Источники и состав загрязнения атмосферы

Загрязнением атмосферы считается изменение ее состава в результате поступления газообразных, жидких и твердых примесей. За относительно чистый можно принимать такой воздух, в котором количество вредных примесей не превышает предельно допустимые концентрации (ПДК)и который не оказывает существенного отрицательного влияния на растительные и животные организмы.

В последнее десятилетие отмечается изменение газового состава атмосферы в связи с ростом концентрации некоторых ее компонентов и появлением новых загрязняющих веществ. Загрязнения бывают локальные и глобальные.

Локальные загрязнения связаны, главным образом, с городами и крупными промышленными районами; глобальное загрязнение распространяется на значительные расстояния от источника выброса и охватывает большие пространства. С локальными загрязнениями связано возникновение смога, с глобальными – усиление парникового эффекта, кислотные дожди и разрушение озонового слоя Земли.

Основными источниками загрязнения атмосферы являются:

- природные (естественные) – естественные загрязнители минерального, растительного или микробиологического происхождения, к которым относятся извержения вулканов, лесные и степные пожары, пыль, пыльца растений, выделения животных и др.;

- искусственные (антропогенные), которые можно разделить на несколько групп:

а) бытовые – загрязнители, обусловленные сжиганием топлива в жилом секторе и переработкой бытовых отходов;

б) производственные – загрязнители, образующиеся как выбросы при технологических процессах, отоплении;

в) транспортные - загрязнители, образующиеся при работе автомобильного, железнодорожного, воздушного, морского и речного транспорта.

По составу антропогенные источники загрязнения атмосферы можно разделить на несколько групп:

- механические загрязнители – пыль цементных заводов, дым от сгорания угля в котельных, топках и печах, сажа от сгорания нефти и мазута, истирающиеся автопокрышки и т.д.;

- химические загрязнители – пылевидные или газообразные вещества, способные вступать в химические реакции;

- радиоактивные загрязнители.

Источники и состав загрязнения атмосферы Беларуси и г. Могилева. В атмосферу Беларуси ежегодно выбрасывается около 1 млн т загрязняющих веществ (ЗВ), при этом примерно 75 % выбросов приходится на выбросы автотранспорта. Из выбросов стационарных источников 54 % связаны с сжиганием топлива, а 46 % - с технологическими процессами.

Вклад каждой области в загрязнение атмосферы представлен на рисунке 4.Около трети всех выбросов приходится на Минскую область, наименьшее количество ЗВ выбрасывается в Гродненской и Могилевской областях.

На рисунке 5 представлен состав выбросов в атмосферу Беларуси. Около 55 % составляют выбросы оксида углерода, которые связаны с сжиганием топлива на ТЭС и транспортом.

Общий объем выбросов не позволяет судить о качестве атмосферного воздуха, т.к. в атмосферу могут выбрасываться очень опасные вещества, но в небольшом количестве. Поэтому для оценки качества воздуха применяется показатель ИЗА – индекс загрязнения атмосферы, который учитывает не только объемы выбросов ЗВ, но и их класс опасности.

Рисунок 4. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу по областям Беларуси

Рисунок 5. Состав выбросов в атмосферу Беларуси

ИЗА рассчитывается для 5 ЗВ – т.н. приоритетные примеси. В Могилеве такими примесями являются: формальдегид, фенол, аммиак, сероуглерод, оксиды азота. ИЗА в Могилеве постоянно снижается (см. рисунок 6).

Рисунок 6. Значения ИЗА для Могилева

Снижению ИЗА в Могилеве способствовало выполнение ряда природоохранных мероприятий, внедрение новых технологических процессов и энергосбережение. Например (за 2004-2005 гг.), котельные ТЭС в Могилеве переведены на природный газ, проводится реконструкция литейного производства на металлургическом заводе, ЗИВом приобретена новая очистная установка и т.д. Для города характерно загрязнение не столько основными, сколько специфическими примесями. Специфическими загрязнителями являются выбросы ЗИВа – сероуглерод и сероводород (С_г = 0,7 ПДК), продукты сгорания топлива – бенз(а)пирен (С_г = 0,8 ПДК). Наиболее загрязнен воздух на ул. Мовчанского, ул. Островского. Повышенный уровень загрязнения наблюдается на юго-западе города (ул. Челюскинцев), в районе ж/д вокзала и в центре.

Парниковый эффект

Парниковый эффект – это удержание тепловой энергии Солнца вблизи земной поверхности.

Парниковый эффект формируется следующим образом. Источником энергии атмосферных процессов является солнечная радиация (солнечное излучение). Часть солнечного излучения, не отразившаяся от облаков, проходит через атмосферу и нагревает земную поверхность. Нагретая поверхность Земли испускает тепловое (инфракрасное) излучение, которое поглощается некоторыми газами в атмосфере. В результате температура поверхности Земли и приземного слоя воздуха выше, чем она была бы при отсутствии парникового эффекта. Средняя температура поверхности Земли равна +15 ° С, а без парникового эффекта она была бы -18 ° С. Т. о., парниковый эффект – один из механизмов жизнеобеспечения на Земле.

К основным парниковым газам относятся: пары воды, диоксид углерода, оксиды азота, метан, озон, фреоны.

Ведущую роль в парниковом эффекте играет водяной пар, находящийся в атмосфере. Пары воды поглощают около 62 % инфракрасного излучения Земли. За водяным паром следует углекислый газ – 22 %, вклад остальных парниковых газов существенно меньше. Парниковый эффект каждого из парниковых газов зависит от трех основных факторов: а) эмиссии в атмосферу, б) времени жизни в атмосфере, в) «парниковой эффективности». Сравнительная характеристика парниковых газов представлена в таблице 1.

В настоящее время происходит усиление парникового эффекта, что отражается в изменении климата Земли. За период 1890-1980 гг. рост глобальной температуры составил 0,7 ⁰С. В соответствии со сценариями наиболее вероятной величины эмиссии парниковых газов глобальная температура за период с 1990 по 2100 г. увеличится соответственно на 1 и 3,5 ° С. В любом варианте потепление будет значительнее, чем все колебания климата в течение последних 10 000 лет. Рост температуры воздуха будет сопровождаться увеличением количества осадков, хотя картина пространственного изменения распределения осадков будет более пестрой, чем распределение температуры воздуха. Вариация изменения осадков будет находиться в пределах от –35 % до +50 %. При этом относительно небольшие изменения средних показателей климата будут, по всей вероятности, сопровождаться повышением частоты редких катастрофических событий, таких как тропические циклоны, штормы, засухи, экстремальные температуры воздуха и прочее.

Даже учитывая высокую неопределенность развития событий, можно все же ожидать нижеследующие последствия изменения климата (см. рисунок 7).

Изменения ландшафтов суши. В средних широтах повышение температуры на 1–3,5 ° С за ближайшие сто лет будет эквивалентно смещению изотерм на 150–550 км в сторону полюсов. Ландшафты сдвинутся к северу при их значительной трансформации. Т.к. скорость изменений климата будет, по-видимому, выше, чем способность некоторых видов приспосабливаться к новым условиям, и ряд видов может быть потерян, могут исчезнуть и некоторые типы экосистем. Пустыни станут еще более аридными вследствие более значительного повышения температуры воздуха по сравнению с осадками.

Деградация криосферы. Ожидается сокращение компонентов криосферы: морских льдов, горных и небольших покровных ледников, глубины и распространения вечной и сезонной мерзлоты, площади и продолжительности залегания сезонного снежного покрова. Частичная деградация вечной и сезонной мерзлоты повлияет на увеличение эмиссии углекислого газа и перестройку процессов эмиссии метана в атмосферу. Считается, что ледниковые покровы Антарктики и Гренландии в ближайшие сто лет все-таки практически не изменятся.

Таблица 1 – Парниковые газы и их участие в глобальном потеплении

Парниковый газ	Источники поступления в атмосферу	Эмиссия, Мт/год	Доиндустриальная концентрация, в частях на млн	Современная концентрация, в частях на млн	Время жизни в атмосфере	«Парниковая эффективность»	Участие в парниковом эффекте (без водяного пара), %
Углекислый газ	Сжигание топлива, вырубка леса	6 000			50-200 лет
Метан	Анаэробное разложение (свалки, рисовые поля), добыча нефти и газа	300-400	0,8	1,7	10 лет		12-19
Оксиды азота	Вырубка лесов, минеральные удобрения, сжигание топлива	4-6	0,285	0,32	140-190 лет		4-6
Фреоны	Хладагенты, аэрозоли, растворители, пенообразователи			0,001	65-110 лет		17-21
Озон	Фотохимические реакции с кислородом атмосферы	--	--	0,22	Часы-дни

Рост уровня Мирового океана. В последнее столетие происходил неуклонный рост среднего уровня Мирового океана, составивший 10–25 см. В соответствии со сценариями для минимального и максимального повышения температуры уровень Мирового океана поднимется к 2100 г. соответственно на 15 и 95 см. Уровень океана будет продолжать расти в течение нескольких столетий после 2100 г., даже если концентрация парниковых газов стабилизируется.

Рост уровня океана с сопутствующим увеличением частоты и силы штормовых нагонов приведет к затоплению низко расположенных территорий, разрушению берегов с угрозой сооружениям, на них находящимся, увеличению солености рек в их устьях и подземных вод, изменению условий транспорта наносов и растворенных веществ и многим другим, зачастую плохо предсказуемым последствиям. В особенности пострадают низкие острова и плоские побережья, в том числе многие крупные и сверхкрупные города. Могут возникнуть весьма значительные миграции населения с серьезными экономическими и политическими последствиями. В настоящее время около 46 млн чел. подвержены риску затопления от морских штормов. При росте уровня океана на 1 м этот показатель возрастает до 118 млн чел. даже без учета ожидаемого прироста населения. Некоторые островные страны практически перестанут существовать.

Изменение климата может также воздействовать на изменения циркуляции вод океана, что в свою очередь повлияет на обилие питательных веществ, биологическую продуктивность, структуру и функции морских экосистем. Могут измениться направления поверхностных морских течений, в этом случае Скандинавский п-в может снова стать центром материкового оледенения.

Хозяйственная деятельность человека. Климат и его изменения в первую очередь оказывают влияние на гидрологический режим; использование водных ресурсов; работу водохозяйственных систем. Относительно небольшие изменения климата могут вызвать большие изменения стока, в особенности в аридных районах. В отдельных случаях при росте средней температуры на 1–2 ° С и сокращении осадков на 10 % средний годовой сток может сократиться на 40–70 %. Потребуются значительные капиталовложения для приспособления водохозяйственных систем к новым условиям. В особенности серьезные проблемы возникнут там, где водопотребление уже значительно, или где велико загрязнение вод.

Воздействия на агроэкосистемы будут весьма сложными и неоднозначными. В районах, где земледелие лимитируется притоком тепла, вероятность повышения урожая увеличится. В аридных и семиаридных районах, где оно ограничено наличием доступной для растений влаги, изменение климата отразится неблагоприятным образом. Более высокие температуры воздуха будут способствовать ускорению естественного разложения органического вещества почвы, снижая ее плодородие. Увеличится вероятность распространения вредителей и болезней растений.

Нельзя оставить без внимания влияние потепления климата и на животноводство. Продуктивность скота (мясомолочная продукция) будет возрастать в теплые зимние сезоны и уменьшаться в жаркие летние сезоны. Высокие летние температуры могут увеличивать смертность старых животных в результате тепловых стрессов и других явлений.

Энергетика. Влияние метеорологических и климатических факторов на энергетику осуществляется через изменение условий производства энергии, эксплуатации и содержания энергетических систем, а также колебания спроса на энергию со стороны потребителей. Наиболее чувствительна к погодным и климатическим факторам гидроэнергетика.

Развитые страны используют около 17 % общей энергии на производство продовольствия. В развивающихся странах количество потребляемой на эти нужды энергии – от 30 до 60 %. Для получения урожаев с ирригационных площадей использование энергии возрастает на 400 %. Следовательно, в случае потепления климата для сохранения сборов зерна на современном уровне должно произойти увеличение используемой энергии. Это приведет в том числе к увеличению сжигания органического топлива, следовательно, к возрастанию концентрации СО₂ в атмосфере и еще большему потеплению климата.

Изменение климата отразится и на здоровье людей. Оценить потенциальные последствия глобального потепления для здоровья людей чрезвычайно сложно, т.к. надо учитывать не только изменение климата, но и социально-экономические условия – питание, доступность здравоохранения и т.д. Тем не менее, ряд последствий можно спрогнозировать уже сейчас. К прямым последствиям изменения климата относят: повышение заболеваемости сердечно-сосудистыми и респираторными заболеваниями, а также рост числа травм, психологических расстройств и смертных случаев из-за повышения повторяемости экстремальных природных явлений (ураганов, наводнений, засух и т.д.). В перспективе более значимыми станут косвенные эффекты. Например, потепление климата позволит расширить среду обитания переносчикам болезней. Ныне малярией заболевают около 300 млн чел. в год (2 млн – умирает). По прогнозам ВОЗ во второй половине XXI в. Заболеваемость малярией может возрасти на 50-80 млн случаев в год. Потепление климата и, как следствие, уменьшение запасов качественной питьевой воды повысят заболеваемость холерой, сальмонеллезом и некоторыми другими инфекционными болезнями. Изменения в растительном покрове могут повлечь вспышки аллергических расстройств и повышения уровня заболеваемости астмой.

Мероприятия по стабилизации парникового эффекта.

Наиболее эффективным способом защиты следует считать значительное сокращение выбросов углекислого газа. Этого можно достичь несколькими методами:

- развитие альтернативной энергетики, ГЭС,

- энергосбережение,

- технологические решения (очистные сооружения).

Основной документ, регулирующий сотрудничество в области изменения климата, – Рамочная конвенция ООН об изменении климата (1992 г., Рио-де-Жанейро). В соответствии с Конвенцией, страны-участники должны взять на себя обязательство по сокращению эмиссии парниковых газов и, прежде всего углекислого газа. В 1997 г. подписан Киотский протокол, вступивший в действие в январе 2005 г., регламентирующий выбросы углекислого газа.

Рисунок 7. Последствия усиления парникового эффекта

Кислотные осадки

Термином "кислотные осадки" называют все виды метеорологических осадков - дождь, снег, град, туман, дождь со снегом, - рН которых меньше 4. Впервые термин «кислотный дождь» был введен в 1872 г. английским исследователем Ангусом Смитом.

Дождевая вода в чистом виде имеет уровень рН, равный 5,6-5,7. Т.е., вода обычного дождя представляет собой слабокислый раствор. Это происходит вследствие того, что природные вещества атмосферы, такие как двуокись углерода (СО₂), вступают в реакцию с дождевой водой. При этом образуется слабая угольная кислота (CO₂ + H₂O —> H₂CO₃).

Кислотный дождь образуется в результате реакции между водой и такими загрязняющими веществами, как диоксид серы (SO₂) и различными оксидами азота (NO_х). Вступая в реакцию с водой атмосферы, они превращаются в растворы кислот - серной, сернистой, азотистой и азотной. Затем, вместе со снегом или дождем, они выпадают на землю (см. рисунок 8).

Источники соединений серы. Соединения серы, как мы уже упоминалось, частично попадают в атмосферу естественным путем, а частично антропогенным. Существуют два основных источника естественной эмиссии серы.

1. Процессы разрушения биосферы. С помощью анаэробных (действующих без участия кислорода) микроорганизмов происходят различные процессы разрушения органических веществ. Благодаря этому содержащаяся в них сера образует газообразные соединения. Вместе с тем определенные анаэробные бактерии извлекают из сульфатов, растворенных в естественных водах, кислород, в результате чего образуются сернистые газообразные соединения. Можно предположить, что выделение серы биологическим путем не превышает 30-40 млн т в год, что составляет около 1/3 всего выделяемого количества серы.

2. Вулканическая деятельность. При извержении вулкана в атмосферу наряду с большим количеством двуокиси серы попадают сероводород, сульфаты и элементарная сера. Эти соединения поступают главным образом в нижний слой – тропосферу. С извержением вулканов в атмосферу ежегодно в среднем попадает около 2 млн. т. серосодержащих соединений.

В результате деятельности человека в атмосферу попадают значительные количества соединений серы, главным образом в виде ее двуокиси. Среди источников этих соединений на первом месте стоит уголь, сжигаемый на электростанциях, который дает 70 % антропогенных выбросов. Источниками образования двуокиси серы могут быть также отдельные отрасли промышленности, гл. о. металлургическая, а также предприятия по производству серной кислоты и переработке нефти. Т. о., ежегодно в результате деятельности человека в атмосферу попадает 60-70 млн т серы в виде двуокиси.

Источники оксидов азота могут быть как естественными, так и антропогенными. Рассмотрим наиболее важные естественные источники.

Почвенная эмиссия оксидов азота. В процессе деятельности живущих в почве денитрифицирующих бактерий из нитратов высвобождаются оксиды азота. Согласно современным данным ежегодно во всем мире таким образом образуется 8 млн т оксидов азота.

Грозовые разряды. Во время электрических разрядов в атмосфере из-за очень высокой температуры и перехода в плазменное состояние молекулярные азот и кислород в воздухе соединяются в оксиды азота. В состоянии плазмы атомы и молекулы ионизируются и легко вступают в химическую реакцию. Общее количество образовавшихся таким способом оксидов азота составляет 8 млн т в год.

Естественные источники Естественные

источники

соединений серы. NO_x

Атмосфера

Антропогенные источники

соединений серы.

Антропогенные

источники NO_x

Рисунок 8. Блок-схема возникновения кислотных дождей в атмосфере

Горение биомассы. Этот источник может быть как естественным, так и искусственным. Наибольшее количество биомассы сгорает в результате выжигания леса (с целью получения производственных площадей) и пожаров в саванне. При горении биомассы в воздух поступает 12 млн т оксидов азота в год.

Прочие источники естественных выбросов оксидов азота менее значительны и с трудом поддаются оценке. К ним относятся: окисление аммиака в атмосфере, разложение находящейся в стратосфере закиси азота, вследствие чего происходит обратное попадание образовавшихся оксидов NO_x в тропосферу и, наконец, фотолитические и биологические процессы в океанах. Эти естественные источники совместно вырабатывают в год 2-12 млн т оксидов азота.

Среди антропогенных источников образования оксидов азота на первом месте стоит горение ископаемого топлива (уголь, нефть, газ и т. д.). Во время горения в результате возникновения высокой температуры находящиеся в воздухе азот и кислород соединяются. Количество образовавшегося оксида азота NO пропорционально температуре горения. Кроме того, оксиды азота образуются в результате горения имеющихся в топливе азотсодержащих веществ. Сжигая топливо, человек ежегодно выбрасывает в воздух 12 млн т оксидов азота.. Значительным источником оксидов азота также является транспорт.

Последствия выпадения кислотных дождей наблюдаются в США, Германии, Чехии, Словакии, Нидерландах, Швейцарии, Австралии, республиках бывшей Югославии и еще во многих странах земного шара. Самый кислый дождь выпал 20 апреля 1974 г. в шотландском городе Питлокри, его показатель кислотности был равен 2,4. Это не вода, а что-то вроде столового уксуса.

Кислотообразующие газы надолго остаются в атмосфере и могут перемещаться на огромные расстояния – т.н. трансграничный перенос загрязнений. Например, в Беларуси ежегодно осаждается приблизительно 300 тыс.т восстановленной серы, из которых только 14 % от собственных источников. Поступления из стран Западной Европы составляют 64 %, Украины – 7 %.

Влияние кислотных осадков может быть прямым и косвенным. Чаще всего влияние кислотных осадков бывает именно косвенным, т.е. опасность представляют не сами кислотные дожди, а протекающие под их влиянием процессы.

Воздействия на леса и пашни. Кислотные осадки воздействуют либо косвенным путем: через почву и корневую систему, либо непосредственно (главным образом на листву). Косвенные воздействия могут оказывать как положительный, так и отрицательный эффект. Например, осадки, содержащие соединения азота, некоторое время способствуют росту деревьев, так как снабжают почву питательными веществами. Однако в результате постоянного потребления азота лес им перенасыщается. Тогда увеличивается вымывание нитрата, что ведет к закислению почвы. Во время выпадения осадков вода, стекающая с листьев, приводит к увеличению кислотности почвы. В результате этого возрастают потери необходимых для растений кальция, магния, калия, что ведет к повреждению деревьев. Возрастает также мобильность токсичных тяжелых металлов (марганец, медь, кадмий и др.) в почвах. Растворенные и вследствие этого легко поглощаемые растениями тяжелые металлы являются ядами для растений и могут привести к их гибели. Широко известно, что алюминий, растворенный в сильнокислой среде, ядовит для живущих в почве организмов, ослабляет рост корней и создает опасность для существования деревьев. Происходящие в составе почвы изменения могут преобразовать состав микроорганизмов в почве, воздействовать на их активность и тем самым повлиять на процессы почвообразования, что приведет к нарушению материального и энергетического баланса в экосистемах и дальнейшей их деградации.

Непосредственная гибель растений в наибольшей степени ощущается вблизи от выбросов загрязнений, в радиусе нескольких десятков километров от их источника (см. рисунок 9).

Рисунок 9. Лес, пострадавший в результате выпадения кислотных дождей

Главной причиной является высокая концентрация двуокиси серы. Двуокись серы окисляет ненасыщенные жирные кислоты мембран клеток листьев, тем самым изменяя их проницаемость, что в дальнейшем отрицательно влияет на многие процессы (дыхание, фотосинтез и др.). В первую очередь погибают наиболее чувствительные виды, например, отдельные лишайники, которых считают "индикаторами" чистого воздуха. Из деревьев наиболее чувствительны к прямому воздействию хвойные, так как хвоя подвержена воздействию загрязняющих веществ на протяжении нескольких лет в отличие от деревьев, сбрасывающих листву. Самые чувствительные породы — это ель, лиственница и пихта. Однако многие листопадные деревья также с трудом переносят прямые воздействия вредных веществ (например, бук, граб).

В Европе леса повреждены на площади 50 млн га, что составляет 35 % общей площади леса, а в таких странах как Чехия, Словакия, Греция, Великобритания, Норвегия, Польша доля поврежденных и погибших лесов достигает 49-71 %.

Воздействие на пресные водоемы. Водные растения лучше всего растут в воде со значениями рН между 7 и 9,2. С увеличением кислотности водные растения начинают погибать, лишая других животных водоема пищи. При кислотности рН 6 погибают пресноводные креветки. Когда кислотность повышается до рН 5,5, погибают донные бактерии, которые разлагают органические вещества и листья, и органический мусор начинает скапливаться на дне. Затем гибнет планктон - основа пищевой цепи водоема. Когда кислотность достигает рН 4,5, погибает вся рыба, большинство лягушек и насекомых. Гибель живых существ помимо действия сильноядовитого иона алюминия может быть вызвана и другими причинами. Под воздействием иона водорода, например, выделяются кадмий, цинк, свинец, марганец, а также другие ядовитые тяжелые металлы. Количество растительных питательных веществ, например, фосфора, начинает уменьшаться, так как в растворе ион алюминия образует с ионом ортофосфата нерастворимый фосфат алюминия.

Кислотные дожди нанеси огромный ущерб пресноводным экосистемам Европы и Северной Америки. Так, в Норвегии из 5000 обследованных озер в 1700 исчезла рыба, в Канаде закисленными считаются долее 14 тыс. озер, во многих из которых также отсутствует органическая жизнь (см. рисунок 10).

Воздействие на человека. Естественно, атмосферные кислотные микроэлементы не щадят и человека. Однако здесь речь идет уже не только о кислотных дождях, но и о том вреде, который приносят кислотные вещества (двуокись серы, двуокись азота, кислотные аэрозольные частицы) при дыхании. Физиологические исследования показали, что степень вредного воздействия прямо пропорциональна концентрации загрязняющих веществ. При концентрации SO₂ около 1 мг/м³ возрастает число смертельных случаев, в первую очередь среди людей старшего поколения и лиц, страдающих заболеваниями дыхательных путей. Также установлена зависимость между загрязнением двуокисью серы и различными заболеваниями дыхательных путей (грипп, ангина, бронхит и т.д.). Помимо прямого воздействия, на человека закисление окружающей среды влияет и косвенно. Через питьевую воду и животную пищу, например, через рыбу в организм человека также могут попасть токсичные металлы, переходящие в растворимое состояние в результате закисления среды.

Кислотный дождь может также причинять вред металлам, различным зданиям и памятникам. В первую очередь подвержены опасности памятники, построенные из песчаника и известняка, а также расположенные под открытым небом скульптуры. В Италии, Греции и других странах сохранявшиеся на протяжении сотен и тысяч лет памятники старины и различные предметы старины за последние десятилетия сильно разрушились в результате действия выброшенных в атмосферу загрязняющих веществ.

Рисунок 10. Озеро, пострадавшее в результате выпадения кислотных дождей

Рисунок 11. Разрушающаяся скульптура

Мероприятия по снижению негативного воздействия кислотных дождей.

Наиболее эффективным способом защиты следует считать значительное сокращение выбросов двуокиси серы и окиси азота. Этого можно достичь несколькими методами:

- развитие альтернативной энергетики, ГЭС,

- энергосбережение,

- технологические решения (очистные сооружения, применение высоких труб на заводах, предварительная обработка топлива с целью снижения содержания серы, повышение температуры сжигания топлива).

Для спасения природных экосистем применяется известкование или внесение фосфорных удобрений в небольших количествах.

Памятники культуры с целью предотвращения дальнейшего их разрушения обрабатывают специальной глазурью.

Среди международных соглашений следует отметить Конвенцию о трансграничном загрязнении атмосферы (1979 г.), которая содержит большое количество протоколов, регламентирующих сокращение выбросов кислотообразующих газов, контроль их содержания в атмосфере, международное сотрудничество и финансирование мероприятий, направленных на снижение воздействия кислотных осадков на экосистемы и человека.

Проблема разрушения озонового слоя

Озон (химическая формула О₃) представляет собой едкий, слегка голубоватый газ. Характерный запах озона ощущается при концентрации 0,0001 %. В атмосфере Земли содержится около 3,29 · 10 ⁹ т озона. Это означает, что при нормальном приземном давлении весь атмосферный озон образовал бы слой всего 3 мм толщиной. Озон – сильнодействующий яд, по токсичности превосходящий синильную кислоту.

Для образования озона необходимы свободные атомы кислорода. Они образуются при поглощении молекулой О₂ квантов ультрафиолетового излучения:

О₂ + hν → О + О

Озон образуется:

О + О₂ ↔ О₃

В условиях стратосферы и мезосферы это главная реакция образования озона.

Озон разрушается при столкновениях с атомами кислорода и при поглощении фотонов солнечного света. Т.о., количество озона в атмосфере не является статичным, но находится в динамическом равновесии.

Содержание озона различается по высоте и по широтам. Озоновый слой тоньше в экваториальных районах и толще в полярных. В нижних слоях атмосферы его содержание невелико, максимальное количество озона наблюдается на высотах 18-24 км, выше 35 км содержание озона в атмосфере пренебрежимо мало. Высоты с максимальным содержанием озона (18-24 км) принято называть озоновым слоем.

К основным свойствам озона относятся:

Ø способность поглощать УФ-излучение Солнца,

Ø способность поглощать инфракрасное излучение, вследствие чего озон относят к парниковым газам,

Ø высокая химическая активность (окисляющая способность), вследствие чего озон является компонентом фотохимического смога,

Ø участие в стратосферной циркуляции атмосферы.

Значение озона для биосферы. Наиболее ценным свойством озона является его способность поглощать УФ-излучение Солнца (200-300 нм), разрушительно воздействующее на ДНК, нуклеиновые кислоты и белки. УФ-излучение обладает большой энергией и способно вызвать деструкцию молекулярных и межмолекулярных связей, а также образование свободных радикалов в клетке. Поэтому большие дозы УФ-излучения могут вызвать ожоги кожи и канцерогенные реакции, повреждения глаз. Кроме того, УФ-Б влияет на синтез пигментов, активность ферментов и гормонов, формирование индивидуального иммунитета. Считается, что если толщина озонового слоя уменьшится на 15 %, то это приведет к росту ДНК-повреждающего излучения на 47 %, ожидается резкий рост заболеваний раком кожи и катарактой у человека и некоторых высших животных. Косвенным подтверждением этих выводов является ситуация в чилийском городе Пунте-Ар Энас, находящимся в антарктической озоновой дыре. Интенсивность УФ-излучения в этом городе настолько велика, что человек получает солнечные ожоги буквально за несколько минут пребывания на открытом воздухе.

УФ-излучение ингибирует (тормозит) фотосинтез, поэтому при уменьшении содержания озона в атмосфере прогнозируются потери в сельском хозяйстве из-за снижения продуктивности и урожайности сельскохозяйственных культур.

Отдельную проблему представляет воздействие УФ-излучения на морские организмы. УФ-Б излучение влияет на структуру сообществ фитопланктона, его продуктивность. Любые изменения в биомассе и продукции планктона приведут к коренной перестройке морских экосистем и глобальным диспропорциям в углеродном балансе. Конечно, морские организмы обладают защитными механизмами, однако при определенных длинах волн УФ-излучения защитные механизмы «не работают». Поэтому ожидаются генетические мутации морских организмов с трудно предсказуемыми последствиями для биосферы.

Тренд содержания озона. В настоящее время наблюдается постепенное уменьшение содержания озона в атмосфере Земли. В период с 1979 по 1990 гг. общее содержание озона упало на 5 %. Уменьшение содержание озона над Евразией представлено в таблице 2.

Таблица 2. – Тренды общего содержания озона (1973 – 1995 гг.) над Евразией

Месяцы года	Тренд содержания озона, % за 10 лет
Европа	Азия
Январь	-5,0	-4,4
Февраль	-5,1	-5,4
Март	-3,8	-5,4
Апрель	-5,3	-5,3
Май	-2,4	-3,3
Июнь	-2,8	-2,5
Июль	-3,1	-1,8
Август	-1,8	-1,2
Сентябрь	-0,9	-1,9
Октябрь	-3,1	-4,7
Ноябрь	-2,5	-3,0
Декабрь	-3,4	-2,7

Как видно из приведенной таблицы, наиболее сильно количество озона уменьшается в зимние и весенние месяцы. В глобальном масштабе тренд содержания озона по широтам представлен на диаграмме (см. рисунок 12). Наибольшие потери озона наблюдаются в умеренных и высоких широтах, как северного, так и южного полушария.

Озон отличается значительной изменчивостью во времени и по территории (до 20 %) вследствие колебаний солнечной радиации и циркуляции атмосферы, что маскирует антропогенные воздействия. Тем не менее, большинство ученых считают, что именно хозяйственная деятельность человека является основной причиной уменьшения озонового слоя. В процессе своей деятельности человек выбрасывает в атмосферу вещества, ускоряющие реакции разрушения озона. В результате этого нарушается динамическое равновесие озона в атмосфере: за единицу времени его разрушается больше, чем образуется.

Циклы разрушения озона. Выделяют несколько основных циклов разрушения озона.

1. Азотный цикл. Озон может разрушаться, взаимодействуя с оксидами азота:

О₃ + NO →NO₂ + O₂

=> O + O₃ →O₂ + O₂

NO₂ + O → NO + O₂

Обрыв цикла:

ОН + NO₂ → НNO₃

Антропогенными источниками оксидов азота в атмосфере являются:

v полеты авиации,

v азотные удобрения,

v сжигание топлива,

v ядерные взрывы.

Рисунок 12. Тренд общего содержания озона по широтам за период 1978-1994 гг. (в % за 10 лет)

Основными продуктами сгорания самолетного топлива являются NO и NO₂. основная масса продуктов сгорания образуется в слоях: а) 10-14 км (дозвуковая авиация) и б) 16-18 км (сверхзвуковая авиация). Атмосферные ядерные взрывы, к счастью, не проводятся. Уменьшение содержания озона в результате роста содержания оксидов азота оценивается в 0,8-1,5 %.

2. Водородный цикл. Водород поступает в атмосферу в виде воды и метана.

Н₂О₂ + О₃ → ОН + 2О₂

=> О₃ + О → О₂ + О₂

ОН + О₃ → НО₂ + О₂

Антропогенные источники воды – ракеты (см. таблицу 3). Состав выбросов космических аппаратов сложен, и оценить влияние этих выбросов на состояние озонового слоя можно только приблизительно, тем более, что в настоящее время запуски космических аппаратов достаточно редки.

Антропогенные источники метана – выбросы из угольных шахт, добыча нефти и природного газа, свалки, рисовые поля, домашние животные.

В целом, вклад в разрушение озонового слоя водородным циклом неоднозначен.

Таблица 3. – Выбросы некоторых космических аппаратов

Тип космического аппарата	Продукты сгорания, т/ 1 пуск
Н2О	HCl	Al2O3	NO	H2	CO	CO2
«Шатл»	727,3	224,6	309,9	87,6	51,9	324,5	13,2
«Энергия»		-	-	-	26,9		648,6
«Титан»	70,7	93,6	129,2	108,4	14,9		32,8
«Протон»		-	-	-	0,05	55,1	134,7

3. Хлорный цикл.

Cl + O₃ → ClO + O₂

=> O + O₃ → 2 O₂

ClO + O → Cl + O₂

Причем, скорость распада озона на 1 молекулу ClO в 6 раз выше, чем на 1 молекулу NO_x.

Антропогенный источник хлора в атмосфере – фреоны (хлорфторуглеводороды). Фреоны – газы или летучие жидкости, нетоксичны, невзрывоопасны, химически неактивны. Используются в качестве хладагентов, пенообразователей, растворителей и аэрозолей. С 1950 по 1980 гг. выбросы фреонов выросли примерно в 300 раз, их концентрация в стратосфере возросла в 4 раза.

При совместном присутствии перечисленных веществ их воздействие на озон уменьшается.

Озоновые дыры – это области с пониженным (на 40-60 % от нормы) количеством озона в атмосфере. Впервые озоновые дыры были зафиксированы над Антарктидой в 1976 г. С тех пор площадь антарктической озоновой дыры только возрастает и в настоящее время составляет примерно 30 млн км² (см. рисунок 13). Появление озоновой дыры над Антарктидой связано с неблагоприятным сочетанием: а) климатических условий и б) загрязнения атмосферы оксидами азота и фреонами. Сильное выхолаживание приземного слоя воздуха над Антарктидой приводит к денитрификации атмосферы (кристаллизация оксидов азота на поверхности стратосферных облаков), это влечет за собой усиление влияния хлорного цикла на озон. Содержание хлора над Антарктидой также велико, как и над другими областями Земли вследствие перемешивания воздушных масс.

С 90-х гг. «мини» озоновые дыры наблюдаются и над северным полушарием. В отличие от антарктической дыры мини-дыры меньше по размерам, динамичны, существуют не дольше нескольких недель. Чаще всего наблюдаются в зимне-весенний сезон. Их появление вызывает озабоченность в связи с высокой плотностью населения в северном полушарии, тем не менее, существенной угрозы эти дыры пока не представляют, т.к. наблюдаются в сезон максимального содержания озона в течение года.

Дата добавления: 2015-05-31