Антропогенные воздействия на атмосферу и ее защита

Ресурсного природопользования

Экологические проблемы

Понятие атмосферы

Атмосфера (от греч. atmos - воздух, sfera - шар) – газовая оболочка, окружающая Землю.

Основными составляющими газами атмосферы являются – азот и кислород. Современный газовый состав атмосферы находится в динамическом равновесии, которое поддерживается совместной деятельностью автотрофных и гетеротрофных организмов и различными глобальными геохимическими явлениями.

Входящие с состав атмосферы компоненты можно подразделить на следующие группы:

· постоянные (кислород-21%, азот до 78% и инертные газы – около1 %),

· переменные (диоксид углероды – 0,02-0,04 % и водяной пар – до 3 %)

· случайные - загрязнители.

Обычно в составе атмосферы выделяют 5 слоев.

1 слой - Тропосфера - приземистый слой высотой 8-18 км. Высота тропосферы изменяется от 8-10 км в полярных широтах, до 12 км - в умеренных, 16-18 км - у экватора. В ней содержится до 80 % воздуха Земли, а также основное количество атмосферных примесей. Тропосфера обладает беспорядочным бурным перемещением слоев воздуха, здесь сосредоточен водяной пар, природная и антропогенная пыль. В результате конденсации водяного пара на ядрах пыли формируются облака и разнообразные осадки (в виде дождя, града и снега).

2 слой - Стратосфера ограничивается высотой 50-60 км над уровнем моря. Для нее характерны слабые воздушные потоки, малое количество облаков и относительное постоянство температуры (-56◦ С). Но данный температурный режим сохраняется - до 25 км, дальше температура повышается и на уровне 46-56 км достигает 0◦ С. В верхней части стратосферы, на высоте 20-25 км, наблюдается максимальная концентрация озона (О3), поглощающего большую часть ультрафиолетовой радиации солнца и предохраняющего живую природу от ее вредного действия. Озон является производной молекулярного кислорода. Образование озона происходит с помощью солнечной радиации и электрических разрядов. Толщина озонового слоя в зависимости от широты и времени года колеблется в пределах 23-52 см. Озоновый слой подвижен. Летом его больше и он располагается выше, зимой - наоборот. Наибольшее количество озона находится в зоне тропических лесов, наименьшее - в широтах Арктики и Антарктиды.

3 слой - Мезосфера лежит над стратосферой на высотах от 50 до 80-85 км. Характеризуется понижением средней температуры с высотой (от 0◦ С на нижней границе до -90 0◦ С у верхней границы).

4 слой - Термосфера простирается в среднем от 80 до 300 - 800 км. В данном слое происходит повышение температуры до 1500◦ С, связанный главным образом с поглощением солнечной коротковолновой радиации.

5 слой - Экзосфера. Это внешний, наиболее разреженный слой атмосферы, который располагается выше 800 км и простирается до 2000-3000 км. Экзосфера характеризуется постоянством температуры с высотой (до 2000◦ С). Скорость движения газов здесь приближается к критической величине (11,2 км/с). В этой сфере господствуют атомы водорода и гелия, образующие вокруг Земли «корону».

Кроме того, выше 80-90 км солнечное излучение вызывает не только химические реакции, но и ионизацию газов. В результате чего, образуется ионосфера, захватывающая несколько атмосферных слоев и достигающая высоты 1000 км. Этот слой предохраняет биосферу от вредного воздействия космической радиации, влияет на отражение и поглощение радиоволн. В нем возникает полярное сияние.

А т м о с ф е р а выполняет ряд важных экологических функций:

· за счет наличия кислорода и озона обеспечивает возможность жизни на земле (в среднем в сутки человек потребляет 12 кг воздуха; без озонового экрана существование человека продлится всего 7 секунд);

· регулирует тепловой режим Земли (без атмосферы суточные колебания находились бы в пределе 200 ◦ С);

· формирует климат и погоду;

· защищает от падающих метеоритов;

· распределяет потоки света (воздух разбивает солнечные лучи на миллионы мелких лучиков, рассеивает их и создает равномерное освещение);

· является проводником звуков (без атмосферы царила бы тишина);

· влияет на режим рек и почвенно-растительный покров;

· принимает участие в формировании ландшафтов.

Антропогенное воздействие на атмосферу проявляется, прежде всего, в загрязнении атмосферного воздуха.

Источники, состав и масштабы

загрязнения атмосферы

Загрязнение - привнесение в окружающую среду или возникновение в ней новых, обычно нехарактерных физико-химических и биологических веществ, агентов, оказывающих вредные воздействия на природные экосистемы и человека.

По агрегатному состоянию все загрязняющие вещества подразделяются на твердые (например, тяжелые металлы, органическая и неорганическая пыль, сажа, смолистые вещества), жидкие (например, кислоты, щелочи, растворы солей) и газообразные (например, диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода, углеводороды) (таб. 1.). Газообразные загрязнители составляют около 90% от общей массы выбрасываемых в атмосферу веществ.

Таблица 1.

Выбросы в атмосферу основных загрязнителей

Выброс	Вещества	Итого
SO2	NOx	CO2	твердые частицы
Глобальный, млн. т
В России, % к глобальному выбросу		5,8	5,6	12,2	7,9

Различают естественные (природные) и искусственные (антропогенные) загрязнения атмосферы.

Естественные загрязнения атмосферы происходят при извержении вулканов, выветривании горных пород, при пыльных бурях, лесных пожарах (возникающих от удара молнии), испарениях болот, выносе морских солей и др. Кроме того, в атмосфере постоянно присутствуют бактерии (в том числе и болезнетворные), споры грибов, пыльца растений и др.

Природные источники загрязнения распределены довольно равномерно по поверхности планеты, и они уравновешены обменом веществ.

Искусственные загрязнения появляются в атмосфере благодаря хозяйственной деятельности человека и представляют наибольшую опасность. Эти загрязнители можно подразделить на несколько групп:

3 биологические (отходы производств, связанные с органическими веществам);

3микробиологические (вакцина, сыворотка, антибиотики);

3химические (химические элементы, кислоты, щелочи и др.);

3механические (пыль, сажа, аэрозоли др.);

3физические (тепло, шум, свет, электромагнитные волны, радиоактивные излучения).

Источники загрязнения атмосферного воздуха

В настоящее время самыми значительными источниками искусственных загрязнений атмосферы являются транспорт и индустрия. «Основной вклад» в загрязнение атмосферного воздуха в России вносят такие отрасли как: теплоэнергетика (тепловые и атомные электростанции, котельные и др.), черная и цветная металлургия, нефтедобывающее и нефтеперерабатывающее производство, производство стройматериалов и др.

Энергетика. При сжигании твердого топлива (каменного угля) в атмосферный воздух поступают оксиды серы, оксиды азота, твердые частицы (пыль, сажа, зола). Объем выбросов велик. Так, современная теплоэлектростанция мощностью 2,4 млн. кВт расходует до 20 тыс. т угля в сутки и выбрасывает при этом в атмосферу 680 т оксидов серы, 200 т оксидов азота и около 150 т золы, пыли и сажи вместе взятых.

При использовании мазута (жидкого топлива) снижается выброс золы. А газовое топливо загрязняет атмосферный воздух в 3 раза меньше, чем мазут, и в 5 раз меньше, чем уголь. Атомная энергетика (при условии безаварийной работы) еще более экологична, но наиболее опасна в отношении аварий и отходов ядерного топлива.

Автотранспорт. В настоящее время в мире эксплуатируется несколько сот миллионов автомобилей. Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания содержат огромное количество токсичных соединений. Например, тысяча автомобилей с карбюраторным двигателем выбрасывают в день около 3 т угарного газа, 100 кг оксидов азота, 500 кг соединений неполного сгорания бензина. В целом, отработанные газы автомобильного транспорта содержат более 200 токсических веществ.

В настоящее время в крупных городах России выбросы от автотранспорта превосходят выбросы от стационарных источников (предприятий промышленности).

Черная и цветная металлургия. При выплавке тонны стали в атмосферу выбрасывается 0,04 т твердых частиц, 0,03 т оксида серы, 0,05 т оксида углерода, а также свинец, фосфор, марганец, мышьяк, пары ртути, фенол, формальдегид, бензол, другие токсичные вещества. В выбросах предприятий цветной металлургии содержатся: свинец, цинк, медь, алюминий, ртуть, кадмий, молибден, никель, хром и др.

Химическая промышленность. Выбросы химических предприятий характеризуются значительным разнообразием, высокой концентрированностью и токсичностью. Они содержат оксиды серы, соединения фтора, аммиак, смеси оксидов азота, хлористые соединения, сероводород, неорганическую пыль и т.д.

Влияние некоторых загрязнителей атмосферы

на организм человека и растения

Сернистый ангидрид (сернистый газ, диоксид серы) раздражает дыхательные пути, вызывает спазм бронхов. Вследствие образования серной и сернистой кислоты нарушаются углеводный и белковый обмены, окислительные процессы в головном мозге, печени, селезенке и мышцах, снижается содержание витаминов В и С и др.

Сероводород - бесцветный ядовитый газ, который раздражает дыхательные пути и глаза. Хроническое отравление этим газом вызывает головные боли, бронхиты, расстройство пищеварения, малокровие, вегетососудистые нарушения.

Окислы азота - поражают легочную ткань, в крови образуются нитраты и нитриты, которые вызывают нарушения сосудов и гипотонию, а также ведут к кислородной недостаточности.

Аммиак - вызывает обильное слезотечение и боль в глазах, удушье, сильные приступы кашля, расстройство дыхания и кровообращения.

Азот - при высоком атмосферном давлении азот оказывает наркотическое воздействие на организм, что проявляется в виде головокружения, провалов памяти; при нормальном атмосферном давлении повышенное содержание азота вызывает явление кислородной недостаточности, первые признаки которой наступают при повышении азота в воздухе до 83 % (93 % азота в воздухе приводит к гибели).

Углекислый газ - по своему физиологическому действию является возбудителем дыхательного центра; в больших концентрациях оказывает наркотическое воздействие, а также раздражает кожу и слизистые оболочки; при больших концентрациях 10-15 % углекислота вызывает смерть от удушья (летальный исход может быть мгновенным при большой концентрации углекислого газа, которая встречается в заброшенных колодцах, шахтах, подвалах).

Угарный газ - соединяется с гемоглобином в 200-300 раз быстрее, чем кислород; вызывает удушье, при тяжелых формах наступает смерть.

Винилхлорид - обладает канцерогенным свойством замедленного действия; выделяется при нагревании и сжигании полиэтилена и пластика.

Асбестовая пыль - способствует возникновению онкологических заболеваний.

Свинец - является ядом замедленного действия, попадая в организм человека, разрушает нервные клетки, вызывает параличи.

Ртуть - ядовитое вещество, разрушающее печень и почки.

В растения токсические вещества поступают различными способами. Установлено, что выбросы вредных веществ действуют как непосредственно на зеленые части растений, попадая через устьица в ткани, разрушая хлорофилл и структуру клеток, так и через почву на корневую систему. Загрязняющие газообразные вещества (окись углерода, этилен и др.) повреждают листья и побеги. В результате воздействия высокотоксичных загрязнителей (диоксид серы, хлор, ртуть, аммиак и др.) отмечается замедление роста растений, образование некроза на листьях, выход из строя органов ассимиляции и т.д. (таб. 2).

Таблица 2.

Токсичность загрязнителей воздуха для растений

(Бондаренко, 1985)

Вредные вещества	Характеристика
Диоксид серы	Основной загрязнитель, яд для ассимиляционных органов растений, действует на расстоянии до 30 км.
Фтористый водород и четырехфтористый кремний	Токсичны даже в небольших количествах, склонны к образованию аэрозолей, действуют на расстоянии до 5 км.
Хлор, хлористый водород	Повреждают в основном на близком расстоянии.
Соединения свинца, углеводороды, оксид углерода, оксиды азота	Заражают растительность в районах высокой концентрации промышленности и транспорта.
Сереводород	Клеточный и ферментный яд.
Аммиак	Повреждают растения на близком расстоянии.

Специфические загрязнители атмосферы

Аэрозоли. Это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии (значительная их часть образуется при взаимодействии жидких и твердых частиц между собой или водяным паром). В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или дымки. В своем составе аэрозоли могут содержать железо, цинк, свинец, ароматические углеводороды, соли кислот и ряд других веществ. Основными источниками аэрозольных загрязнений в Омске являются ТЭЦ, цементные заводы, сажевый завод, нефтеперерабатывающие и нефтехимические предприятия.

Шум. Повышенный и продолжительный шум увеличивает артериальное давление, вызывает рост сердечно-сосудистых заболеваний, снижает работоспособность, приводит к бессоннице. Предельно-допустимая норма, это 30-60 децибел. Для сравнения: шелест листвы - 10 децибел, рев самолета - 120 децибел, а болевой порог - 130 децибел.

Более 300 тысяч жителей Омска проживают в зоне шумового дискомфорта.

В Средневековье существовала «колокольная казнь», которая относилась к разряду жестоких и мучительных. При этом преступника сажали под колокол, по которому постоянно ударяли. Гром меди медленно, но верно убивал приговоренного.

Радиоактивное загрязнение. Радиоактивные вещества являются наиболее опасными загрязнителями и поступают в атмосферу в результате ядерных испытаний, аварий на АЭС, при использовании радиоактивного строительного материала и др. Поступая в живой организм, рассматриваемые вещества вызывают глубокие необратимые процессы, в частности на генном уровне (возникают различные мутации).

Радиационный фон в Омске на открытой местности в среднем находятся в пределах 10-12 микрорентген в час. В закрытых помещениях до 30 микрорентген в час, что соответствует ПДК по России. Однако в 1990-1992 годах при проведении мониторинга в Омске было обнаружено более 200 аномальных участков, на которых радиационный фон превышал допустимую норму в 1000 раз. Причинами радиационного загрязнения на территории Омска являются утерянные источники гамма-излучений (приборы), завезенный для строительства гранитный щебень из Казахстана с содержанием в нем ураново-рудного материала, склады с минеральными удобрениями, в которых содержатся радионуклиды. В настоящее время предприятия и объекты, эксплуатирующие радиоактивные вещества и изделия на их основе взяты на учет.

Электросмог - это загрязнение атмосферы электромагнитными излучениями. Наиболее опасными источниками электромагнитного излучения могут быть антенны локационных установок, линии электропередачи высокого напряжения, экраны компьютеров и телевизоров и другие бытовые электроприборы. Высокочастотные излучения могут нарушать биохимические процессы в клетках.

По масштабам загрязнение воздуха может быть местным – повышение содержания загрязняющих веществ на небольших территориях (город, район и др.), региональным – загрязнение атмосферного воздуха значительных территорий (областей, регионов и др.), глобальным – изменения, затрагивающие всю атмосферу Земли (таб. 3).

Таблица 3.

Масштабы загрязнения атмосферы

Регион	Высота	Временной период
Глобальный	Все слои атмосферы	Десятилетия
Континентальный	Стратосфера	Годы
Региональный	Тропосфера	Месяцы
Локальный	Нижний слой тропосферы (до 1500 м)	Сутки
Непосредственное окружение источника (местный)	Высота дымовой трубы	Часы

экологические Последствия загрязнения атмосферы

Парниковый эффект

Еще в 1827 г. французский ученый Ж. Фурье высказал предположение, что атмосфера, в которой присутствуют парниковые газы (в особенности диоксид углерода) и водяной пар не дает выйти в космос части длинноволновой тепловой радиации, отражающейся от земной поверхности.

Средняя температура Земли в настоящее время составляет +15°С. При данной температуре поверхность Земли, и атмосфера находятся в тепловом равновесии (поверхность планеты возвращает в атмосферу в среднем эквивалентное количество получаемой энергии). Но в последние десятилетия антропогенная деятельность привносит дисбаланс в соотношение поглощаемой и выделяемой энергии.

В атмосферу в результате производственной деятельности человека в значительных концентрациях поступают парниковые газы - углекислый газ (создает 50 % парникового эффекта), метан (создает 18 % парникового эффекта), оксиды азота, фреоны, озон. Все эти газы, с одной стороны, пропускают солнечные лучи, поступающие на землю, а с другой стороны, препятствуют обратному возвращению антропогенного тепла с земной поверхности в космос, создавая, таким образом, парниковый (тепличный) эффект. Т.е. парниковый эффект - разогрев нижних слоев атмосферы, вследствие способности атмосферы пропускать коротковолновую солнечную радиацию, но задерживать длинноволновое тепловое излучение земной поверхности.

За последние 200 лет содержание оксида углерода в атмосфере увеличилось на 25 %. Связано это с интенсивным сжиганием нефти, газа, угля и др., и ежегодным уменьшением площади лесов, которые являются основными поглотителями углекислого газа.

Содержание метана в атмосфере ежегодно увеличивается на 1 % за счет свалок и крупного рогатого скота.

Парниковый эффект провоцирует потепление климата. По данным Всемирной метеорологической организации (ВМО) в 2001 году средняя температура в мире возросла на 0,42° С по сравнению с 1961-1990 гг. Теплеет уже 23 года подряд. ХХ век стал самым теплым столетием.

Потепление климата вызывает таяние ледников и поднятие уровня воды в океане. За последние 100 лет на 1 метр уменьшилась толщина таящих льдов в Арктике, а граница вечной мерзлоты отступает к Северу ежегодно на 10 километров. Подъем уровня Мирового океана даже на 1 метр приведет к затоплению более 20 процентов прибрежной суши. Кроме того, будет происходить усиление абразионных процессов, ухудшение водоснабжения приморских городов и т.п. Изменения экологических условий, в особенности, в экосистемах тундры и тайги приведут к заболачиванию почв, ухудшению состояние лесных массивов, в зоне вечной мерзлоты увеличится сезонное протаивание грунтов (что создаст угрозу дорогам, строениям, коммуникациям).

Помимо выше сказанного, парниковый эффект может иметь и положительные последствия - повышение влажности климата и увеличение интенсивности фотосинтеза. Первое происходит за счет повышения температуры и увеличения интенсивности испарения с поверхности Мирового океана, что особенно важно для аридных (сухих) зон. Второе происходит за счет повышения концентрации углекислого газа и способствует увеличению продуктивности растений.

Разрушение озонового экрана (озоновые дыры)

Озоновый экран (озоносфера) защищает Землю от ультрафиолетового излучения. Ультрафиолетовые лучи в больших дозах губительны для живых организмов.

Истощение этого слоя, наблюдается со второй половины прошлого столетия и вызвано действием озоноразрушающих веществ, попадающих в атмосферу. К ним относят: хлор, оксиды азота, метан, соединения алюминия и, прежде всего, хлорфторуглероды в виде фреонов. Последние широко применяются в производстве и быту в качестве хладагентов (в холодильниках, кондиционерах, тепловых насосах), пенообразователей и распылителей (аэрозольные упаковки).

Фреоны - газы не известные в природе, а синтезированные в 30-ых годах прошлого столетия и широко применяемые с 50-х годов. Эти газы, попав в атмосферу, переносятся потоками воздуха на высоту 15-25 км, где подвергаются воздействию ультрафиолетовых лучей и распадаются с образованием атомарного хлора. Последний вступает в реакцию с озоном и превращает его в обычный кислород. Высвобождающиеся атомы хлора вновь реагируют с озоном, все более и более разрушая озоновый слой.

По данным космических наблюдений со спутника «Метиор-3» (1993 год) над Омской областью толщина озонового слоя уменьшилась на 5%, по сравнению с 20-летним периодом исследований.

Слой озона над Антарктикой, по данным Метеорологического управления Японии, уменьшился на 45-75 %.

В настоящее время образование «озоновых дыр» наблюдается и над Европой, Азиатским континентом, на юге Южной Америки.

Кислотные дожди

Многие газообразные вещества, попадающие в атмосферный воздух, взаимодействуют с влагой, образуя кислоты. Наиболее крупный источник кислот - сернистый газ, который образуется при эксплуатации энергетических установок, использующих органическое топливо, а также металлургические предприятия. Кислотный дождь - дождь или снег, подкисленный до рН <5,6 из-за растворения в атмосферной влаге антропогенных выбросов (оксиды серы, оксиды азота, хлорводород, сероводород и т.д.). Реакции с участием указанных соединений, происходят только через несколько суток. Благодаря чему кислотные облака могут быть унесены на значительные расстояния от источника выбросов.

Кислотные дожди вызывают тяжелые последствия, среди которых гибель животных и растений, разрушение почвенного покрова, закисление пресноводных водоемов. Помимо этого разрушаются здания, подвергаются коррозии металлические изделия. Негативные последствия кислотных дождей зафиксированы в Канаде, США, Европе, России, Украине, Белоруссии и других странах.

Смог

Смог (туман) представляет собой многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц.

Различают два типа смога: лондонский (зимний) и лос-анджелесский (летний). Возникновение смога обусловлено высокой концентрацией в атмосфере оксидов азота, углеводородов и др. загрязнений, интенсивной солнечной радиацией и безветрием (или очень слабым обменом воздуха). Такие условия в городе часто создаются в летнее время, и реже зимой. По своему физиологическому воздействию на организм человека смог крайне опасен для дыхательной и кровеносной системы. Также возможна гибель домашних животных, повреждение растений и ряд других негативных последствий.

В 1952 г. в Лондоне от смога за две недели погибло более 4000 человек. В Омске смог наблюдался летом 1991 года, когда была очень жаркая безветренная погода.

Также необходимо отметить, что городские экосистемы способствуют загрязнению воздуха и повышению его температуры, уменьшению солнечной радиации, увеличению влажности и количества осадков.

Охрана атмосферы

Мероприятия, направленные на поддержание частоты воздуха и борьбы с загрязнением атмосферы, складываются из комплекса мер.

1. Планировочные мероприятия:

· вынос объектов промышленного назначения за пределы жилого массива на расстоянии 2-3 км от жилых кварталов;

· правильное размещение промышленных предприятий в районе застройки с учетом направления господствующих ветров в данной местности;

· использование зеленых насаждений.

2. Технические мероприятия:

· правильное использование технологического оборудования, участвующего в производственном процессе;

· использование малоотходных и безотходных технологий, исключающих попадание в атмосферу загрязняющих веществ;

· предварительная очистка топлива или замена его более экологичными видами и перевод различных агрегатов на электроэнергию и др.

Кроме того, актуальной задачей современности является снижение загрязнения атмосферного воздуха отработанными газами автомобилей. В настоящее время разрабатываются электродвигатели, а также двигатели работающие на спирте, водороде и др.

3. Санитарно-гигиенические мероприятия:

· тоннели для машин и подземные переходы для пешеходов;

· сооружение рациональных транспортных развязок (предотвращающих «пробки»);

· организация службы мониторинга, которая должна осуществлять контроль за состоянием атмосферного воздуха.

4. Законодательные мероприятия:

· законодательное закрепление правовых мер, которые предусматривают в случае нарушения, административные, дисциплинарные, уголовные и материальные меры ответственности.

В Омске разработана программа по оздоровлению экологической обстановки, в которой, в частности, предусмотрено переводить теплоэнергетические установки (ТЭЦ, котельные), в том числе и транспорт, на более экологически чистое топливо - природный газ, электричество. В рамках решения проблемы по уменьшению вредных последствий автотранспорта природоохранная служба и Государственная инспекция безопасности дорожного движения (ГИБДД) проводят ежегодные месячники по контролю за токсичностью автомобилей. В соответствии с законом РФ «Об охране окружающей природной среды», на территории Омской области введены нормативные платы за выбросы загрязняющих вредных веществ в атмосферный воздух от стационарных источников.

Дата добавления: 2014-11-07