Воздействие на атмосферу

ЛЕКЦИЯ 8. АНТРОПОГЕННОЕ

Роль атмосферы в природных процессах очень велика: она определяет общий тепловой режим поверхности нашей планеты, защищает её от вредного воздействия коротковолнового ультрафиолетового излучения. Циркуляция атмосферного воздуха оказывает влияние на местные климатические условия, а через них – на режим рек, почвенно-растительный покров. За последнее время в результате антропогенного воздействия в атмосфере произошли значительные изменения. Химическое загрязнение атмосферы представляет огромную опасность для человечества. Вещества, попадающие в атмосферу в результате хозяйственной деятельности человека, не просто изменяют её состав, но оказывают существенное влияние на сложившиеся в результате длительного развития процессы, протекающие в ней. Огромное негативное воздействие на состояние атмосферного воздуха оказывают газообразные и аэрозольные выбросы промышленного и бытового происхождения. По сравнению с другими компонентами среды обитания человека, атмосфера характеризуется большей пространственной мобильностью и загрязняется наиболее быстро. Результаты экологических исследований свидетельствуют о том, что загрязнение атмосферы – самый мощный и постоянно действующий фактор, оказывающий влияние на здоровье человека и состояние окружающей среды. С загрязнением атмосферы связывают в первую очередь заболеваемость дыхательных путей, патологию сердечно-сосудистой системы, увеличение распространенности аллергических заболеваний.

По агрегатному состоянию выбросы вредных веществ в атмосферу можно разделить на следующие группы.

1. Газообразные (диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода и др.).

2. Жидкие (кислоты, щёлочи, растворы солей и др.).

3. Твёрдые (канцерогенные вещества, свинец и его соединения, органическая и неорганическая пыль, сажа и пр.).

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

Главными антропогенными загрязнителями атмосферного воздуха, на долю которых приходится приблизительно 98 % в общем объёме выбросов вредных веществ, являются диоксид серы (SO₂), диоксид азота (NO₂), оксид углерода (СО) и твёрдые частицы.

Диоксид серы может вызвать раздражение и повреждение слизистых оболочек у человека и животных, а также спазм бронхов. Он нарушает процессы фотосинтеза и приводит к гибели растительности.

Одними из наиболее опасных загрязнителей атмосферного воздуха являются оксиды азота. Эти вещества составляют примерно 1/3 часть всех токсичных выбросов промышленного происхождения. В природе оксиды азота выбрасываются в атмосферу во время лесных пожаров. Большие концентрации оксидов азота в городах и окрестностях промышленных предприятий связаны с хозяйственной деятельностью человека. В значительном количестве оксиды азота поступают в атмосферу в результате работы теплоэлектростанций и двигателей внутреннего сгорания. Оксиды азота выделяются при синтезе азотной кислоты, во время процессов, связанных с получением мышьяковой кислоты и арсената натрия, серной кислоты по нитрозному способу, с получением щавелевой и хромовой кислот, алифатических и ароматических нитросоединений, анилиновых красителей; при изготовлении фотопленки, искусственного шёлка, при травлении металлов; при взрывных работах в угольных шахтах, при сварке, плазменной резке металлов; при силосовании зерна. Воздействие воздуха, загрязнённого оксидами азота, на здоровье человека можно разделить на два основных вида в зависимости от времени проявления эффекта: 1. Острое, появляющееся в период или непосредственно после повышения концентрации токсического вещества; 2. Хроническое, результат которого сказывается не сразу, а через некоторое время. В обоих случаях загрязнение атмосферы может являться как причиной заболеваний, так и оказывать неспецифическое отягощающее воздействие, т. е. выступать в качестве провоцирующего фактора.

При контакте оксидов азота с влажной поверхностью лёгких образуются азотная HNO₃ и азотистая HNO₂ кислоты, поражающие альвеолярную ткань, что вызывает отёк лёгких. При отравлении оксидами азота в крови образуются нитраты и нитриты. Нитриты вызывают расширение сосудов и снижение кровяного давления. Они приводят к превращению оксигемоглобина в метгемоглобин, что нарушает снабжение кислородом клеток организма. При острых отравлениях высокими концентрациями оксидов азота возможен смертельный исход. В случае хронических отравлений у человека возникают хронические воспалительные заболевания верхних дыхательных путей, хронические бронхиты, разрушаются коронки зубов. Иногда у людей, подвергшихся воздействию больших концентраций оксидов азота, может появляться желтоватое окрашивание на коже кистей рук и ноздрей.

Веселящий газ N₂O применяется в качестве исходного продукта для получения азида натрия; в медицине используется в смеси с кислородом для анестезии при хирургических операциях. В больших концентрациях этот газ вызывает удушье вследствие вытеснения кислорода из лёгких. Газовые смеси, которые содержат 20 %, 30 % и 50 % веселящего газа ухудшают кратковременную память у человека.

Оксид азота NO выделяется в качестве промежуточного продукта при получении азотной кислоты окислением аммиака или азота воздуха. В природе оксид азота может выделяться в атмосферу в результате жизнедеятельности микроорганизмов. Концентрация оксида азота в сигаретном дыме равна 0,32 мг/л. На начальной стадии острого отравления появляется общая слабость, головокружение, онемение ног. Затем снижается кровяное давление. При тяжёлой форме отравления замедляется пульс, изменяется цвет крови по причине образования метгемоглобина из оксигемоглобина, увеличиваются печень и селезёнка. Оксид азота может вызывать паралич и судороги. Последствия отравления выражаются в ослаблении памяти и мышечной силы.

Диоксид азота NO₂ выделяется при использовании концентрированной азотной кислоты, например, при нитровании глицерина, при травлении меди и медных сплавов. Этот газ применяется в качестве гомогенного катализатора при получении серной кислоты камерным способом. В природе некоторое количество диоксида азота образуется при извержении вулканов и электрических разрядах в верхних слоях атмосферы. Диоксид азота обладает сильным раздражающим воздействием на дыхательные пути, особенно глубокие, что приводит к развитию токсического отёка легких. Этот газ угнетает аэробное дыхание и стимулирует анаэробное окисление в лёгочной ткани. Предельно допустимая концентрация для диоксида азота составляет 9 мг/м³, для оксида азота – 30 мг/м³.

Одним из наиболее распространённых загрязнителей атмосферного воздуха является оксид углерода (СО), или угарный газ. В городском воздухе концентрация оксида углерода часто превышает концентрацию любого другого загрязнителя. При повышенных концентрациях оксид углерода является смертельно опасным ядом. Его ядовитые свойства объясняются тем, что оксид углерода обладает значительно более высоким сродством к гемоглобину, чем кислород. Таким образом, чем больше оксида углерода содержится в воздухе, тем больше его молекул связывается с гемоглобином и тем меньше кислорода переносится от лёгких к различным тканям, что ведёт к кислородному голоданию и гибели организма. Опасность оксида углерода усугубляется тем, что органы чувств человека не в состоянии обнаружить его присутствие, так как этот газ не имеет ни цвета, ни запаха, ни вкуса, поэтому отравление им может произойти совершенно незаметно.

В настоящее время в результате деятельности человека в атмосферу выделяется около 300 миллионов тонн оксида углерода в год. Причём 70 % – 75 % антропогенных выбросов образуется в результате сжигания бензина в двигателях внутреннего сгорания, около 10 % – в результате сжигания угля и дров, приблизительно столько же – в результате сжигания бытовых отходов и около 5 % – в результате лесных пожаров. Некоторая часть оксида углерода попадает в атмосферу вследствие технологических потерь в промышленности, например, металлургической, нефтеперерабатывающей, химической.

Кроме того, источником оксида углерода является табачный дым, с которым сталкиваются не только курильщики, но и их ближайшее окружение. Установлено, что курильщики поглощают вдвое больше оксида углерода, чем некурящие.

В настоящее время к основным антропогенным источникам загрязнения атмосферного воздуха относят следующие отрасли: автотранспорт, теплоэнергетика, предприятия чёрной и цветной металлургии, нефтедобычи и нефтехимии, машиностроение, производство стройматериалов и т. д. Выхлопные газы автомобильных двигателей внутреннего сгорания содержат большое количество токсичных соединений, например, бенз(а)пирен, альдегиды, оксиды азота и оксиды углерода и особо опасные соединения свинца (из этилированного бензина). Период существования этих загрязнителей длится от нескольких минут до 5 лет. Огромный вред влечёт за собой попадание в атмосферу бенз(а)пирена. Он является одним из наиболее опасных транспортных загрязнителей. Бенз(а)пирен представляет собой сильное канцерогенное вещество, получаемое при производстве каменноугольной смолы, каменноугольного пека, сланцевой смолы, сланцевых масел. Оно содержится в сырой нефти, нефтепродуктах, древесном дыме, продуктах пиролиза древесины и торфа. Существует гипотеза, что бенз(а)пирен не обладает самостоятельной канцерогенной активностью, а только создаёт условия для онкогенных вирусов. По химическому составу и свойствам, а также по воздействию на организм человека компоненты отработавших газов двигателей внутреннего сгорания объединяют в несколько групп.

В первую группу входят нетоксичные вещества: азот, кислород, водород, водяной пар, углекислый газ. В этой группе необходимо обратить внимание на углекислый газ в связи с его ролью в возникновении парникового эффекта.

Ко второй группе относится оксид углерода, или угарный газ. Отравление угарным газом может возникнуть у водителей автотранспортных средств при ночёвках в кабине с работающим двигателем или при прогреве двигателя в закрытом гараже.

В состав третьей группы входят оксиды азота, главным образом оксид азота и диоксид азота. Эти газы образуются в камере сгорания при температуре 2800 °С и давлении около
1 МПа. Диоксид азота тяжелее воздуха, поэтому может накапливаться в углублениях, канавах и представляет большую опасность при техническом обслуживании транспортных средств.

В четвёртую группу входят различные углеводороды: этан, метан, бензол, ацетилен. Углеводороды токсичны и оказывают неблагоприятное влияние на сердечно-сосудистую систему. Кроме того, углеводороды обладают канцерогенными свойствами.

Пятую группу составляют альдегиды. В выхлопных газах присутствуют в основном формальдегид, акролеин и уксусный альдегид. Наибольшее количество альдегидов образуется при режиме холостого хода, когда температура сгорания в двигателе не очень высокая. Формальдегид представляет собой бесцветный газ. Он тяжелее воздуха, легко растворяется в воде. Формальдегид раздражает слизистые оболочки дыхательных путей, поражает центральную нервную систему. Акролеин, или альдегид акриловой кислоты, является бесцветным ядовитым газом. Он оказывает раздражающее действие на слизистые оболочки. Уксусный альдегид представляет собой газ, токсичный для человека.

В шестую группу входят взвешенные твёрдые частицы: продукты износа двигателя, аэрозоли, масла.

В седьмую группу входят сернистый газ и сероводород, которые входят в состав отработавших газов, если в транспортном средстве используют топливо с повышенным содержанием серы.

Компонентами восьмой группы являются свинец и его соединения. Накопление свинца в придорожной почве делает её непригодной для сельскохозяйственного использования.

Экологические проблемы теплоэнергетики во многом обусловлены видом сжигаемого топлива. Основную долю в выбросах при сжигании ископаемого топлива занимает углекислый газ CO₂. При сжигании твёрдого топлива в атмосферу выделяются летучая зола с частицами недогоревшего топлива, сернистый и серный ангидриды, оксиды азота, определённое количество фтористых соединений, а также газообразные продукты неполного сгорания топлива. Летучая зола в некоторых случаях может содержать очень вредные примеси. Например, в золе донецких антроцитов в незначительных количествах содержится мышьяк, в золе Экибастузского и некоторых других месторождений – свободный диоксид кремния, в золе сланцев и углей Канск-Ачинского бассейна – свободный оксид кальция. Самым распространённым ископаемым топливом на нашей планете является уголь. Он распространён более равномерно, чем нефть, а также более экономичен. Существует метод получения синтетического жидкого топлива путём переработки угля. У такого топлива достаточно высокое октановое число. Однако экономические затраты на этот процесс очень высоки.

При энергетическом использовании торфа необходимо учитывать ряд отрицательных последствий для окружающей среды, которые возникают в результате добычи торфа в широких масштабах. К ним, например, относятся ухудшение качества источников пресной воды, изменение ландшафта и почвенного покрова в местах торфодобычи, загрязнение воздушного бассейна, ухудшение условий существования животных. Значительные экологические трудности возникают и в связи с транспортировкой и хранением торфа.

При использовании жидкого топлива, к которому относится мазут, с дымовыми газами в атмосферный воздух выделяются сернистый и серный ангидриды, оксиды азота, соединения ванадия, солей натрия, а также вещества, удаляемые с поверхности котлов при чистке. С экологических позиций жидкое топливо является более чистым. При этом отсутствует проблема золоотвалов, которые занимают значительные территории и являются источниками загрязнения воздуха из-за уноса части золы ветром. В продуктах сгорания жидких видов топлива нет летучей золы.

Таблица 1

Воздействие электростанций на окружающую среду

в зависимости от используемого топлива

Топливо	Вредные выбросы	Воздействие на окружающую среду	Экономический ущерб (у. е.)
Уголь Мазут	Диоксид серы Углекислый газ Бенз(а)пирен	Кислотные дожди Парниковый эффект Загрязнение, деградация экосистем от продуктов сгорания, производства и транспортировки топлива
Природный газ	Диоксид азота Углекислый газ	1,5
Ядерное топливо	Радиоактивность	Радиоактивность ниже установленных норм

При сжигании природного газа в атмосферу поступают оксиды азота. Однако в силу особенностей процесса сжигания природного газа на теплоэлектростанции выброс оксидов азота ниже, чем при сжигании угля. Таким образом, природный газ представляет собой более экологически чистый вид топлива.

Наряду с газообразными выбросами теплоэнергетика производит большое количество твёрдых отходов. Они представлены хвостами углеобогащения, золой и шлаками. Отходы углеобогатительных фабрик включают в себя 55 – 60 % оксида кремния SiO₂; 22 – 26 % оксида алюминия Al₂O₃; 5 – 12 % оксида железа Fe₂O₃; 0,5 – 1 % оксида кальция CaO; 4 – 4,5 % оксида калия K₂O и оксида натрия Na₂O; и около 5 % углерода. Они поступают в отвалы, которые пылят, дымят, резко ухудшая состояние атмосферного воздуха и прилегающих земельных участков. В золе электростанций могут находиться повышенные концентрации тяжёлых металлов и радиоактивных элементов. Среди загрязнителей, поступающих в атмосферу от сжигания ископаемого топлива, присутствуют парниковые газы, соединения, способствующие выпадению кислотных осадков, а также вещества, участвующие в разрушении озонового слоя стратосферы.

Меньше загрязняют атмосферу в период безаварийной работы атомные электростанции (АЭС), но тем не менее, они выделяют в воздух такие токсичные вещества как радиоактивный йод, радиоактивные инертные газы и аэрозоли. Большую потенциальную опасность представляют отходы ядерного топлива и аварии атомного реактора.

Ядерная энергетика в настоящее время является очень перспективной отраслью. Это объясняется как значительными запасами ядерного топлива, так и щадящим воздействием на среду. К преимуществам ядерной энергетики также относится возможность строительства атомных электростанций, не привязываясь к месторождениям ресурсов, так как их транспортировка не требует крупных затрат в связи с малыми объёмами. Однако реакции деления атомных ядер, лежащие в основе получения энергии на АЭС, гораздо более опасны, чем, например, процессы горения. Поэтому ядерная энергетика при получении энергии должна реализовывать принцип максимальной безопасности при наибольшей возможной производительности.

Надёжность, безопасность и экономическая эффективность атомных электростанций основывается не только на жёсткой регламентации процесса их функционирования, но и на сведении к минимуму влияния АЭС на окружающую среду. Атомная энергетика по многим показателям имеет преимущества по сравнению с энергетикой на органическом топливе. При нормальной работе атомной электростанции поступление радиоактивных элементов в окружающую среду незначительно.

Серьёзный вклад в загрязнение атмосферного воздуха вносят металлургические предприятия. При выплавке только одной тонны стали в атмосферу выделяется 0,04 т твёрдых частиц, 0,03 т оксида серы, около 0,05 т оксида углерода, а также в небольших количествах такие опасные загрязнители, как свинец, фосфор, марганец, мышьяк, пары ртути и др.

Значительную угрозу для живых организмов представляют выбросы химического производства. Негативное воздействие на все компоненты биосферы оказывают такие вещества как сернистый газ, оксиды азота, оксиды углерода, фенолы, ароматические углеводороды, спирты эфиры, галогенопроизводные углеводородов, кетоны, сероводород, сероуглерод, фториды, аммиак, сажа.

Химическое загрязнение окружающей среды – главный неблагоприятный фактор переработки нефти. В качестве примера можно привести:

1. Производство синтетического этилового спирта методом прямой гидратации этилена, которое является источником непредельных углеводородов, паров аммиака, этилового спирта.

2. Производство ацетилена, которое является источником углеводородов, синильной кислоты, диметиламина и муравьиной кислоты.

3. Производство синтетического фенола и ацетона, которое является источником фенола, ацетона, бензола, углеводородов, ацетонфенола, диметилкарбинола, изопропилбензола.

Огромную опасность представляет загрязнение окружающей среды диоксинами. Диоксинсодержащие отходы возникают при сжигании промышленного и бытового мусора, бензина со свинцовыми присадкам и как побочные продукты в химической, целлюлозно-бумажной и электротехнической промышленности. Диоксины представляют собой синтетические органические вещества из класса хлоруглеводородов. Они обладают мутагенными, канцерогенными, эмбриотоксическими свойствами. Биологическое действие диоксинов проявляется даже при очень низких концентрациях.

Если в загрязнённом воздухе присутствует несколько токсичных соединений, то может наблюдаться эффект синергизма, характеризующийся значительным усилением воздействия вредных веществ при наличии нескольких ингредиентов по сравнению с суммой воздействий от каждого компонента в отдельности.

Опасные нарушения в организмах живых существ может вызвать ядовитая смесь дыма, тумана и пыли – смог. Выделяют два типа смога: зимний смог (лондонский тип) и летний (лос-анджелесский тип, или фотохимический смог). Зимний смог возникает зимой в крупных промышленных городах при неблагоприятных для самоочищения атмосферы погодных условиях (отсутствие ветра и температурная инверсия). Температурная инверсия заключается в повышении температуры воздуха с высотой примерно в интервале 300 – 400 м от поверхности земли вместо обычного понижения. В результате циркуляция атмосферного воздуха нарушается, загрязняющие вещества не поднимаются вверх и не рассеиваются. Часто возникают туманы. Концентрации оксидов серы, взвешенной пыли, оксида углерода достигают опасных для здоровья человека значений, вызывая расстройство кровообращения, дыхания. Летний смог возникает летом при интенсивном воздействии солнечного излучения на воздух, чрезмерно насыщенный выхлопными газами автомобилей. При слабом движении воздуха или безветрии в воздухе в этот период идут сложные реакции с образованием новых токсичных загрязнителей – фотооксидантов (органические пероксиды, нитриты и др.), которые раздражают слизистые оболочки желудочно-кишечного тракта, дыхательной системы, органов зрения. В крупных городах, расположенных в низинах, в результате увеличения количества автомобилей, а следовательно, и выбросов выхлопных газов, содержащих оксид азота, вероятность возникновения фотохимического смога повышается.

Наблюдаемое в настоящее время постепенное повышение среднегодовой температуры многие ученые связывают с накоплением в атмосфере так называемых «парниковых газов», главным образом, углекислого газа СО₂. В связи со сжиганием человеком все большего количества ископаемого топлива концентрация углекислого газа в атмосфере увеличивается. Парниковые газы препятствуют тепловому излучению с поверхности Земли, и атмосфера, насыщенная ими, действует как теплица. Она, пропуская большую часть солнечного излучения, почти не пропускает наружу тепло, переизлучаемое Землёй. В 1997 г. был принят Киотский протокол, согласно которому промышленно развитые страны к 2008 – 2012 гг. должны сократить выбросы в атмосферу парниковых газов, по крайней мере, на 5 % по сравнению с уровнем 1990 г. Кроме того, протокол определяет механизмы осуществления этого решения. Детали этих механизмов были оговорены в ноябре 2000 г. на конференции в Гааге, где было решено, что в каждой индустриальной стране должна проводиться государственная политика по сокращению выбросов.

В стратосфере на высотах 15 – 45 км расположен озоновый экран; пик концентрации озона приходится на высоту 25 – 30 км. Озоновый пояс атмосферы Земли соответствует слою чистого озона толщиной около 3 мм при температуре
0 °С и давлении 100 кПа. При длине волны, равной максимуму спектра поглощения озона (около 260 нм), атмосферный озоновый слой ослабляет УФ-излучение примерно в 10⁴⁰ раз. Поверхности Земли достигает ослабленное излучение с длинами волн больше примерно 287 нм. Это излучение в умеренных дозах полезно и иногда необходимо для живых организмов. Толщина озонового слоя поддерживается на относительно постоянном уровне за счёт обратимых фотохимических и темновых реакций. Поглощение УФ-излучения кислородом, приводящее к синтезу озона, эффективно в области 100 – 230 нм; максимум этого поглощения наблюдается около 150 нм. Истощение озонового слоя ослабляет способность атмосферы защищать живые организмы от коротковолнового ультрафиолетового излучения. «Озоновые дыры» – это пространства в озоновом слое атмосферы с пониженным на 50 % и более содержанием озона. Учёные предполагают как естественное, так и антропогенное происхождение «озоновых дыр». В качестве естественных причин истощения озонового слоя некоторые исследователи рассматривают прорыв глубинных газов (водорода, метана, азота) через рифтовые разломы земной коры. Антропогенное происхождение «озоновых дыр» большинство учёных связывают с повышенным содержанием хлорфторуглеродов (фреонов). Поднимаясь в стратосферу, эти соединения под воздействием ультрафиолетового излучения разлагаются с выделением оксида хлора, который губительно действует на молекулы озона. Озоноразрушающие вещества используются в отраслях аэрозольного сектора (косметические и технические производства); холодильного сектора (производство холодильников и кондиционеров, их обслуживание); в производстве пластмасс; в производстве средств пожаротушения; в электронной промышленности (обезжиривание металлов) и т. д. Кроме того, бромистый метил используется в качестве дезинфицирующего вещества, а также в качестве добавки к автомобильному топливу. Тетрахлорметан и метилхлороформ применяются в производстве пестицидов, для тонкой очистки металлов. Оксиды азота, тоже относящиеся к озоноразрушающим веществам, попадают в верхние слои атмосферы при запусках космических кораблей и полётах сверхзвуковых самолётов и т. д.

Кислотные дожди возникают при промышленных выбросах диоксида серы и оксидов азота, которые, соединяясь с атмосферной влагой, образуют разбавленную серную и азотную кислоты. В результате выпадают подкисленные дождь и снег (значение pH ниже 5,6). Под действием кислотных осадков из почвы могут выщелачиваться металлы: свинец, кадмий, алюминий. Затем они или их токсичные соединения поглощаются растениями, что ведёт к негативным последствиям. Воздействие кислотных дождей снижает устойчивость лесов к засухам, болезням. Установлено, что хвойные деревья страдают от кислотных дождей больше, чем широколиственные.

Дата добавления: 2014-01-20