухе, причем не только частицы золы (силиката кальция) и частицы углерода (сажа), но также частицы оксидов металлов, таких, как оксиды кальция и железа.

Количество частиц, поступающих в атмосферу при сгорании угля, чудовищно велико. Однако большая часть этих частиц удаляется вместе с отходящими дымовыми газами. При сжигании нефти в качестве топлива образуется лишь незначительное количество частиц.

При сгорании бензина и дизельного топлива в воздух попадают капли жидкого горючего. Жидкие углеводороды (соединения углерода с водородом) и жидкие производные углеводородов попадают в атмосферу из-за неполного сгорания в двигателях бензина и дизельного топлива. Еще один тип загрязнений появляется в результате происходящих в воздухе фотохимических реакций между окисью азота и углеводородами. Продукты этих фотохимических реакций представляют собой жидкие органические соединения, которые рассеиваются в воздухе в виде мельчайших капелек. Огромные скопления в воздухе твердых частиц и мельчайших капелек называют смогом.

Открытые разработки угля и других полезных ископаемых загрязняют воздух огромными количествами частиц. Обогащение и обработка руд и выплавка металлов - дополнительные примеры промышленных процессов, при которых в воздух выделяется большое количество частиц. Различные процессы обработки материалов (дробление, размалывание, резание, сверление и т.п.) также служат источниками загрязняющих воздух частиц. Все эти производственные процессы, вместе взятые, могут привести к большим выбросам частиц в атмосферу, чем сжигание угля.

В недавнем прошлом при строительстве зданий в воздух попало много частиц асбеста, который широко применялся для изоляции швов и обычно наносился путем распыления. Асбест и сейчас продолжает загрязнять атмосферу, когда сносятся старые постройки.

Наконец, сжигание мусора и отходов в некоторых городах оказывается серьезным источником частиц, особенно в том случае, если установки для сжигания сосредоточены в одном месте.

К особому типу частиц следует отнести соединения тяжелых металлов, особенно свинца. Свинец особо опасен для здоровья человека, так как является кумулятивным ядом (постепенно накапливается в организме). При этом для свинцового отравления необходимо очень небольшое количество свинца. Более подробно воздействие свинца и других частиц на здоровье человека и состояние окружающей среды будет рассмотрено в следующей главе.

Радиоактивное загрязнение. Главными источниками радиоактивного загрязнения окружающей среды являются испытания ядерного оружия, аварии на атомных электростанциях и на предприятиях, а также радиоактивные отходы. Естественная радиоактивность, включая радон, также вносит вклад в уровень радиоактивного загрязнения.

Ядерные взрывы по общепринятой классификации подразделяют на наземные (на поверхности Земли или небольшой высоте), воздушные, высотные, космические, подводные и подземные. Наиболее опасными в настоящее время стали наземные взрывы большой мощности, поскольку радиоактивные продукты выбрасываются в тропосферу в значительных количествах и оседают на поверхности Земли. В результате огромные территории суши и океана подверглись антропогенному радиоактивному загрязнению, уровень которого в ряде районов значительно превышает природный фоновый уровень.

По некоторым данным СССР произвел 715 ядерных взрывов, а США - 1032. Помимо СССР и США ядерные взрывы производили Великобритания (совместно с США), Китай, Франция, Индия и Пакистан.

Новым явлением, атрибутом XX века, стали аварии на атомных электростанциях (АЭС). Первые и на АЭС и на атомных предприятиях произошли в 1957 г.: в Уиндскейле (Великобритания) и на Южном Урале (предприятие «Маяк», СССР). В 1967 г. снова случилась авария на предприятии «Маяк», а в 1983 г. авария на атомной станции в Три-Майл-Айленде (США). Крупнейшей аварией XX столетия считают Чернобыльскую (1986 г.). Она не только привела к радиоактивному загрязнению огромных территорий, облучению многих миллионов людей, но и нанесла огромный моральный вред обществу, которое потеряло веру в надежность атомной энергетики в целом.

Немалую роль в радиоактивном загрязнении играет естественный радиоактивный фон. Он воздействует на каждого человека, даже на того, который не соприкасается в работе с АЭС или ядерным оружием. Все мы за свою жизнь получаем определенную дозу радиации, 73% которой приходится на излучения природных тел (например, гранита в памятниках, облицовке домов и пр.), 13% - на медицинские процедуры (в первую очередь от посещения рентгеновского кабинета) и 14% - на космические лучи.

Загрязнение воздуха фреонами. Когда фреон был впервые синтезирован (в конце 20-х гг.), его применение казалось особо перспективным: безвредный, нетоксичный, инертный, дешевый газ. Однако уже во второй половине 70-х гг. была высказана идея о том, что фреоны представляют огромную опасность для озонового слоя земли. Через некоторое время эта предположение было полностью подтверждено.

Фреоны (хлорфторметаны) широко применяются в химии и быту: холодильниках, кондиционерах, аэрозольных упаковках. Сами по себе они не токсичны, но весьма стойки и рано или поздно за счет турбулентных движений воздуха попадают в стратосферу. Там, на высоте 20 - 25 км, где содержание озона максимальное, фреоны распадаются под действием солнечного ультрафиолета с образованием свободного хлора. Последний усиливает процесс естественного разрушения озона. Часто говорят, что одной молекулы хлора достаточно, чтобы уничтожить до 10 тыс. молекул озона (по другим оценкам - до 100 тыс.). Тем более что фреоны, попавшие в атмосферу, могут существовать в ней очень длительное время.

Кроме уничтожения озона фреоны оказывают влияние на развитие парникового эффекта. Так каждая молекула фреона (состоящая из атомов хлора, фтора и углерода), по данным американских ученых, в 20 тыс. раз более эффективна в удержании тепла, чем двуокись углерода.

§3. Последствия загрязнения атмосферы. Влияние загрязнителей на окружающую среду и здоровье человека

В предыдущей главе были рассмотрены основные загрязнители атмосферы. Теперь рассмотрим последствия, которыми угрожает нам загрязнение атмосферы.

Все последствия загрязнения атмосферы можно условно разделить на две группы: первичные и вторичные. Первичные последствия - это воздействия непосредственно загрязнителей в их исходном виде, не претерпевших никаких изменений. Вторичные последствия - результат последовательности химических реакций, приводящих к образованию новых, зачастую еще более опасных веществ, или же разрушению других веществ, в последствие ведущему к негативным результатам (как в случае с озоновыми дырами).

Рассмотрим вначале первичные последствия.

Считают, что высокое содержание оксидов серы в воздухе непосредственно влияет на увеличение заболеваемости людей, а по некоторым оценкам и рост смертности. Во всех случаях катастрофического загрязнения атмосферы, например, в Нью-Йорке, Осаке и Лондоне исследователи неизменно отмечали увеличение смертности вслед за периодами высоких концентраций оксидов серы в воздухе. Воздействие на здоровье людей оксидов серы и пылевых частиц трудно отделить друг от друга, поскольку оба эти типа загрязнений обычно действуют совместно.

Отмечено, что заболевания дыхательных путей, например, бронхиты, учащаются при повышении уровня оксидов серы в воздухе. В одном из исследований было обнаружено, что даже в районе, где средняя годовая концентрация оксидов серы составляла всего 100 мкг * м-3, количество заболеваний заметно возросло. Оксиды серы вызывают затруднение дыхания из-за возрастающего сопротивления проходу воздуха по дыхательным путям. Уже одно это может служить достаточным основанием для борьбы с выбросами оксидов серы в атмосферу. Однако двуокись серы дает и дополнительный эффект. В экспериментах на крысах было показано, что этот газ оказывается канцерогеном. В присутствии бенз(а)пирена двуокись серы увеличивает частоту появления раковых опухолей.

Неблагоприятные воздействия на растения приписывают, в основном, производным двуокиси серы (например, серной кислоте), однако доказана и возможность непосредственного воздействия оксидов. Особо чувствительны к повреждениям от оксидов серы фруктовые деревья, а также лесные, такие как сосна и лиственница. Весьма чувствительны к оксидам серы хлопчатник, люцерна и ячмень.

Влияние окиси углерода на здоровье людей. Более 10 лет ученые подозревали, что концентрации окиси углерода, обнаруженные в городах являются опасными для здоровья. Но только за последние несколько лет были получены необходимые данные для надежных выводов. Теперь мы знаем, что окись углерода, содержащаяся в воздухе, представляет реальную опасность для здоровья.

В атмосфере с большим содержанием окиси углерода наступает смерть от удушья. Это другой способ доказать, что ткани тела умирают от кислородного голодания. При меньших концентрациях окиси углерода отмечаются другие, более тонкие эффекты.

Чтобы осознать опасность малых концентраций окиси углерода, необходимо ознакомиться с процессом переноса кислорода к тканям тела. Кислород поступает в легкие при каждом вдохе. В альвеолах кислород переходит в кровяное русло. В крови кислород присоединяется к гемоглобину, сложным белковым молекулам, содержащимся в красных кровяных тельцах (эритроцитах). Эритроциты разносят связанный с гемоглобином кислород через сеть артерий и капилляров по всему телу. В капиллярах кислород через их стенки попадает в клетки тканей тела.

Эта нормальная картина переноса нарушается, когда во вдыхаемом воздухе присутствует окись углерода. Даже очень малые количества окиси углерода обрывают перенос кислорода, поскольку ее молекулы присоединяются к гемоглобину в 200 раз легче, чем кислород. Окись углерода, прочно связанная с гемоглобином, оттесняет кислород от его переносчика к клеткам тканей. Чем больше окиси углерода содержится в воздухе, тем больше гемоглобина прочно связывается с ней и становится неспособным переносить кислород. Гемоглобин, соединившийся с окисью углерода, называется карбоксигемоглобином. Даже очень малые количества газообразной окиси углерода в воздухе приводят к образованию большого количества карбоксигемоглобина в крови.

Данные о воздействии на здоровье людей низких концентраций окиси углерода были получены в экспериментах, а не в результате фактических наблюдений. Использование экспериментальных данных оказалось необходимым, поскольку при высоких концентрациях окиси углерода в уличном воздухе концентрации других загрязнений обычно также высоки, и их эффекты невозможно разделить.

У людей с повышенным содержанием карбоксигемоглобина наблюдаются два важных симптома. Один из них - снижение способности воспринимать сигналы, поступающие из внешней среды. Такое снижение измеряли с помощью ряда тестов. Например, испытуемых просили сообщить о звуковых сигналах. При уровнях карбоксигемоглобина в пределах 3 - 5% от общего гемоглобина сигналы часто не воспринимались. Способность определять, какой из двух тонов является более продолжительным, уменьшается, когда содержание карбоксигемоглобина составляет 2,5 - 4%. Нарушаются также процессы мышления. Простые тесты, такие, например, как сложение столбца чисел, требуют больше времени для завершения по мере увеличения уровня карбоксигемоглобина в крови. Ослабевает способность различать повышение яркости света. В тесте на восприятие яркости дается меньше правильных ответов даже тогда, когда уровни карбоксигемоглобина невысоки и не превышают 3%.

В экспериментальных ситуациях с повышением уровня карбоксигемоглобина до 10% навыки, необходимые для управления автомобилем, оказывались нарушенными; реакции на появление стоп-сигнала и на скорость едущего впереди автомобиля ослабевали. Возможное влияние такого состояния на безопасность движения очевидно. На скоростных автострадах уровень окиси углерода может подниматься до значений, при которых серьезно нарушаются навыки вождения.

Врачи давно подозревали, что окись углерода может быть причиной сердечных приступов, поскольку было обнаружено, что между числом сердечных приступов и повышением концентрации окиси углерода существует прямая связь. Теперь это подозрение подкрепилось новыми данными о людях, страдающих стенокардией.

Стенокардия - это хроническая болезнь сердца с характерными болями в груди; правда, она менее опасна, чем острый спазм сердечных сосудов (инфаркт), непосредственно угрожающий жизни. С лицами, страдающими стенокардией, были проведены тесты на их восприимчивость к окиси углерода. Сначала этих людей просили вдыхать воздух с окисью углерода, концентрация которой была достаточна для увеличения содержания карбоксигемоглобина до 3%; потом их просили выполнять физические упражнения. В этих условиях приступ стенокардии начинался быстрее, чем в нормальных; кроме того, приступ продолжался дольше, чем обычно.

Стенокардия - лишь один из видов болезней сердца. Как известно, окись углерода уменьшает перенос кислорода к тканям. Ткань, которая особенно чувствительна к недостатку кислорода, - это миокард (сердечная мышца). Эксперименты, проведенные на больных, страдающих стенокардией, свидетельствуют в пользу предположения о том, что окись углерода может быть отнесена к агентам, вызывающим сердечные приступы.

Воздействие двуокиси азота на здоровье человека. Как уже говорилось выше, наибольшую опасность для здоровья человека представляет двуокись азота, поэтому далее будет рассмотрено воздействие именно этого газа.

Двуокись азота - газ с неприятным запахом. Даже при малых концентрациях, составляющих всего 230 мкг * м-3, примерно треть добровольцев, участвовавших в эксперименте, ощущала его присутствие. Однако способность обнаруживать этот газ пропадала после 10 мин вдыхания, но при этом люди сообщали о чувстве сухости и «першеннии» в горле. Правда, и эти ощущения исчезали при продолжительном воздействии газа в концентрации, в 15 раз превышающей порог обнаружения, упомянутый выше.

Двуокись азота не только воздействует на обоняние. Она ослабляет ночное зрение - способность глаз адаптироваться к темноте. Зрительные и обонятельные ответы на воздействие двуокиси азота можно назвать сенсорными эффектами. Однако более важными следует считать патологические и функциональные эффекты двуокиси азота.

Были отмечены два функциональных эффекта двуокиси азота. Один из них связан с повышением усилий, затрачиваемых на дыхание; врачи называют это явление повышенным сопротивлением дыхательных путей.

Кроме того, данные, полученные группой чешских ученых, показали, что, как и окись углерода, газообразная двуокись азота может связываться с гемоглобином, делая его, таким образом, неспособным выполнять функцию переносчика кислорода к тканям тела.

В многочисленных исследованиях было отмечено увеличение заболеваний дыхательных путей в районах, загрязненных двуокисью азота. Хотя мы и говорим о двуокиси азота как о причинном факторе, более точно было бы сказать, что двуокись азота делает людей более восприимчивыми к патогенам, вызывающим болезни дыхательных путей.

Исследователи также пытались найти связь между присутствием двуокиси азота в атмосфере и повышенной смертностью. Статистический анализ показал, что в районах, где в воздухе содержится большое количество двуокиси азота, наблюдается более высокая смертность от сердечных заболеваний и рака. Однако следует все же сказать, что наличие других загрязнителей делают сомнительной надежность полученных выводов.

Люди с хроническими заболеваниями дыхательных путей, такими, как эмфизема легких или астма, а также лица, страдающие сердечно-сосудистыми заболеваниями, могут быть более чувствительны к прямым воздействиям двуокиси азота. У лиц, страдающих хроническими сердечно-сосудистыми заболеваниями и заболеваниями дыхательных путей, легче развиваются осложнения при кратковременных респираторных инфекциях; эти осложнения могут быть весьма опасными, например воспаление легких

Физические и биологические эффекты, вызываемые частицами. Частицы из воздуха могут оседать на поверхностях, придавая им пыльный неприглядный вид. Помимо запыления, частицы способны вызывать коррозию, действуя как центры, вокруг которых развиваются коррозионные процессы. Частицы оказывают заметное воздействие на погоду. Они могут служить ядрами, на которых конденсируется водяной пар. Продолжительные туманы могут быть вызваны высокими уровнями содержания частиц в воздухе. В районах повышенного содержания частиц в атмосфере наблюдаются более частые дожди. Кроме того, частицы в атмосфере способны отражать обратно в космическое пространство солнечную энергию, поступающую на землю.

Твердые частицы и оксиды серы часто появляются вместе в больших концентрациях. Это связано с тем, что у них общий источник: сжигание угля. Известно при этом, что оксиды серы и твердые частицы в воздухе усиливают действие друг друга. Это означает, что когда и те, и другие присутствуют в достаточно больших количествах, их воздействие на здоровье людей становится более опасным, чем когда они присутствуют порознь.

Оксиды серы и пылевые частицы существенно осложняют болезни дыхательных путей. Долгое время было непонятно, почему оксиды серы особо опасны именно в присутствии частиц. Теперь этот феномен окончательно изучен и объясняется следующим образом. Частицы действуют как ядра, на которых происходит конденсация паров воды. Оксиды серы быстро растворяются в капельках воды, образуя кислый, все разъедающий туман. Именно этот туман из капелек серной кислоты вызывает у людей заболевания и порой приводит к смерти.

Было бы неверно сказать, что частицы сами по себе не оказывают влияния на здоровье человека. Частота респираторных инфекций, таких, как катары верхних дыхательных путей и бронхиты, возрастает при увеличении содержания частиц в воздухе. Кроме того, было доказано, что при высоких концентрациях частиц число смертей по сравнению с усредненным числом для данного времени года возрастает. Существует также мнение, что помимо стимулирования респираторных заболеваний, частицы являются канцерогенами.

Особым видом частиц являются соединения свинца (стоит отметить, что свинец не всегда относят к частицам - иногда его классифицируют как отдельный загрязнитель). Свинец обнаружен в воде и в пище в следовых количествах. Он также содержится в старой краске, покрывающей дома, Наконец, свинец присутствует в воздухе, поскольку в состав автомобильного бензина входят его соединения, добавляемые туда для более равномерного сгорания горючей смеси.

Свинец - кумулятивный яд, иными словами, он постепенно накапливается в организме человека, поскольку скорость его естественного выведения очень низка. Присутствующий в атмосфере свинец непрерывно добавляется к тому количеству, которое уже содержится нашем организме. Свинец уменьшает скорость образования эритроцитов в костном мозге; он также блокирует синтез гемоглобина.

У маленьких детей пороговый уровень составляет половину уровня для взрослых, поэтому они оказываются гораздо более чувствительными к отравлению свинцом. За многие годы уровень свинца в организме детей постепенно подошел слишком близко к порогу токсичного действия.

Воздух в городах заполнен частицами свинца, образующимися при сгорании бензина, в который добавлены соединения этого металла. При вдыхании эти частицы попадают в легкие.

Свинцовое отравление может закончиться смертью, однако в случаях средней тяжести дети оказываются умственно отсталыми. Даже при содержании свинца ниже порогового, по-видимому, происходит ослабление способности к учебе. Как свидетельствуют проведенные исследования, свинец способен вызывать рак у крыс; полагают, что подобный эффект может наблюдаться и у человека. Правда, этот факт плохо обоснован, поскольку быстро развивающиеся симптомы воздействия свинца достаточно сильны и маскируют медленно наступающие изменения.

Последствия радиоактивного загрязнения. Опасность радиоактивного загрязнения зависит от многих факторов, которые существенно различаются при ядерных взрывах и авариях: параметров смеси радионуклидов до и в момент выброса, характера первичных источников радиоактивности - радиоактивных облаков различного типа, длительного функционирующих струй при истечении радиоактивности, образование аэрозолей - носителей радиоактивности, путей распространения радионуклидов в атмосфере и выпадения на местности, свойств подстилающей поверхности.

Следует обратить внимание на различия в последствиях после ядерных взрывов и аварий на АЭС. Средства массовой информации часто путают эти события, сообщая о взрыве на АЭС. Ядерный взрыв несет в себе пять составляющих: световое излучение, аэродинамический удар, проникающую радиацию, радиационное загрязнение и электромагнитное возмущение. При аварии на АЭС происходит только радиационное загрязнение, хотя оно значительно больше, чем при ядерном взрыве, вследствие того, что если реактор мощностью 1 мегаватт проработал всего год, в нем содержится почти 1 т продуктов деления, а также все радиоактивные изотопы урана, плутония, нептуния, америция и др.

Наиболее распространенные единицы измерения радиоактивности - рентген, бэр и рад. Рентгенами измерят гамма-излучение, бэрами - любое излучение. Количество потребленной энергии излучения, отнесенной к единице массы тела, выражают в радах. Для измерения мощности излучения эти единицы относят к единице времени (секунда, час, сутки, неделя, месяцы, годы).

За жизнь (70 лет) человек может без большого риска, набрать радиацию в 35 бэр (7 бэр от естественных источников, 3 бэра от космических источников и рентгеновских аппаратов). В зоне Чернобыльской АЭС в наиболее загрязненных участках можно получить до 1 бэра за час. Мощность излучения на кровле в период тушения пожара на АЭС достигала 30 тысяч рентген в час и потому без радиационной защиты (свинцового скафандра) смертельную дозу облучения можно было получить за 1 минуту.

Часовая доза радиации, смертельная для 50% организмов, составляет 400 бэр для человека, 1000-2000 - для рыб и птиц, от 1000 до 150 тыс. - для растений и 100 тыс. бэр для насекомых. Таким образом, самое сильное радиационное загрязнение - не помеха для массового размножения насекомых. Из растений наименее устойчивы к радиации деревья и наиболее устойчивы травы.

Помимо непосредственной угрозы жизни человека радиации приписывают и другие эффекты (такие как генные мутации, увеличение заболеваемости раком, злокачественные новообразование и пр.). Однако все данные о влиянии радиации на живой организм довольно противоречивы. Так, например, у жителей Японии, перенесших атомную бомбардировку, не было обнаружено генетических эффектов радиации. Статистически значимого превышения уровня заболеваемости раком, в частности лейкемией, после Чернобыльской аварии не выявлено, но четко выявляются случаи злокачественных новообразований щитовидной железы вследствие мощного воздействия радиоактивного йода.

Далее рассматриваются вторичные последствия загрязнения атмосферы.

Кислотные дожди. Сначала в Скандинавских странах, затем на северо-востоке США и юго-востоке Канады, потом в Северной Европе, на Тайване и в Японии ученые обнаружили, что дождевая вода - казалось бы, самая чистая вода в природе - содержит все большее количество кислот. Кислотный дождь - это результат присутствия в атмосфере оксидов серы и оксидов азота. Как уже отмечалось выше, оксиды серы поступают в воздух при сжигании ископаемых видов топлива, содержащих серу. Оксиды азота также образуются при сжигании ископаемых видов топлива, но их основным источником, видимо, оказывается сам воздух, поскольку ископаемое топливо, как правило, азота в больших количествах не содержит.

Двуокись серы и окись азота в атмосфере быстро вступают в химические реакции. Двуокись серы окисляется до трехокиси, которая затем растворяется в капельках воды с образованием серной кислоты. Окись азота окисляется до двуокиси, которая тоже растворяется в капельках воды с образованием азотной кислоты. Эти две кислоты, а также соли этих кислот и обусловливают выпадение кислотных дождей. Чем выше содержание этих кислот в воздухе, тем чаще выпадают кислотные дожди.

Наиболее очевидное влияние кислотные дожди оказывают на популяции рыб в озерах, вода в которых стала кислой. В зависимости от закисленности воды количество рыбы в озере может либо уменьшиться, либо она может полностью исчезнуть. Но нельзя считать, что взрослая рыба просто погибает из-за повышенной кислотности воды. Сильно закисленные воды не позволяют рыбе нормально размножаться. Самки могут оказаться не способными выметывать икру в кислой воде; если же икра все-таки попадет в воду, то она либо погибает, либо, если мальки все же вылупятся, они гибнут. В результате в озерах с закисленной водой мы не встречаем молоди, а только взрослых особей.

Ученые предсказывают, что из-за воздействия кислотных дождей будет сокращаться численность не только рыбы, но и земноводных. Многие из них размножаются во временных водоемах, возникающих в период весенних дождей; вода в них может быть даже более кислой, чем в озерах, поскольку эти временные водоемы образованы только дождевой водой с повышенной кислотностью.

Кислотные дожди отрицательно воздействуют не только на животных, но и на растения. Самый яркий пример этого воздействия - деградация лесов. Термин деградация лесов имеет два значения. Он может просто означать замедление роста деревьев, что выражается в уменьшении толщины годичных колец на срезе ствола. Формально это звучит так: «снижение продуктивности леса». Другое значение термина деградация лесов - это реальное повреждение деревьев или даже их гибель. Сейчас площадь лесов, поврежденных кислотными дождями, исчисляется миллионами гектаров. Деградация лесов отмечена в Германии, Чехословакии, Австрии, Швейцарии, Швеции, Голландии, Румынии, Великобритании, США и многих других странах. Причем масштабы этой деградации огромны. В Германии, например, повреждения уже получили от 50 до 75% лесов.

Большой вред кислотные дожди наносят и сельскому хозяйству. В результате выпадения кислотных осадков снижается продуктивность почв, сокращается поступление питательных веществ. Но кислота способна воздействовать на сельскохозяйственные культуры не только через почву, но и напрямую. Эксперименты, проведенные американскими специалистами, установили прямую зависимость между кислотностью воды и состоянием сельскохозяйственных культур, особенно в период их максимальной восприимчивости (в период опыления). При этом выяснилось, что не все растения обладают одинаковой восприимчивостью к воздействию кислотных дождей.

Ученые пока не обнаружили прямого воздействия кислотных дождей на здоровье людей, но возможность этого, несомненно, существует. Эта возможность связана с повышенной способностью подкисленной воды растворять или каким-то иным путем действовать на различные минералы. Ртуть, содержащаяся в природных водоемах, может под влиянием кислой среды превратиться в ядовитую монометиловую ртуть. Рыбы будут накапливать это соединение ртути в своих тканях. Как известно, ртуть - сильный яд для человека, и отравления рыбой, зараженной ртутью уже происходили.

Если водохранилища, откуда забирается питьевая вода, становятся более кислыми, то токсичные металлы из труб, пробок и т.п. могут растворяться в ней и попадать в воду, потребляемую человеком. Кроме того, подкисленная питьевая вода способна растворять свинец, содержащийся в водопроводных системах.

Кислотные дожди также повреждают строительные растворы и камень, реагируя с кальцием и магнием, входящими в состав этих материалов. Особому риску подвергаются незаменимые скульптуры. Строительные конструкции из железа и других металлов также очень восприимчивы к коррозии, вызываемой кислотными дождями.

Озоновые дыры. Озон жизненно необходим для человека и других живых существ, населяющих освещенную солнцем Землю, поскольку он определяет температурную стратификацию атмосферы и одновременно защищает от интенсивной ультрафиолетовой радиации. Однако это утверждение верно лишь для стратосферного озона. Озон, находящийся в тропосфере считается загрязнителем. Поэтому далее речь пойдет о стратосферном озоне.

Анализ причин убыли озона из атмосферы имеет свою историю. Вопрос возник после сообщения о том, что в южнополярной зоне над Антарктидой обнаружена озоновая дыра - область, где в весенние месяцы катастрофически убывает озон. Размеры дыры были сопоставимы с территорией США.

Исследования со спутников и самолетов показали, что над Антарктидой весной озон почти весь разрушается на уровнях 12-13 и 25 км. Механизм разрушения озона и образования озоновых дыр представляется следующим образом. Преобладание низких температур приводит к конденсации воды и азотной кислоты и образованию «полярных стратосферных облаков». Радикалы фреонов «примерзают» к ледяным облакам; весной, когда появляется солнце и ледяные облака нагреваются, фреоны отрываются и разрушают озон. Вследствие слабой циркуляции воздуха над Антарктидой (континент приподнят на 3-4 км по сравнению со средними широтами) образуются огромные озоновые дыры. Летом приток воздуха из средних и тропических широт восстанавливает содержание озона в атмосфере. Обоснованность всей цепочки событий, приводящей к активизации хлора фреонов, подтверждена измерениями, которые показали значительное увеличение концентрации «хлорина» в нижней стратосфере в холодных регионах, совпадающее с быстрым уменьшением концентрации озона.

Аномалии озона - как по уровню его дефицита, так и по размерам затронутой территории, наблюдались в России в 1995 и 1998 гг. По данным Росгидромета, в феврале 1995 г. над всем Северным полушарием, а особенно над рядом районов Восточной Сибири, вплоть до Урала, зарегистрировано рекордное уменьшение концентрации озона - до 40%, сохранявшееся в течение 25 суток. К середине марта в отдельных районах оно достигало 50%. По сравнению с началом десятилетия произошло смещение районов наибольшего дефицита озона из западных областей СНГ в Сибирь и Якутию.

Размер озоновой дыры над Южным полушарием в 1995 г. составил 10 млн. км2, что по площади равно Европе и в два раза больше дыры в 1993 - 1994 гг.

В 1998 г. уменьшение концентрации озона над Антарктидой оказалось рекордным; весной площадь озоновой дыры превышала 10 млн. км2, а осенью - 25 млн. км2.

Наиболее опасные для человека последствия истощения озонового слоя - увеличение числа заболеваний раком кожи и катарактой глаз.

Согласно официальным данным ООН, сокращение озонового слоя всего на 1% означает появление в мире 100 тыс. новых случаев катаракты и 10 тыс. случаев рака кожи. По оценкам специалистов АОС США, каждый процент снижения содержания озона в атмосфере может привести увеличению заболеваемости, прежде всего в экваториальной зоне, на 4 - 5%, снижению иммунитета как у человека, так и у животных.

Помимо негативного влияния на здоровье, истощение озонового слоя приводит к усилению парникового эффекта, снижению урожайности, деградации почв, общему загрязнению окружающей среды.

Фотохимический туман. Для фотохимических реакций требуется световая энергия. Некоторые загрязнители атмосферы - оксиды азота и углеводороды - вступают в фотохимические реакции. В результате образуются новые загрязнители воздуха, в том числе озон, альдегиды, а также необычные органические соединения. Эти новые загрязнители в сумме определяют фотохимическое загрязнение воздуха, поскольку они появляются в результате фотохимических реакций.

Уровни фотохимического загрязнения воздуха тесно связаны с режимом движения автотранспорта. В периоды высокой интенсивности движения утром и вечером отмечается пик выброса в атмосферу оксидов азота и углеводородов. Именно эти соединения, вступая в реакции друг с другом, обусловливают фотохимическое загрязнение воздуха.

Азот и кислород соединяются в условиях высокой температуры, развивающейся при сгорании горючего в автомобильных двигателях, образуя газообразную окись азота, которая попадает в атмосферу с выхлопными газами. Постепенно практически вся окись азота окисляется до двуокиси. Позднее по мере уменьшения содержания двуокиси азота растет концентрация третьего газа - озона. Через некоторое время содержание озона в воздухе также начинает убывать.

Реакции, в ходе которых возникают высокие концентрации двуокиси азота и озона, пока не совсем понятны. Тем не менее кое-какие ключевые связи уже надежно выяснены. Возможность для протекания сложных фотохимических реакций создают присутствие углеводородов и фотохимические свойства двуокиси азота. В течение некоторого периода времени этот набор реакций создает типичную картину уровней различных загрязнителей. Содержание окиси азота повышается в период высокого уровня выбросов выхлопных газов в атмосферу. В ходе реакций углеводородов с окисью азота ее концентрация падает, а содержание двуокиси азота возрастает. После того как концентрация окиси азота уменьшится, начинает возрастать концентрация озона, образующегося в результате фотодиссоциации двуокиси азота.

В цепи этих реакций происходит образование и других загрязнителей. Углеводороды, реагируя с двуокисью азота, образуют пероксиацилнитраты (ПАН). Озон вступает в реакции с углеводородами с образование альдегидов. Постепенно ветры разносят все эти соединения. Озон, двуокись азота, ПАН и альдегиды называются фотохимическими загрязнителями воздуха, поскольку все они образуются в ходе реакций, возбужденных солнечным светом.

Фотохимический туман (смог) по сути дела является огромным скоплением различных фотохимических загрязнителей. Смоги неразрывно связаны с инверсией температуры. Инверсия представляет собой специфическое состояние тропосферы, когда отсутствует нормальное снижение температуры с высотой. Теплый слой воздуха, расположившийся над холодным, способствует удержанию загрязнений в нижних слоях атмосферы, которые в обычных условиях поднимаются вверх, рассеивая загрязнения. Инверсии в основном возникают осенью в холодные безоблачные ночи. В большинстве случаев к утру инверсии исчезают благодаря постепенному разогреванию поверхности земли. Однако под влиянием антициклона инверсия может сохраняться значительное время, к тому же подобные условия могут повторяться и в течение следующих нескольких дней. В этом случае уровень загрязнения может оказаться достаточным для образования сильного смога.

Для разрушения устойчивого нижнего холодного слоя необходимы сильные ветры или осадки.

Окислителями называются соединения, способные окислять различные вещества, которые не может окислить кислород воздуха. Двуокись азота, ПАН, озон и альдегиды - все они являются окислителями. Иногда их называют фотохимическими окислителями.

Влияние фотохимических окислителей на здоровье людей может заключаться как в осложнении уже имеющихся болезней, так и в стимуляции новых. Число приступов у больных астмой резко возрастает при содержании окислителей на уровнях 300 - 500 мкг * м-3. Лица с хроническими легочными заболеваниями также подвержены влиянию фотохимических окислителей. Воспалительные процессы в глазах (конъюнктив) - одно из серьезнейших последствий фотохимического загрязнения воздуха. Раздражение глаз может наблюдаться даже при невысоком содержании загрязнителей - 200 мкг * м-3.