Антропогенное загрязнение атмосферы. Кислотные осадки - Большой круговорот веществ. Эндрогенные и экзогенные процессы. Загрязнение атмосферы. Очистка сточных вод

Атмосферный воздух, представляющий собой смесь газов и аэрозолей приземного слоя атмосферы, - важнейшая жизнеобеспечивающая среда для всего живого на Земле. Но он воздействует не только на человека и живые организмы, но и на почвенно-растительный покров, гидросферу, геологическую среду, а также на различные техногенные объекты - здания, сооружения, памятники и др. Поэтому загрязнение атмосферы, под которым понимают попадание в нее физических и химических веществ и соединений, нарушающих ее газовый баланс, может крайне неблагоприятно сказываться на окружающей природной и техногенной среде.

Все источники загрязнения атмосферы подразделяют на естественные и антропогенные.

Естественное загрязнение атмосферы происходит в результате извержений вулканов, ветровой эрозии и пыльных бурь, попадания в нее космической пыли. Главную роль при этом играет вулканическая и флюидная активность Земли. Крупные извержения вулканов приводят к единовременному выбросу в атмосферу (причем не только в ее нижние, но и в более высокие слои) огромного количества газов и пепла. Воздушные потоки разносят их на очень большие расстояния. При этом влияние их сказывается иногда на протяжении нескольких лет.

В качестве примера такого рода в литературе часто приводится извержение вулкана Кракатау (вблизи о. Ява) в 1883 г., которое считают самым сильным за всю историю человечества. Согласно сообщениям, взрыв этого вулкана был слышен в Индийском океане на расстоянии 4800 км. На высоту почти 20 км было выброшено 75 млн. м3 мельчайших твердых частиц вулканического пепла. Неудивительно, что в течение нескольких следующих месяцев этот пепел опоясал весь земной шар, главным образом в средних широтах. Подобные катастрофические извержения случаются и в наши дни. К их числу относятся, например, извержения вулкана Пинатубо на Филиппинах и вулкана Ходсон в Чили вначале 90-х гг. XX в.

Другим примером "поставщика" пыли может служить пустыня Сахара. Возникающие над ее поверхностью пылевые облака затем переносятся восточными и северо-восточными пассатами над всей Западной Африкой.

Антропогенное загрязнение атмосферы вызывается гораздо большим количеством разного рода источников и наносит ей значительно более ощутимый вред, причем такой, который намного превышает способность воздушного океана к самоочищению. В качестве главных источников загрязнения атмосферы выступают: тепловая энергетика, металлургическая, химическая и нефтехимическая, целлюлозно-бумажная промышленность, строительная индустрия и автомобильный транспорт.

Человеческая деятельность приводит к тому, что загрязняющие вещества поступают в атмосферу в основном в двух видах - взвешенных частиц (аэрозолей) и различных газообразных веществ.

Аэрозольное загрязнение - это загрязнение атмосферы крупно - и мелкодисперсными твердыми (пыль) и жидкими (капельки) частицами, не относящимися к постоянному составу атмосферы или резко превышающими их фоновые концентрации. Общее количество аэрозолей антропогенного происхождения, поступающих в атмосферу Земли в течение года, оценивают в 1 млрд. т; по расчетам разных авторов, они составляют от 10 до 50 % суммарного содержания подобных взвесей в атмосферном воздухе.

Аэрозоли в атмосфере способствуют образованию тумана и смога. Туман сам по себе не опасен для человеческого организма, но становится таковым, если в него попадают токсичные примеси. Что же касается смога (от англ. smoke - дым), то он может крайне отрицательно влиять на здоровье и самочувствие людей. Это относится и к влажному, так называемому лондонскому смогу(дымному туману), который наиболее характерен для умеренных широт, возникает обычно в осенне-зимнее время и довольно часто бывает в крупных городах Западной Европы и Северной Америки. В еще большей мере это относится к сухому фотохимическому, так называемому лос-анджелесскому, смогу, который образуется в летнее время в условиях сильной солнечной радиации. В результате фотохимических реакций он обладает повышенной токсичностью.

Еще один крупный источник аэрозолей преимущественно антропогенного происхождения - лесные пожары, порождающие дымные облака, простирающиеся порой на тысячи километров.

Еще большую опасность для человека и других живых организмов представляет поступление в атмосферу газообразных веществ, на которые приходится 97 % всех антропогенных выбросов в эту геосферу. Речь идет, прежде всего, о химических соединениях серы, азота, хлора и углерода.

Оксиды серы образуются главным образом в процессе работы тепловых электростанций и металлургических заводов, которые сжигают уголь, нефть и мазут (в угле содержание серы колеблется от 0,5 до 6 %, а в нефти и мазуте - от 0,5 до 3 %). Оксиды азота образуются при сжигании тех же видов топлива, но в этом случае основным его источником служит сам воздух. Общий объем поступлений сернистого газа, или диоксида серы (S02), в атмосферу Земли в разных источниках обычно оценивается от 100 млн. до 150 млн. т. в год, оксида азота - около 100 млн. т.

С попаданием в атмосферу соединений серы, а также азота непосредственно связана становящаяся все более актуальной проблема так называемых кислотных (кислых) дождей. Механизм их образования очень прост. Диоксид серы и оксиды азота в воздухе соединяются с парами воды, концентрируясь в первую очередь у основания облаков. Затем вместе с дождями (туманами) они выпадают на землю фактически в виде разбавленных серной и азотной кислот. Такие осадки резко нарушают нормы кислотности почвы, ухудшают водообмен растений, способствуя высыханию лесов, особенно хвойных. Попадая в реки и озера, они угнетающе действуют на их фауну и флору, нередко приводя к полному уничтожению биологической жизни - от рыб до микроорганизмов.

Большой вред они наносят и различным конструкционным материалам, ускоряя коррозию металлов, разрушение исторических и архитектурных памятников.

Главные регионы распространения кислотных осадков в мире - США, зарубежная Европа, Россия. Но в последнее время они отмечены также в промышленных районах Японии, Китая, Бразилии, Индии, некоторых других стран. Статистика свидетельствует о том, что в первую десятку городов по уровню концентрации диоксида серы входят Тегеран, Рио-де-Жанейро, Стамбул, Москва, Пекин, Катовице, Тяньцзинь, Мехико, Каир и Сеул. А в первую десятку по степени концентрации оксидов азота попадают Милан, Мехико, София, Пекин, Кордова, Сан-Паулу, Сантьяго, Катовице, Нью-Йорк и Лондон.

С распространением кислотных осадков связано характерное географическое явление, которое обычно называют трансграничностъю. Оно проявляется в том, что расстояние между районами образования кислотных осадков и районами их выпадения может достигать многих сотен и даже тысяч километров. Например, главный виновник кислотных дождей в южной части Скандинавии - промышленные районы Великобритании, Бельгии, Нидерландов, ФРГ. В канадские провинции Онтарио и Квебек такие дожди переносятся из соседних районов США.

Несмотря на столь негативное воздействие соединений серы, и азота на окружающую среду, пожалуй, еще больше внимания ученых, политических деятелей и широкой общественности привлекают последствия попадания в атмосферу различных соединений углерода. При этом прежде всего имеется в виду диоксид углерода, или углекислый газ (СО2), который образуется при сжигании всех видов минерального топлива, но также оксид углерода, или угарный газ (СО), образующийся при неполном сгорании топлива и работе двигателей внутреннего сгорания, и метан (СН4), поступающий в атмосферу в результате сжигания биомассы, утечки из нефтяных и газовых скважин и по другим причинам. В количественном отношении среди них резко преобладает диоксид углерода. Он во многом и определяет общее поступление углерода в атмосферу. В отличие от довольно ядовитого оксида углерода (угарного газа) диоксид углерода (углекислый газ) сам по себе не ядовит, но с его накоплением в воздухе связана опасность возникновения парникового эффекта. Поэтому углекислый газ, как и метан, принято относить к числу так называемых парниковых газов.

Характеризуя газообразные вещества, поступающие в атмосферу в результате человеческой деятельности, необходимо упомянуть также хлорфторуглеродные соединения (ХФУ, фреоны), имеющие чисто антропогенное происхождение. Эту группу газов широко используют в качестве хладагентов в холодильниках и кондиционерах, в виде растворителей, распылителей, стерилизаторов, моющих средств и др. Хотя было известно и парниковое действие хлорфторуглеродов, их производство продолжало довольно быстро расти, достигнув уже 1,5 млн. т. Оно и продолжало бы расти, если бы не было обнаружено отрицательное воздействие фреонов на озоновый экран Земли.

Наконец, нельзя не упомянуть и о радиоактивном загрязнении атмосферы. Хотя надземные атомные взрывы давно уже запрещены, все-таки до 1980-х гг. их было произведено (в основном США и Советским Союзом) более 500, в результате чего радиационный фон планеты повысился на 2 %. Но и в наши дни радиационное заражение воздуха может происходить при добыче и переработке урана, при работе разного рода атомных объектов, не говоря уже об авариях на них (пример - Чернобыльская АЭС).

Меры по борьбе с загрязнением и тем более заражением атмосферы начали предпринимать уже давно. Сначала для борьбы с кислотными осадками на ТЭС стали сооружать высокие и сверхвысокие дымовые трубы. Однако опыт показал, что таким способом можно защитить от вредных веществ лишь более или менее дальнее окружение ТЭС. Например, труба высотой 100 м увеличивает радиус рассеивания до 20 км, труба высотой в 250 м - до 75 км. Но за этими пределами кислотные осадки все равно выпадают. Поэтому в наши дни ученые и инженеры пришли к единодушному выводу: главный путь предупреждения загрязнения атмосферы должен заключаться в постепенном сокращении самих вредных выбросов, ликвидации их источников. Отсюда вытекают гораздо более высокие требования к топливу, запрет на использование высокосернистых угля и нефти и многие другие радикальные меры с акцентом на совершенствование существующих и внедрение новых, прогрессивных технологий. Эти меры нашли отражение и в международных соглашениях.

Охрана атмосферы от загрязнения очень актуальна и для России. В нашей стране максимум такого загрязнения был зарегистрирован в 1970-е гг. Затем в результате осуществления некоторых охранных мер оно стало снижаться. В еще большей степени это относится к постсоветской России, где такое уменьшение загрязнений произошло главным образом по причине сильного спада промышленного производства и связанного с ним сокращения выбросов диоксида углерода. Но при этом нужно учитывать, что в связи с ростом автомобильного парка возросло поступление в атмосферу оксида углерода и диоксида серы. В конце 1990-х гг. в 185 городах России с населением в 60 млн. человек средняя за год концентрация хотя бы одного из загрязнителей атмосферы превышала ПДК. Поэтому в последнее время в дождь, снег или дождь со снегом, имеющие повышенную кислотность. Кислотные осадки возникают главным образом из-за выбросов оксидов серы и азота в атмосферу при сжигании ископаемого топлива (угля, нефти и природного газа). Растворяясь в атмосферной влаге, эти оксиды образуют слабые растворы серной и азотной кислот и выпадают в виде кислотных дождей. Относительная кислотность раствора выражается индексом рН (кислотность определяется наличием свободных ионов водорода Н+; рН - это показатель концентрации ионов водорода). При рН раствор представляет собой сильную кислоту (как электролит в аккумуляторной батарее); рН = 7 означает нейтральную реакцию (чистая вода), а рН = 14 - это сильная щелочь (щелок). Поскольку рН измеряется в логарифмической шкале, водная среда с рН = 4 в десять раз более кислая, чем среда с рН = 5, и в сто раз более кислая, чем среда с рН = 6. Обычная незагрязненная дождевая вода имеет рН = 5,65. Кислотными называются дожди с рН менее 5,65. На значительных территориях на востоке США, юго-востоке Канады и западе Европы среднегодовые значения рН атмосферных осадков колеблются от 4,0 до 4,5. В восточных районах США кислотность атмосферных осадков приблизительно на 65% определяется присутствием серной кислоты (H2SO4), на 30% - азотной кислоты (HNO3)ина5% - соляной кислоты (HCl). Главным и источниками оксидов серы (SO2иSO3),обусловливающих образование серной кислоты, являются тепловые электростанции, работающие на нефти и угле, а также металлургические заводы. Оксид азота (NO) и диоксид азота(NO2), из которых образуется азотная кислота, поступают в атмосферу примерно в равных количествах от тепловых электростанций, работающих на нефтепродуктах и угле, и с выхлопными газами автомобильных двигателей. Сравнительно небольшое количество соляной кислоты в атмосферных осадках образуется в результате аккумуляции газообразного хлора от различных природных и промышленных источников. Кислотные дожди могут также выпадать при поступлении в атмосферу серной кислоты и азотсодержащих газов (диоксида азота NO2 и аммиака NH3) от естественных источников (например, при извержении вулканов).

Разные природные обстановки различным образом реагируют на повышение кислотности. Кислотные осадки могут привести к изменениям химических свойств почвы и воды. Там, где вода в реках и озерах стал довольно кислой (рНменее5), например, в горах Адирондак (шт. Нью-Йорк, США) или южных районах Норвегии и Швеции, исчезает рыба. При нарушении трофических цепей сокращается число видов водных животных, водорослей и бактерий. В городах кислотные осадки ускоряют процессы разрушения сооружений из мрамора и бетона, памятников и скульптур.

Похожие статьи