Загрязнение атмосферы

Виды загрязнителей атмосферы. По ГОСТ 17.2.1.01-76 выбросы в атмосферу классифицируют: по агрегатному состоянию: 1) газообразные (SО₂, СО, NO_x, углеводороды), 2) жидкие (кислоты, щелочи, растворы солей, жидкие металлы, органические соединения), 3) твердые аэрозоли (канцерогенные вещества, свинец и его соединения, пыль, сажа); по массе выброса (т/сутки): 1) < 0,01; 2) 0,01-0,1; 3) 0,1-1; 4) 1-10; 5) 10-100; 6) > 100; по размеру твердых частиц (мкм): 1) до 1; 2) 1-10; 3) 10-50; 4) более 50; по размеру жидких частиц (мкм): 1) < 0,5 — супертонкий туман; 2) 0,5-3 — тонкодисперсный туман; 3) 3-10 — грубодисперсный туман; 4) более 10 — брызги.

В состав аэрозолей обычно входят 4 группы веществ: твердый углерод (сажа), сульфаты, органические соединения, вода.

Особый вид загрязнения атмосферы — радиоактивные нуклиды (см. п. 2.3.6).

Естественное загрязнение атмосферы определяется пожарами, пыльными бурями, извержением вулканов, разрядами молний (синтез оксидов азота). Примеры: извержение вулкана Кракатау в 1883 г., закрывшее пылью большую часть неба Земли; пыльная буря 1975 г. в пустыне Сахара, достигшая земель Югославии.

Основные источники антропогенного загрязнения атмосферы. В развитых странах основное загрязнение атмосферы создают теплоэнергетика (тепловые электростанции), промышленность (металлургические и цементные заводы) и автотранспорт. В России в 90-х гг. ежегодные выбросы загрязняющих веществ в атмосферу достигали 40 Мт (около 6% мировых выбросов), в том числе от стационарных источников — около 20 Мт. Из них доля выбросов теплоэнергетики составляла 27%, черной и цветной металлургии — 35, нефтедобычи и нефтехимия — 15, стройиндустрии — 8, химической промышленности — 2%. Доля транспорта — 30-35% от общей массы выбросов, в том числе автотранспорта — 95%, самолетов — 2,5, водного транспорта — 2,5%. В США основным загрязнителем воздуха является автотранспорт — более 50%.

Промышленные загрязнения преимущественно связаны с переработкой или сжиганием каменного и бурого угля. Так, при коксовании 1 т угля образуется около 300 м³ коксового газа. Он помимо водорода и метана, которые составляют 70-90% его общего объема, содержит около 4-5% СО, 2-3% углеводородов, 5-10% азота и его соединений. Около 6% газа теряется и поступает в атмосферу.

При выплавке 1 т чугуна выброс пыли составляет около 4,5 кг, сернистого газа — 2,7 кг. Вместе с доменным газом в атмосферу также выбрасываются в небольших количествах соединения мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, пары ртути и редких металлов, цианистый водород и др. Учитывая большие объемы выплавляемого чугуна (сотни миллионов тонн), масштабы загрязнения воздуха металлургическими заводами велики.

Однако в больших масштабах воздух загрязняется пылью, оксидами серы и азота, другими вредными веществами при сжигании угля на тепловых электростанциях. Так, современная тепловая электростанция мощностью 2,4 млн кВт расходует до 20 тыс. т угля в сутки и выбрасывает в атмосферу около 680 т оксидов серы, 200 т оксидов азота, 120-240 т твердых частиц (зола, сажа, пыль).

Химическая промышленность загрязняет атмосферу токсичными газами. Последствия их воздействия на биосферу, человека иногда трагичны. В 1984 г. в г. Бхопале в Индии при аварии на электростанции в воздух поступило 40 т токсичных газов, что привело к смерти 2,5 тыс. чел. и заболеванию более 50 тыс. чел. В мексиканском городе Сегодад за счет ядовитого воздуха, принесенного с территории США, произошли массовые отравления детей ртутью, содержащейся в виде взвеси. Умерло 8 тыс. чел.

Основным загрязнителем городской атмосферы является автотранспорт — 30-70%. Суммарная мощность автомобильных двигателей больше мощности тепловых станций. В СССР выбросы вредных веществ автомобилями (на 80-90% грузовыми) составляли (млн т/год): в 1960 г. — около 10, в 1970 г. — 22, в 1980 г. — 39. Автомобили мира в 80-х гг. ежегодно выбрасывали в атмосферу (млн т/год): СО — 260, углеводородов — 40, оксидов азота — 20. В крупных городах мира (Нью-Йорк, Москва, Токио и др.) автомобильная доля загрязнения воздуха оксидом углерода составляет 90-99%, углеводородами — 65-90%, оксидами азота — до 33%. И степень этого загрязнения с увеличением автомашин грозит создать в городах нездоровые условия жизни, в отдельных случаях — смертельные, особенно когда добавляются иные промышленные выбросы.

В крупных городах с большой плотностью автотранспорта и котельных, сжигающих каменный уголь, нефтяные продукты, при застое воздуха образуется смог — смесь дыма с ядовитым туманом. Он содержит высокие, опасные для жизни людей концентрации угарного газа СО, оксидов серы, азота и их соединений.

Примеры. 1. В Лос-Анджелесе до 60 дней в году наблюдается сильный фотохимический туман из-за загрязнения воздуха автотранспортом. При этом за счет фотореакции образуются нитраты, озон, органические перооксиды, пероксилацетилнитрат. 2. В г. Доноре (США) 26 октября 1948 г. густой туман — смог — окутал на двое суток дома. Заболело около 6 тыс. чел., 20 чел. умерли. 3. В Лондоне в декабре 1952 г. за 3-4 дня от смога пострадали более 4 тыс. чел. Главным вредным компонентом был оксид серы SO2.

Смоги и кислотные дожди — примеры негативного воздействия человека на природу. Оно принимает все более угрожающий характер.

Общая масса антропогенного загрязнения атмосферы составляет около 700 Мт/год. Данные по массе веществ, приведенные в таблице 2.1, ориентировочны, поскольку они весьма различны у разных авторов. Это обусловлено большими колебаниями природных и антропогенных выбросов. При сжигании топлива также образуются пары воды и СО₂. Их к вредным веществам не относят.

Таблица 2.1. Масса веществ, в основном загрязняющих в атмосферу, Мт/год

Почти половина антропогенного загрязнения атмосферы СО, NOx, SO₂, углеводородами связана с выхлопами автотранспорта, количество машин которого в мире составляет около 500 млн И доля этих загрязнений возрастает, так как постоянно растет число автомобилей.

СО. Его основной антропогенный источник — более 80%выхлопные газы автомашин (~260 Мт/год). Они содержат его до 15%. В природе основной источник СО — лесные пожары.

SO₂. Человек его получает обычно при сжигании угля (70%) и мазута (16%). Природный источник — действующие вулканы.

NO_x — NO и NO₂. Образуются при грозах и работе двигателей.

Углеводороды C_nH_x. Их главный источник — растения (~1000 Мт/год). Основной антропогенный источник — выхлопные газы автотранспорта (более 60%).

Влияние загрязнения атмосферы на человека, фауну и флору В организм человека и многих животных загрязнители атмосферы попадают преимущественно (на 90%) через систему дыхания. В организме вредные примеси вызывают токсический эффект, являются помехой для очистки дыхательного тракта, могут быть носителями ядовитых веществ. Основные виды заболеваний от загрязнения воздуха: бронхиты, астма, поражение верхних дыхательных путей, эмфизема легких; сердечно-сосудистые заболевания; болезни глаз.

Примеры. СО соединяется с гемоглобином крови. При его концентрации больше 0,4% ухудшается острота зрения, при 2-5% происходит поражение психомоторных функций головного мозга, при 5-10% нарушается деятельность сердца и легких, а при 10% и больше наступает головная боль, спазмы, паралич легких, смерть. Оксиды серы SO₂, SO₃ и серная кислота также приводят к заболеваниям дыхательных путей и легких. Кислые дожди наносят большой вред растительности, часто губят ее на больших территориях, вдали от источников загрязнения. Оксиды азота и продукты их взаимодействия с углеводородами, типа пероксилацетилнитрата (ПАН) вызывают воспаление глаз, спазмы грудной клетки, сильный кашель.

Проблема озона О₃. Считается, что слой озона в атмосфере на высоте 20-60 км служит щитом для живых организмов, предохраняя их от губительного жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Предполагают, что он сильно поглощает ультрафиолетовую радиацию с длинами волн 0,22-0,29 мкм (220-290 нм). Удельное содержание О₃ (P_озoна/P_во_зд.) '10 6 составляет в северном полушарии от 0,029% (1961-1962 гг.) до 0,031% (1972-1974 гг.). В течение года максимум концентрации озона наблюдается весной, в апреле (0,033-0,035%), а минимум осенью, в октябре (0,027%).

Циклическое изменение содержания озона объясняются: 11-летним циклом солнечной активности; циркуляцией атмосферы, которая приводит к переносу в высокие слои атмосферы оксидов азота, хлора, фреонов, а они катализируют процесс разложения О3 до О₂. Однако здесь много неясного. Так, во-первых, молекулы указанных катализаторов в несколько раз тяжелее молекул воздуха (О2 и N₂) и их подъем в высокие слои атмосферы маловероятен. Вовторых, на высоте более 20 км атмосфера очень разрежена, концентрация молекул воздуха весьма мала и встреча их и продуктов реакции с частицами катализатора — это исключительное событие. В-третьих, непонятен сам механизм фотохимической реакции ультрафиолета с молекулами озона, поскольку дальше атомы озона, в отличие от атомов кислорода, окисляться (терять электроны) не могут. В-четвертых, образование озонных дыр в полярных областях легко объяснить низким или полным отсутствием (в полярную ночь) потока солнечного ультрафиолетового излучения, вызывающего генерацию озона из кислорода. Иными словами, ультрафиолетовое излучение скорее поглощает кислород, а не озон, и озоновые дыры никому не грозят.