Экология атмосферы - Основы экологии

Строение и газовый состав атмосферы, ее функции

Рис. 3

Атмосфемра (от. др.-греч. ?фмьт -- пар и уцб?сб -- шар) -- газовая оболочка, окружающая планету Земля. Внутренняяя ее поверхность покрывает гидросферу и частично кору, внешняя граничит с околоземной частью космического пространства.

Атмосфера Земли состоит в основном из газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения).

Концентрация газов, составляющих атмосферу, практически постоянна, за исключением воды (H2O) и углекислого газа (CO2).

Кроме указанных в таблице газов, в атмосфере содержатся SО2, СН4, NН3, СО, углеводороды, НСl, НF, пары Нg, I2, а также NO и многие другие газы в незначительных количествах. В тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твердых и жидких частиц (аэрозоль)

Строение атмосферы и характеристика отдельных оболочек

В атмосфере различают следующие основные слои: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу (сферу рассеяния). Переходные области атмосферы между соседними оболочками называют соответственно тропопауза, стратопауза и т. п.

Тропосфера -- нижний, наиболее изученный слой атмосферы, высотой в полярных областях 8--10км, в умеренных широтах до 10--12км, на экваторе -- 16--18км. В тропосфере сосредоточено примерно 80--90% всей массы атмосферы и почти все водяные пары... Происходят все погодные явления.

Стратосфера -- слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50км, на долю стратосферы -- около 20% атмосферы. Именно в стратосфере располагается слой озоносферы ("озоновый слой") (на высоте от 15--20 до 55--60км), который определяет верхний предел жизни в биосфере. поглощая губительные для жизни УФ-излучения Солнца. Под влиянием этих лучей изменяются магнитные поля, распадаются молекулы, происходит ионизация, новообразование газов и других химических соединений. Эти процессы можно наблюдать в виде северных сияний, зарниц, и др. свечений. В стратосфере почти нет водяного пара.

Мезосфера начинается на высоте 50км и простирается до 80--90км. Температура воздуха до высоты 75--85км понижается до ?88°С. Верхней границей мезосферы является мезопауза. масса мезосферы -- не более 0,3%

Термосфера (другое название -- ионосфера) -- слой атмосферы, следующий за мезосферой, -- начинается на высоте 80--90км и простирается до 800км. Температура воздуха в ионосфере быстро и неуклонно возрастает и достигает нескольких сотен и даже тысяч градусов. Защищает Землю от вредных космических лучей, термосферы -- менее 0,05% от общей массы атмосферы

Экзосфера -- зона рассеяния, внешняя часть термосферы, расположенная выше 800км. Газ в экзосфере сильно разрежен, и отсюда идет утечка его частиц в межпланетное пространство.

На высоте около 2000--3000км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближне космический вакуум, который заполнен сильно разреженными частицами межпланетного газа, главным образом атомами водорода. Но этот газ представляет собой лишь часть межпланетного вещества. Другую часть составляют пылевидные частицы кометного и метеорного происхождения. Кроме этих чрезвычайно разреженных частиц, в это пространство проникает электромагнитная и корпускулярная радиация солнечного и галактического происхождения.

Основные функции атмосферы

- источник кислорода для дыхания - источник углекислого газа для процессов фотосинтеза - защита от действия ультрофиолетовой радиации, космической радиации - среда обитания живых организмов - определяет движение воздушных аотоков, погодные явления

Источники и виды загрязнения атмосферы

Виды загрязнения атмосферы

1. газообразные 2. аэрозоли и пыль

Существует два основных источника загрязнения атмосферы: естественный и антропогенный (производственное и бытовое).

- Естественное загрязнение - это вулканы, лесные пожары, пыльные бури, выветривание, процессы разложения растений и животных. - Производственное загрязнение образуется в результате деятельности промышленных, сельскохозяйственных, строительных предприятий и различных видов транспорта. В глобальном масштабе наиболее крупные загрязнители это теплоэнергетика, черная и цветная металлургия, химия и нефтехимия, промышленность строительных материалов.

По мнению специалистов, в результате деятельности человека в атмосферу Земли ежегодно поступает 25,5 миллиардов тонн оксидов углерода, 190 миллионов тонн оксидов серы, 65 миллионов тонн оксидов азота, 1,4 миллиона тонн хлорфторуглеродов. Половина всех выбросов в атмосферу приходится на предприятия таких отраслей промышленности, как энергетика 24,8% и металлургия 26,2%. В последние годы наибольшее количество вредных веществ в атмосферу выбрасывается с выхлопными газами автомобилей, причем их доля постоянно возрастает. В России она составляет более 30%, а в США - более 60% от общего выброса загрязняющих веществ в атмосферу.

- Бытовые процессы это накопление, сжигание и переработка бытовых отходов. Канализационные системы, кухни, мусоропроводы, свалки это источники загрязнения атмосферы городов.

Специфические загрязнители - это шумы, инфразвук, вибрации, электромагнитные поля, ионизирующее излучение.

Атмосферные загрязнители разделяют на

- первичные, поступающие непосредственно в атмосферу - вторичные, являющиеся результатом превращения последних.

Газообразные загрязнители

А) Оксид углерода. СО (угарный газ) страшный яд, концераген, приводит к развитию кислородной недостаточности, получается при неполном сгорании углеродистых веществ. Ежегодно этого газа поступает в атмосферу не менее 1250 млн. т., способствует повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта. В воздух он попадает в результате - вулканическая деятельность - сжигания твердых отходов и топлива, - с выхлопными газами СО до 11% - выбросами промышленных предприятий. Б) СО2 углекислый газ до 2 % опт. для атмосферы, уход в геологию, свыше 2% подавление растений, нарушение жизнедеятельности человека - сжигания твердых отходов и топлива - вулканическая деятельность - с выхлопными газами - процессы дыхание В) Сернистый ангидрид. Выделяется в процессе сгорания серосодержащего топлива или переработки сернистых руд (до 170 млн. т. в год). Часть соединений серы выделяется при горении органических остатков в горнорудных отвалах. Только в США общее количество выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида составило 65 % от общемирового выброса. Вызывает бронхиты, астмы и др. респираторные заболевания Г) Сероводород и сероуглерод. Поступают в атмосферу раздельно или вместе с другими соединениями серы. Основными источниками выброса являются предприятия по изготовлению - искусственного волокна, - сахара, - коксохимические, - нефтеперерабатывающие, - нефтепромыслы. Д) Оксиды азота NO NO2 . Количество оксилов азота, поступающих в атмосферу, составляет 20 млн. т. в год. Приводит к нарушению функций легких и бронхов.

Основными источниками выброса являются предприятия, производящие

- азотные удобрения (туков), - азотную кислоту и нитраты, - анилиновые красители, нитросоединения, - синтетических волокон -- вискозный шелк, целлулоид. Е) Соединения фтора. Источниками загрязнения являются предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений. Фторосодержащие вещества поступают в атмосферу в виде газообразных соединений - фтороводорода или пыли фторида натрия и кальция. Соединения характеризуются токсическим эффектом. Производные фтора являются сильными инсектицидами. Ж) Соединения хлора. Поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих - соляную кислоту, хлоросодержащие пестициды, органические красители, гидролизный спирт, хлорную известь, соду. В атмосфере встречаются как примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты. Токсичность хлора определяется видом соединений и их концентрацией.

. Аэрозольное загрязнение атмосферы.

Аэрозоли - это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Твердые компоненты аэрозолей в ряде случаев особенно опасны для организмов, а у людей вызывают специфические заболевания. В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма (аэрозоль с твердыми частицами), тумана(с жидкими), мглы или дымки. Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с водяным паром. Средний размер аэрозольных частиц составляет 1-5 мкм.

Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще всего в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода, реже - оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест.

Серный ангидрид. Образуется при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом реакции является аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей человека. Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий отмечается при низкой облачности и высокой влажности воздуха. Листовые пластинки растений, произрастающих на расстоянии менее 11 км. от таких предприятий, обычно бывают густо усеяны мелкими некротическими пятнами, образовавшихся в местах оседания капель серной кислоты. Пирометаллургические предприятия цветной и черной металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки миллионов тонн серного ангидрида. Постоянными источниками аэрозольного загрязнения являются промышленные отвалы - искусственные насыпи из переотложенного материала, преимущественно вскрышных пород, образуемых при добыче полезных ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности, ТЭС.

Свинец - появляется в отработанных газах в случае применения антидетанационной присадки к бензинам. Поражает нервную систему и кроветворные органы. Свинец накапливается в лесной подстилке, низкая миграционная активность.

Сажа - твердый фильтрат отработанных газов, состоящий из углеродов. Сажа является адсорбентом канцерогенных веществ.

Пыль это разновидность аэрозоли

В атмосферу Земли ежегодно поступает около 1 куб. км. пылевидных частиц искусственного происхождения.

Большое разнообразие свойственно органической пыли, которая образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях.

Источником пыли и ядовитых газов служат массовые взрывные работы. Так, в результате одного среднего по массе взрыва (250-300 тонн взрывчатых веществ) в атмосферу выбрасывается около 2 тыс. куб. м. условного оксида углерода и более 150 т. пыли.

Производство цемента и других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью. Основные технологические процессы этих производств - измельчение и химическая обработка полуфабрикатов и получаемых продуктов в потоках горячих газов всегда сопровождается выбросами пыли и других вредных веществ в атмосферу.

Автотранспорт - основной частью пали является кварц, запыление в результате покрытие автомагистралей, типы шин, интенсивность движения, уборка улиц, грузоподъемность автомобилей.

Проблема "парникового эффекта"

Атмосфера и Земля поглощают примерно 67% солнечного излучения. Около 33%излучения отражается обратно. Лучше всего отражают облака, атмосферная пыль, молекулы атмосферных газов, снег и земля, лишенная растительности. Поток солнечного излучения содержит лучи инфракрасной части спектра (ИК), видимые лучи и ультрафиолетовые (УФ), максимум приходится на видимые лучи.

Еще в 1827 году французский физик Жозеф Фурье предположил, что атмосфера земли выполняет функцию своего рода стекла в теплице: воздух пропускает солнечное тепло, не давая ему при этом испариться обратно в космос. В этом и состоит сущность парникового эффекта. Этот эффект достигается благодаря наличию в атмосфере некоторых атмосферным газам. Они пропускают видимый и инфракрасный свет, излучаемый солнцем, но поглощают инфракрасное излучение, образующееся при нагревании земной поверхности солнечными лучами. Их называют парниковыми газами

Рис. 4

Видимый свет от солнца достигает поверхности земли и нагревает ее. Земля отдает поглощенную энергию в атмосферу в виде инфракрасного излучения. Часть инфракрасного излучения поглощается СО2 и таким образом улавливается атмосферой. Еще часть отражается или переизлучается обратно к земле.

Основными парниковыми газами, в порядке их оцениваемого воздействия на тепловой баланс Земли, являются водяной пар (главный парниковый газ), углекислый газ(60%), метан(20%), озон, галоуглероды или фреоны и оксид азота. В атмосферу попадают как результат человеческой деятельности. Некоторые из этих газов куда более опасны с точки зрения глобального потепления, чем углекислый газ.

Количество СО2 в атмосфере неуклонно растет вот уже более века из-за того, что в качестве источника энергии стали широко применяться различные виды ископаемого топлива (уголь и нефть), Источниками углекислого газа в атмосфере Земли являются вулканические выбросы, жизнедеятельность организмов, деятельность человека. Антропогенными источниками является сжигание ископаемого топлива, сжигание биомассы (вт. ч. сведение лесов), некоторые промышленные процессы (например производство цемента).

Основными антропогенными источниками метана являются пищеварительная ферментация у скота (скотоводство), рисоводство, горение биомассы, предположительно в результате увеличения пахотных земель и пастбищ и выжигания лесов, использования древесины для отопления, увеличения поголовья домашнего скота, количества нечистот, свалки. Некоторый вклад в поступление метана дают утечки при разработке месторождений каменного угля и природного газа, а также эмиссия метана в составе биогаза, образующегося на полигонах захоронения отходов. В середине 21 века ожидается удвоение концентрации метана в атмосфере.

- Средняя глобальная температура у поверхности Земли составляет 15°С. Именно такая температура необходима для поддержания теплового равновесия у поверхности земли. Увеличение концентрации парниковых газов приведет к разогреву нижних слоев атмосферы и поверхности земли. К 2100должно произойти повышение температуры на 1,5--5,8 °С.

Последствия глобального потепления

- Уровень мирового океана может повысится на 84-117 см к 2050г и 156-345 см к 2100г из-за таяния полярных льдов и расширения воды. При повышении уровня океана на несколько метров будут затоплены такие города как Нью-Йорк, Лондон, Санкт-Петербург, Амстердам, Шанхай, Токио и густонаселенныйе прибрежные территории, где проживает около 30-50% населения. - Сдвинуться природные зоны и зоны земледелия. С тостом температуры увеличится количество осадков. Ливни затопят тропики. Засушливые зоны сдвинуться на север. Площадь пустынь увеличится. Урожаи сократятся. Серьезные изменения климата произойдут в рв Скандинавии. Сибири и Канаде. - При глобальном потеплении на 2 °С сплошной многолетней мерзлоты не будет. а зона лесотундры достигнет побережья Ледовитого окена. Для сельского хозяйства Европейской части может быть благоприятно, так как позволит возделывать теплолюбивые культуры на более обширных территориях.

Тем не менее, ведутся ожесточенные споры вокруг того, какое конкретно количество этих газов вызовет потепление климата и в какой степени, а также как скоро это произойдет. В конце восьмидесятых - начале девяностых годов XX века несколько лет подряд среднегодовая глобальная температура была выше обычной. Это вызвало опасения в том, что вызванное человеческой деятельностью глобальное потепление уже началось. Среди ученых существует консенсус, что за последние сто лет среднегодовая глобальная температура поднялась на 0,3 - 0,6 градусов Цельсия. Однако среди них нет согласия в том, что именно вызвало это явление. Трудно с уверенностью сказать, происходит глобальное потепление или нет, так как наблюдаемый рост температуры все еще находится в пределах естественных температурных колебаний.

- Группа ученых под руководством Будыко выяснила что скорость образования карбонатных отложений пропорциональна количеству СО2 в атмосфере. Т. е. углекислый газ уйдет в геологию. - Повышение температуры приведет к усилению испарения, увеличению облачности и уменьшению поступления солнечной радиации на поверхность земли, и как следствие понижение температуры приземного слоя воздуха т. е. похоладание. - Американский физик Шнейдер, автор фундаментальной работы по климатологии отмечает, что увеличение поступления углекислого газа в атмосфере вызовет возрастание скорости потребления его растениями и океаном, и последствия парникового эффекта могут быть смещены.

В декабре 1997 года на встрече в Киото (Япония), посвященной глобальному изменению климата, делегатами из более чем ста шестидесяти стран была принята конвенция, обязывающая развитые страны сократить выбросы СО2. Киотский протокол обязывает тридцать восемь индустриально развитых стран сократить к 2008-2012 годам выбросы СО2 на 5% от уровня 1990 года:

- Европейский союз должен сократить выбросы СО2 и других тепличных газов на 8%. - США - на 7%. - Япония - на 6%.

Протокол предусматривает систему квот на выбросы тепличных газов. Суть его заключается в том, что каждая из стран (пока это относится только к тридцати восьми странам, которые взяли на себя обязательства сократить выбросы), получает разрешение на выброс определенного количества парниковых газов. При этом предполагается, что какие-то страны или компании превысят квоту выбросов. В таких случаях эти страны или компании смогут купить право на дополнительныe выбросы у тех стран или компаний, выбросы которых меньше выделенной квоты. Таким образом предполагается, что главная цель - сокращение выбросов тепличных газов в следующие 15 лет на 5% - будет выполнена.

Тем не менее, переговоры по вопросу сокращения выбросов парниковых газов идут очень сложно. Прежде всего, конфликт существует на уровне официальных лиц и бизнеса с одной стороны и неправительственного сектора - с другой. Неправительственные экологические организации считают, что достигнутое соглашение не решает проблемы, так как пятипроцентное сокращение выбросов тепличных газов недостаточно для того, чтобы остановить потепление, и призывают сократить выбросы как минимум на 60%.

Кроме того, конфликт существует и на уровне государств. Такие развивающиеся страны, как Индия и Китай, вносящие значительный вклад в загрязнение атмосферы тепличными газами, присутствовали на встрече в Киото, но не подписали соглашение. Развивающиеся страны вообще с настороженностью воспринимают экологические инициативы индустриальных государств. Аргументы просты:

- основное загрязнение тепличными газами осуществляют развитые страны - ужесточение контроля на руку индустриальным странам, так как это будет сдерживать экономическое развитие развивающихся стран.

В 2001 году СЩА отказались ратифицировать протокол и были осуждены многими странами.

В любом случае проблема глобального потепления климата - яркий пример того, какие механизмы, подчас, включены в решение экологической проблемы. Такие компоненты, как научная неопределенность, экономика и политика нередко играют в этом процессе ключевую роль.

Мероприятия

- отказ от ископаемых видов топлива, таких как нефть и уголь - развитие атомной энергетики - развитие альтернативных видов энергетики (ветровая, солнечная, геотермальная) - всемирная экономия энергии.

Проблема разрушения и сохранения озонового слоя

Важнейшей составной частью атмосферы, защищающей все живое на Земле от вредного действия ультрафиолетового излучения, является озоновый слой. Он образовался 570--400 мил. лет назад. Озоновый слой - это воздушный слой в верхних слоях атмосферы (стратосфере) состоящий из особой формы кислорода - озона. Молекула озона состоит из трех атомов кислорода (О3). Озоновый слой начинается на высотах около 8 км над полюсами (или 17 км над Экватором) и простирается вверх до высот приблизительно равных 50-ти км. Однако плотность озона очень низкая, и если сжать его до плотности, которую имеет воздух у поверхности земли, то толщина озонового слоя не превысит 3,5 мм.. Озон образуется, когда солнечное ультрафиолетовое излучение бомбардирует молекулы кислорода (О2 --> О3).

Почему так важно поглощение озоном жесткого ультрафиолетового излучении?

УФ излучение с длинной волны менее200нм хорошо поглощается кислородом, от 200 до 320 нм отражается озоном, а более320 нм проникает на землю. Спектр от200-400 нм называют биологически активным ультрофиолетом. В случае истощения озонового слоя человечеству грозит резкий рост заболеваний раком кожи и слепота, ожоги кожи, возникновение мутаций, и др. изменения на молекулярном, клеточном, тканевом уровнях.

В 1985 году британские ученые обнародовали данные, согласно которым в предшествующие восемь лет были обнаружены увеличивающиеся каждую весну озоновые дыры над Северным и Южным полюсами.

Ученые предложили три теории, объяснявшие причины этого феномена:

1. разрушение озонового слоя окисями азота - соединениями, образующимися естественным образом на солнечном свету; 2. воздушные потоки из нижних слоев атмосферы при движении вверх расталкивают озон 3. соединения хлора в атмосфере разрушают озон.

Попытаемся разобраться в механизме образования и разрушения озонового слоя.

Образование озона начинается с реакции диссоциации молекулярного кислорода под действием УФ

О2 +квант света hv>О-+ О-

Образовавшиеся радикалы либо образуют молекулы кислорода или озона

О+О > О2 или О+О2 > О3

Образовавшийся озон либо разрушается под влиянием внешних условий либо будучи химически активным образует молекулы кислорода

О3 + hv> О2 + О или О + О3 > О2 + О2

Циклы разрушения

Обратите внимание, что в первых двух реакциях 1и2 озон реагирует с веществом, которое в ходе химических реакций никуда не исчезает. В первой реакции оно вступает в процесс, во второй образуется в первоначальном виде. Эти вещества называются катализаторами, они ускоряют реакции при этом сами не расходуются.

Источники этих веществ:

- гражданская авиация и химические производства - применение азотных удобрений - хлорирование питьевой воды - Ученые пришли к заключению, что соединения хлора, называемые хлорфторуглеродами (ХФУ) или фреоны, которые широко использовались в промышленности и в быту, несут ответственность за разрушение озонового слоя земли. Некоторые виды хлорфторуглеродов использовались в качестве охладителей в холодильных установках и кондиционерах. - Другие ХФУ применялись для производства поролонов и пенопластов - материалов, широко используемых во многих потребительских товарах, начиная от одноразовой пенопластовой посуды и заканчивая изоляционными материалами. - Хлорфторуглероды нашли широкое применение в баллонах для распыления аэрозолей и в качестве веществ для промывания электрооборудования.

В середине сентября 1987 года представители двадцати четырех стран встретились в Монреале и подписали соглашение, по которому обязались сократить вдвое использование озоноразрушаюших ХФУ к 1999-му году. Однако в связи с ухудшающейся ситуацией в 1990-м году в Лондоне были приняты поправки к Монреальскому протоколу. Согласно Лондонским поправкам в список регулируемых ХФУ вошли еще десять веществ и было принято решение прекратить использование ХФУ, галогенов и четырехлористого углерода к 2000-х тысячному, а метилхлороформа - к 2005-му году. В 1994 году Генеральная Ассамблея провозгласила 16 сентября Международным днем охраны озонового слоя. День установлен в память о подписании Монреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой.

Генеральный секретарь ООН Кофи Аннан в своем послании в 2006 году отметил огромный прогресс в усилиях по сохранению озонового слоя, сказал об оптимистических прогнозах, предсказывающих восстановление озонового слоя.

Темы Международного дня 2004 год -- "Сохранить наше небо: наша цель - благоприятствующая озону планета" 2006 год -- "Сохрани озоновый слой: спаси жизнь на Земле"

Проблема кислотных дождей

Еще одной экологической проблемой является повышение кислотности окружающей среды. Хотя кислотным дождям стали уделять внимание сравнительно недавно, специалисты скандинавских стран еще в 50-е годы отмечали эту опасность. Сам термин "кислотный дождь" существует уже более 100 лет; впервые его использовал британский исследователь Роберт Ангус Смит в 1882 г., когда он опубликовал книгу "Воздух и дождь: начало химической климатологии". Впервые проблема кислотных дождей стала предметом серьезного обсуждения на XXVIII Генеральной ассамблее Международного союза по теоретической и прикладной химии (ИЮПАК), проходившей в Мадриде в сентябре 1975 г. При изучении кислотных дождей нужно прежде всего ответить на два основных вопроса: что является причиной кислотных дождей и как они воздействуют на окружающую среду.

Ежегодно в атмосферу Земли выбрасывается около 200 млн. т твердых частиц (пыль, сажа и др.), 200 млн. т сернистого газа, 700 млн. т оксида углерода (II), 150 млн. т оксидов азота, что в сумме составляет более 1 млрд. т вредных веществ.

Остановимся более подробно на основных антропогенных источниках образования кислотных дождей: соединениях серы и азота.

Сера содержится в таких полезных ископаемых, как уголь, нефть, железные, медные и другие руды; одни из них используют как топливо, другие направляют с целью переработки на предприятия химической и металлургической промышленности. При переработке (в частности, при обжиге руд) сера переходит в химические соединения, например, в сернистый газ (оксид серы (IV)). Образовавшиеся соединения частично улавливаются очистными сооружениями, но основная масса выбрасывается в атмосферу. Соединяясь с парами воды, предварительно окисленный оксид серы (IV) образует серную кислоту. В большинстве антропогенных выбросов преобладают оксид серы (IV) и сульфаты. Сульфаты выделяются при сжигании топлива и в ходе таких промышленных процессов, как нефтепереработка, производство цемента и гипса, серной кислоты.

Из природных источников серосодержащих соединений важную роль играют биогенные выбросы из почвы и продукты жизнедеятельности растений. При извержениях вулканов преобладает оксид серы (IV), в меньшем количестве в атмосферу поступают сероводород, а также сульфаты в виде аэрозолей и твердых частиц. Ежегодно во всем мире в результате вулканической деятельности выделяется 4-16 млн. т соединений серы (в пересчете на 80г).

Азот содержится в топливе многих видов ископаемых, например, в угле и нефти. Из антропогенных источников выделяется около 93% оксидов азота, главным образом в виде оксида азота (II), который в результате химических реакций в атмосфере превращается в оксид азота (IV), который и образует с водой азотную кислоту:

Природные источники азота - это биогенные вещества, а также грозовые разряды и молнии.

Летучие органические соединения, в отличие от оксидов серы и азота, поступают в атмосферу главным образом из природных источников (65% от общего количества). Основной источник этих веществ - растения, в результате жизнедеятельности которых образуются сложные органические соединения.

И все же основными компонентами кислотных дождей являются серная и азотная кислоты; вместе с тем определенную часть их могут составлять хлороводород и фтороводород.

Кислотные дожди (или, более правильно, кислотные осадки, так как выпадение вредных веществ может происходить как в виде дождя, так и в виде снега, града) наносят значительный экологический, экономический и эстетический ущерб.

В результате выпадения кислотных осадков нарушается равновесие в экосистемах, ухудшается продуктивность сельскохозяйственных растений и плодородие почв, ржавеют металлические конструкции, разрушаются здания, сооружения, памятники архитектуры и т. д. Диоксид серы адсорбируется на листьях, проникает внутрь и принимает участие в окислительных процессах. Это влечет за собой генетические и видовые изменения растений.

В первую очередь погибают некоторые лишайники, поэтому их считают "индикаторами" чистого воздуха. Кроме того, кислотные осадки влияют и на растения более высокого класса. Самые чувствительные растения - это ель, лиственница, пихта, бук, граб, которые в большом количестве гибнут в Средней Европе. В настоящее время доказана высокая токсичность алюминия для корневой системы. Алюминий - составной компонент глинистых почв: при средних значениях кислотности (рН) он находится в малорастворимых нетоксичных формах. При повышении кислотности почвы происходит растворение соединений алюминия, в результате чего образуются токсичные соединения, которые разрушают корневые волоски, и в конечном итоге они отмирают. Особенно высока опасность их гибели при невысоком соотношении Са:А1. При повреждении волосков возникает водный стресс, вследствие чего нарушается процесс питания.

В почве содержатся различные микроорганизмы: бактерии, актиномицеты или лучистые грибки, грибы, вирусы и др. Большинство из них перерабатывает лесную подстилку (гумусовый слой), улучшает структуру почвы, переводит органические соединения в усвояемые формы. С повышением кислотности почвы и образованием растворимых форм токсичных металлов активность микроорганизмов резко снижается.

В своей эволюции живые организмы выработали приспособления к среде обитания, однако они могут нормально существовать только в определенном интервале рН. Изменение рН влечет за собой глубокие биохимические перестройки водных экосистем. Когда рН снижается до 6,5-6,0, погибают многие моллюски, ракообразные, гибнет икра земноводных.

При рН равном 6,0-5,0 гибнут наиболее чувствительные планктонные организмы и насекомые, сиговые рыбы, форель, хариус, лосось, плотва, окунь и щука. Рыба гибнет не только от прямого действия кислоты. Вытесненный из горных пород и донных отложений подвижный алюминий повреждает жаберный аппарат. Из-за нарушения кальциевого равновесия рыба теряет способность к воспроизводству. При рН менее 5,5 мхи и нитчатые водоросли вытесняют основную растительность водоема, иногда в воду даже переселяется сфагновый мох - обитатель суши. При рН ниже 4,5 в воде озер вымирают микроорганизмы, развиваются анаэробные (бескислородные) * процессы с выделением метана и сероводорода.

Кислотные осадки медленно, но верно растворяют сооружения из мрамора и известняка. Исторические памятники Греции и Рима, простояв тысячелетия, разрушаются прямо на глазах. Такая же судьба грозит и Тадж-Махалу - шедевру индийской архитектуры периода Великих Моголов, Тауэру и Вестминстерскому аббатству в Лондоне, Казанскому собору. Мраморному дворцу и Александро-Невской лавре в. Санкт-Петербурге. На соборе Св. Павла в Риме слой портлендского известняка изъеден кислотными осадками на 2,5 см. В Голландии статуи на соборе Св. Иоанна "тают, как леденцы". Черными отложениями, этим "раком камня", изъеден Королевский дворец в Амстердаме.

В Европе более 100 тыс. ценнейших витражей - памятников средневекового готического искусства. Витражи соборов и церквей в Шартре, Кентербери, Кельне, Эрфурте, Праге, Берне, Санкт-Петербурге, Москве, Новгороде, Пскове и других городах относятся к числу самых замечательных памятников мировой культуры. Существует опасность полной утраты этих произведений искусства в ближайшие 15-20 лет.

В мае 1988 г. в Стокгольме была открыта необычная выставка - фасад Национального археологического музея был затянут грязно-серым полотном, а перед входом в музей поставлена бесформенная копия статуи Карла XII. Мрачно воздетая рука короля выражала отчаяние, которое должно было охватить людей при ознакомлении с экспонатами.

Дальний перенос загрязняющих веществ в атмосфере - это одна из проблем северного полушария.

Смог, его виды

Отдельно взятые вещества, загрязняющие воздух, менее опасны, чем их смеси. Химические реакции, протекающие непосредственно в воздухе, приводят к возникновению дымных туманов - смогов. Смоги возникают при определенных условиях: во-первых, при большом количестве пыли и газов, выбрасываемых в воздух города; во-вторых, при длительном существовании антициклонных условий погоды (областей с высоким атмосферным давлением), когда загрязнители скапливаются в приземном слое атмосферы.

Смоги бывают нескольких типов. Наиболее изучен и известен влажный смог. Он обычен для стран с морским климатом, где очень часты туманы и высока относительная влажность воздуха. Это способствует смешиванию загрязняющих веществ, их взаимодействию в химических реакциях. Тогда и возникает в 100-200-метровом слое воздуха ядовитый густой грязно-желтый туман - влажный смог.

Сухой смог, или, как его называют, смог лос-анджелесского типа, отличается от влажного смога своими свойствами. Воздух в Лос-Анджелесе (США) сухой, поэтому смог образует здесь не туман, а синеватую дымку.

Третий вид смога - ледяной смог, или смог аляскинского типа. Он возникает в Арктике и. Субарктике при низких температурах в антициклоне. В этом случае выбросы даже небольшого количества загрязняющих веществ приводят к возникновению густого тумана, состоящего из мельчайших кристалликов льда и, например, серной кислоты.

Смоги разных типов характерны для многих крупных городов мира, в том числе и ряда городов нашей страны, где существуют физико-географические условия, благоприятные для возникновения смога. Эти города, как правило, расположены в горных котловинах, где застаивается воздух. Смоги бывают, например, в Кемерово, Новокузнецке, Братске, а также Ереване, Алма-Ате. В таких городах недопустимо даже небольшое повышение промышленного загрязнения воздуха, а количество автомобилей должно быть ограничено. К сожалению, в среднем по стране в настоящее время обезвреживается лишь около 80% вредных веществ от стационарных источников выбросов, а в ряде городов их значительно меньше.

Оценка загрязнения атмосферного воздуха в городах РБ

Госкомгидрометом Республики Беларусь проводится мониторинг состояния атмосферного воздуха в 16 промышленных городах республики, включая областные центры, а также гг. Полоцк, Новополоцк, Бобруйск, Орша, Речица, Пинск, Светлогорск, Мозырь, Новогрудок и Солигорск. В них действовали 50 стационарных станций, на которых 3-4 раза в сутки проводились наблюдения за 26-ю вредными веществами. Основной объем наблюдений относился к веществам, имеющим повсеместное распространение (пыль, диоксид серы, оксид углерода, оксид и диоксид азота). В большинстве городов республики проводили контроль специфических вредных веществ, которые присутствуют в выбросах предприятий. Почти во всех промышленных центрах определялось содержание формальдегида.

Наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха в зоне действия промышленных предприятий, на автомагистралях и внутри жилых кварталов выполнялись Центрами гигиены и эпидемиологии Минздрава Республики Беларусь, некоторыми другими ведомствами. Также проведены подфакельные наблюдения в зоне влияния 13 промпредприятий, обследованы все парки и зеленые зоны Минска. В 10 городах республики продолжались работы по прогнозированию уровня загрязнения воздуха и регулированию выбросов вредных веществ в атмосферу в периоды неблагоприятных метеоусловий.

Для оценки качества воздуха использовались установленные Минздравом предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ и международные стандарты, рекомендованные Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ). По данным наблюдений для каждого города рассчитан комплексный индекс загрязнения атмосферы (ИЗА), учитывающий классы опасности, стандарты качества и средние уровни загрязнения воздуха. Уровень загрязнения воздуха считался высоким, если средние значения концентрации примесей были выше среднего по республике или ИЗА превышал 7; повышенным, если концентрации примесей в отдельных случаях превышали ПДК; низким, если среднегодовое содержание примесей было в пределах или ниже принятых стандартов качества воздуха.

Несмотря на стабилизацию и некоторое снижение уровня загрязнения воздуха в целом по республике, в ряде городов сохранялась неблагоприятная ситуация. По сравнению с предыдущим годом из 16 контролируемых городов Беларуси проблема загрязнения воздуха обострилась в Мозыре, Витебске, Могилеве и Светлогорске, где произошло увеличение ИЗА. Причем для Могилева повышенное по сравнению со средними для страны значениями загрязнение атмосферного воздуха наблюдается на протяжении многолетнего периода. В остальных городах индекс загрязнения атмосферы уменьшился. В то же время в Бобруйске, Полоцке и Новополоцке ИЗА был выше среднего по республике.

Основными источниками загрязнения воздушного бассейна республики диоксидом серы являются стационарные источники (предприятия теплоэнергетики, химической и нефтехимической отраслей промышленности). В последние годы наблюдается заметное снижение выбросов диоксида серы вследствие перехода на использование природного газа. Средние за год концентрации диоксида серы во всех контролируемых городах были существенно ниже национального и международного стандартов. Случаи превышения предельно допустимого уровня зафиксированы только в Могилеве: 1,5-2 ПДК на стационарных станциях; 1,2 ПДК - вблизи завода "Строммашина".

Во всех наблюдаемых городах средние за год концентрации оксида углерода были ниже санитарной нормы. В Орше, Бресте, Витебске и Бобруйске содержание примеси в воздухе составляло 0,5-0,8 ПДК, в остальных городах - менее 0,5 ПДК. Повышенная загрязненность воздуха оксидом углерода, как правило, отмечалась в районах вокзалов и вблизи автомагистралей с интенсивным движением транспорта. Максимальные из разовых концентраций оксида углерода в Пинске, Светлогорске, Новополоцке, Мозыре, Гродно, Витебске и Бресте составляли 1,5-2 ПДК, а в Минске, Могилеве и Орше - 3-4 ПДК. В зоне влияния завода "Гомсельмаш" (г. Гомель) зафиксирована концентрация оксида углерода 3 ПДК. За последние 5 лет уменьшился уровень загрязнения в Мозыре, Могилеве, Гродно и Светлогорске. Наоборот, содержания оксида углерода в воздухе Бреста, Витебска, Гомеля, Минска, Орши и Пинска несколько возросло.

Основными источниками загрязнения воздушного бассейна республики оксидами азота являются передвижные источники, объекты энергетики и промышленные предприятия. Повышенное содержание в воздухе примеси наблюдалось летом и в отдельные месяцы переходных сезонов. В северной части Могилева средние за месяц концентрации диоксида азота ) в июне-сентябре составляли 2-2,6 ПДК, в районе пр. Людникова (Витебск) в ноябре уровень загрязнения воздуха оксидами азота (N0, N62) достигал 1,5 ПДК. В остальных городах загрязненность воздуха оксидами азота не превышала норм: средние за год концентрации находились в пределах 0,1-0,3 ПДК. Вместе с тем в половине контролируемых городов максимальные из разовых концентраций диоксида азота превышали гигиенический регламент. В Полоцке и Минске отмечены концентрации диоксида азота 2-3 ПДК, а в Могилеве зафиксировано восьмикратное превышение допустимого уровня. В последние годы наблюдается тенденция снижения загрязненности воздуха оксидами азота в большинстве городов. Рост содержания в воздухе N0 и N0; в 1,5-2 раза отмечен только в Могилеве.

Содержание сероводорода в атмосферном воздухе определялось в Мозыре и в городах с предприятиями химической и нефтехимической отраслей промышленности: Могилеве, Полоцке и Новополоцке. По данным замеров средние за год концентрации составляли 0,4-1,2 мкг/м3. Случаи превышения ПДК зафиксированы только в Могилеве. В юго-западном районе города максимальная из разовых концентраций превышала допустимый уровень в 6 раз. Под факелом завода искусственного волокна на расстоянии 0,5-1,0 км отмечены концентрации сероводорода 2,5-3,5 ПДК. Во всех контролируемых городах в последние годы происходит уменьшение загрязненности воздуха сероводородом.

Содержание в воздухе сероуглерода на протяжении многих лет контролируется только в Могилеве и Светлогорске, где расположены предприятия по производству химических волокон и нитей технического назначения, а также полиэфирных смол. Средняя за 1998 г. концентрация сероуглерода в Светлогорске составила 0,8 ПДК, а в Могилеве незначительно превысила санитарно-гигиеническую норму. Повышенное содержание в воздухе сероуглерода наблюдалось на стационарной станции Могилева, расположенной в зоне влияния завода искусственного волокна. В Светлогорске заметное увеличение загрязненности воздуха сероуглеродом отмечалось, как правило, в периоды с неблагоприятными метеоусловиями (слабый юго-восточный ветер). В течение года в воздухе городов зафиксировано около 230 случаев с концентрациями сероуглерода выше предельно допустимой нормы. В периоды с неблагоприятными метеорологическими условиями максимальные из разовых концентраций сероуглерода в Могилеве достигали 3-6 ПДК. При подфакельных наблюдениях на расстоянии 500 м от Могилевского завода искусственного волокна зарегистрирована концентрация примеси 4,5 ПДК; в 3 км от Светлогорского ПО "Химволокно" содержание сероуглерода превышало стандарт качества в 2 раза. В большинстве городов, где велись наблюдения за содержанием фенола в воздухе, средние за год концентрации были ниже гигиенического регламента. Больше всего загрязнен воздух фенолом в Могилеве и Витебске. Здесь в отдельные месяцы содержание фенола в 1,5-2 раза превышало допустимый уровень. Эпизодически максимальные из разовых концентраций примеси в Гомеле, Минске и Полоцке достигали 2 ПДК, а в Новополоцке, Витебске и Могилеве превышали норму в 4-5 раз. Устойчивая тенденция снижения загрязненности воздуха фенолом наблюдалась в Минске, Могилеве и Гомеле, устойчивый рост - в Бобруйске и Витебске.

Средняя концентрация аммиака по 7 контролируемым городам составляла 0,6 ПДК. Более высокий уровень загрязнения воздуха отмечался в Минске (0,9 ПДК) и Могилеве (1,7 ПДК). Повышение разовых концентраций аммиака до 1,4 ПДК зафиксировано в Гродно. В Минске и Могилеве максимальные из разовых концентраций примеси превышали предельно допустимый уровень в 4-5,5 раза. Под факелом Гомельского химзавода отмечена концентрация аммиака превышающая ПДК в 1,5 раза. За пятилетний период произошло уменьшение загрязненности воздуха аммиаком в Минске, Гродно, Гомеле, Полоцке и Новополоцке.

Выбросы вредных веществ от автотранспорта и ряда промышленных предприятий обусловили повышенную загрязненность воздушного бассейна республики формальдегидом. Средние за год концентрации в Пинске, Орше и Минске составляли 1-1,3 ПДК; Гомеле, Гродно, Бресте, Светлогорске, Бобруйске, Полоцке, Речице и Новополоцке - 2-3 ПДК; в Могилеве, Витебске и Мозыре - более 3 ПДК. В течение года на стационарных станциях Могилева, Минска, Новополоцка и Светлогорска зафиксировано 9 случаев с концентрациями формальдегида выше 5 ПДК. По данным замеров Минского городского центра гигиены и эпидемиологии повышенная загрязненность воздуха формальдегидом постоянно наблюдалась в районах многих автомагистралей, особенно на остановках, поворотах, перекрестках, у светофоров. Концентрации примеси существенно повышались вблизи автомагистралей в летнее время при высокой интенсивности солнечной радиации. Случаи превышения ПДК в 1,5-2 раза отмечались в некоторых парках и зонах отдыха. В последние годы наблюдается стабилизация или некоторое уменьшение загрязненности воздуха формальдегидом в большинстве промышленных центров республики. Несмотря на снижение за последние годы объемов выбросов загрязняющих веществ и, соответственно, средних концентраций большинства контролируемых вредных веществ, проблема качества атмосферного воздуха в городах Беларуси сохраняется. Уровень загрязнения атмосферы в некоторых городах республики на протяжении многих лет остается повышенным или высоким.

Биосфера вода плодородие радиоактивный

Экология атмосферы - Основы экологии

Похожие статьи