Загрязнение атмосферы

Атмосферный воздух является самой важной жизнеобеспечивающей природной средой

и представляет собой смесь газов и аэрозолей приземного слоя атмосферы,

сложившуюся в ходе эволюции Земли, деятельности человека и находящуюся за

пределами жилых, производственных и иных помещений. Результаты экологических

исследований, как в России, так и за рубежом, однозначно свидетельствуют о

том, что загрязнение приземной атмосферы – самый мощный, постоянно

действующий фактор воздействия на человека, пищевую цепь и окружающую среду.

Атмосферный воздух имеет неограниченную емкость и играет роль наиболее

подвижного, химически агрессивного и всепроникающего агента взаимодействия

вблизи поверхности компонентов биосферы, гидросферы и литосферы.

В последние годы получены данные о существенной роли для сохранения биосферы

озонового слоя атмосферы, поглощающего губительное для живых организмов

ультрафиолетовое излучение Солнца и формирующего на высотах около 40 км

тепловой барьер, предохраняющий охлаждение земной поверхности.

Атмосфера оказывает интенсивное воздействие не только на человека и биоту, но

и на гидросферу, почвенно-растительный покров, геологическую среду, здания,

сооружения и другие техногенные объекты. Поэтому охрана атмосферного воздуха

и озонового слоя является наиболее приоритетной проблемой экологии и ей

уделяется пристальное внимание во всех развитых странах.

Загрязненная приземная атмосфера вызывает рак легких, горла и кожи,

расстройство центральной нервной системы, аллергические и респираторные

заболевания, дефекты у новорожденных и многие другие болезни, список которых

определяется присутствующими в воздухе загрязняющими веществами и их

совместным воздействием на организм человека. Результаты специальных

исследований, выполненных в России и за рубежом, показали, что между

здоровьем населения и качеством атмосферного воздуха наблюдается тесная

положительная связь.

Основные агенты воздействия атмосферы на гидросферу – атмосферные осадки в

виде дождя и снега, в меньшей степени смога, тумана. Поверхностные и

подземные воды суши имеют главным образом атмосферное питание и вследствие

этого их химический состав зависит в основном от состояния атмосферы.

Отрицательное влияние загрязненной атмосферы на почвенно-растительный покров

связано как с выпадением кислотных атмосферных осадков, вымывающих кальций,

гумус и микроэлементы из почв, так и с нарушением процессов фотосинтеза,

приводящих к замедлению роста и гибели растений. Высокая чувствительность

деревьев (особенно березы, дуба) к загрязнению воздуха выявлена давно.

Совместное действие обоих факторов приводит к заметному уменьшению плодородия

почв и исчезновению лесов. Кислотные атмосферные осадки рассматриваются

сейчас как мощный фактор не только выветривания горных пород и ухудшения

качества несущих грунтов, но и химического разрушения техногенных объектов,

включая памятники культуры и наземные линии связи. Во многих экономически

развитых странах в настоящее время реализуются программы по решению проблемы

кислотных атмосферных осадков. В рамках Национальной программы по оценке

влияния кислотных атмосферных осадков, учрежденной в 1980 году многие

федеральные ведомства США начали финансировать исследования атмосферных

процессов, вызывающих кислотные дожди, с целью оценки влияния последних на

экосистемы и выработки соответствующих природоохранных мер. Выяснилось, что

кислотные дожди оказывают многоплановое воздействие на окружающую среду и

являются результатом самоочищения (промывания) атмосферы. Основные кислотные

агенты – разбавленные серная и азотная кислоты, образующиеся при реакциях

окисления оксидов серы и азота с участием пероксида водорода.

Источники загрязнения атмосферы

К природным источникам загрязнения относятся: извержения вулканов,

пыльные бури, лесные пожары, пыль космического происхождения, частицы морской

соли, продукты растительного, животного и микробиологического происхождения.

Уровень такого загрязнения рассматривается в качестве фонового, который мало

изменяется со временем.

Главный природный процесс загрязнения приземной атмосферы – вулканическая и

флюидная активность Земли Крупные извержения вулканов приводят к глобальному

и долговременному загрязнению атмосферы, о чем свидетельствуют летописи и

современные наблюдательные данные (извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах

в 1991 году). Это обусловлено тем, что в высокие слои атмосферы мгновенно

выбрасываются огромные количества газов, которые на большой высоте

подхватываются движущимися с высокой скоростью воздушными потоками и быстро

разносятся по всему земному шару. Продолжительность загрязненного состояния

атмосферы после крупных вулканических извержений достигает нескольких лет.

Антропогенные источники загрязнения обусловлены хозяйственной

деятельностью человека. К ним следует отнести:

1. Сжигание горючих ископаемых, которое сопровождается выбросом 5 млрд. т.

углекислого газа в год. В результате этого за 100 лет (1860 – 1960 гг.)

содержание СО₂ увеличилось на 18 % (с 0,027 до 0,032%). За

последние три десятилетия темпы этих выбросов значительно возросли. При таких

темпах к 2000 г. количество углекислого газа в атмосфере составит не менее

0,05%.

2. Работа тепловых электростанций, когда при сжигании высокосернистых углей в

результате выделения сернистого газа и мазута образуются кислотные дожди.

3. Выхлопы современных турбореактивных самолетов с оксидами азота и

газообразными фторуглеводородами из аэрозолей, которые могут привести к

повреждению озонового слоя атмосферы (озоносферы).

4. Производственная деятельность.

5. Загрязнение взвешенными частицами (при измельчении, фасовке и загрузке, от

котельных, электростанций, шахтных стволов, карьеров при сжигании мусора).

6. Выбросы предприятиями различных газов.

7. Сжигание топлива в факельных печах, в результате чего образуется самый

массовый загрязнитель – монооксид углерода.

8. Сжигание топлива в котлах и двигателях транспортных средств,

сопровождающееся образованием оксидов азота, которые вызывают смог.

9. Вентиляционные выбросы (шахтные стволы).

10. Вентиляционные выбросы с чрезмерной концентрацией озона из помещений с

установками высоких энергий (ускорители, ультрафиолетовые источники и атомные

реакторы) при ПДК в рабочих помещениях 0,1 мг/м³. В больших

количествах озон является высокотоксичным газом.

При процессах сгорания топлива наиболее интенсивное загрязнение приземного

слоя атмосферы происходит в мегаполисах и крупных городах, промышленных

центрах ввиду широкого распространения в них автотранспортных средств, ТЭЦ,

котельных и других энергетических установок, работающих на угле, мазуте,

дизельном топливе, природном газе и бензине. Вклад автотранспорта в общее

загрязнение атмосферного воздуха достигает здесь 40-50 %. Мощным и

чрезвычайно опасным фактором загрязнения атмосферы являются катастрофы на АЭС

(Чернобыльская авария) и испытания ядерного оружия в атмосфере. Это связано

как с быстрым разносом радионуклидов на большие расстояния, так и с

долговременным характером загрязнения территории.

Высокая опасность химических и биохимических производств заключается в

потенциальной возможности аварийных выбросов в атмосферу чрезвычайно

токсичных веществ, а также микробов и вирусов, которые могут вызвать эпидемии

среди населения и животных.

В настоящее время в приземной атмосфере находятся многие десятки тысяч

загрязняющих веществ антропогенного происхождения. Ввиду продолжающегося

роста промышленного и сельскохозяйственного производства появляются новые

химические соединения, в том числе сильно токсичные. Главными антропогенными

загрязнителями атмосферного воздуха кроме крупнотоннажных оксидов серы,

азота, углерода, пыли и сажи являются сложные органические, хлорорганические

и нитросоединения, техногенные радионуклиды, вирусы и микробы. Наиболее

опасны широко распространенные в воздушном бассейне России диоксин,

бенз(а)пирен, фенолы, формальдегид, сероуглерод. Твердые взвешенные частицы

представлены главным образом сажей, кальцитом, кварцем, гидрослюдой,

каолинитом, полевым шпатом, реже сульфатами, хлоридами. В снеговой пыли

специально разработанными методами обнаружены окислы, сульфаты и сульфиты,

сульфиды тяжелых металлов, а также сплавы и металлы в самородном виде.

В Западной Европе приоритет отдается 28 особо опасным химическим элементам,

соединениям и их группам. В группу органических веществ входят акрил, нитрил,

бензол, формальдегид, стирол, толуол, винилхлорид, а неорганических – тяжелые

металлы (As, Cd, Cr, Pb, Mn, Hg, Ni, V), газы (угарный газ, сероводород,

оксиды азота и серы, радон, озон), асбест. Преимущественно токсическое

действие оказывают свинец, кадмий. Интенсивный неприятный запах имеют

сероуглерод, сероводород, стирол, тетрахлорэтан, толуол. Ореол воздействия

оксидов серы и азота распространяется на большие расстояния. Вышеуказанные 28

загрязнителей воздуха входят в международный реестр потенциально токсичных

химических веществ.

Основные загрязнители воздуха жилых помещений – пыль и табачный дым, угарный

и углекислый газы, двуокись азота, радон и тяжелые металлы, инсектициды,

дезодоранты, синтетические моющие вещества, аэрозоли лекарств, микробы и

бактерии. Японские исследователи показали, что бронхиальная астма может быть

связана с наличием в воздухе жилищ домашних клещей.

Для атмосферы характерна чрезвычайно высокая динамичность, обусловленная как

быстрым перемещением воздушных масс в латеральном и вертикальном

направлениях, так и высокими скоростями, разнообразием протекающих в ней

физико-химических реакций. Атмосфера рассматривается сейчас как огромный

«химический котел», который находится под воздействием многочисленных и

изменчивых антропогенных и природных факторов. Газы и аэрозоли, выбрасываемые

в атмосферу, характеризуются высокой реакционной способностью. Пыль и сажа,

возникающие при сгорании топлива, лесных пожарах, сорбируют тяжелые металлы и

радионуклиды и при осаждении на поверхность могут загрязнить обширные

территории, проникнуть в организм человека через органы дыхания.

Выявлена тенденция совместного накопления в твердых взвешенных частицах

приземной атмосферы Европейской России свинца и олова; хрома, кобальта и

никеля; стронция, фосфора, скандия, редких земель и кальция; бериллия, олова,

ниобия, вольфрама и молибдена; лития, бериллия и галлия; бария, цинка,

марганца и меди. Высокие концентрации в снеговой пыли тяжелых металлов

обусловлены как присутствием их минеральных фаз, образовавшихся при сжигании

угля, мазута и других видов топлива, так и сорбцией сажей, глинистыми

частицами газообразных соединений типа галогенидов олова.

Время «жизни» газов и аэрозолей в атмосфере колеблется в очень широком

диапазоне (от 1 – 3 минут до нескольких месяцев) и зависит в основном от их

химической устойчивости размера (для аэрозолей) и присутствия реакционно-

способных компонентов (озон, пероксид водорода и др.).

Оценка и тем более прогноз состояния приземной атмосферы являются очень

сложной проблемой. В настоящее время ее состояние оценивается главным образом

по нормативному подходу. Величины ПДК токсических химических веществ и другие

нормативные показатели качества воздуха приведены во многих справочниках и

руководствах. В таком руководстве для Европы кроме токсичности загрязняющих

веществ (канцерогенное, мутагенное, аллергенное и другие воздействия)

учитываются их распространенность и способность к аккумуляции в организме

человека и пищевой цепи. Недостатки нормативного подхода – ненадежность

принятых значений ПДК и других показателей из-за слабой разработанности их

эмпирической наблюдательной базы, отсутствие учета совместного воздействия

загрязнителей и резких изменений состояния приземного слоя атмосферы во

времени и пространстве. Стационарных постов наблюдения за воздушным бассейном

мало, и они не позволяют адекватно оценить его состояние в крупных

промышленно – урбанизированных центрах. В качестве индикаторов химического

состава приземной атмосферы можно использовать хвою, лишайники, мхи. На

начальном этапе выявления очагов радиоактивного загрязнения, связанных с

чернобыльской аварией, изучалась хвоя сосны, обладающая способностью

накапливать радионуклиды, находящиеся в воздухе. Широко известно покраснение

игл хвойных деревьев в периоды смогов в городах.

Наиболее чутким и надежным индикатором состояния приземной атмосферы является

снеговой покров, депонирующий загрязняющие вещества за сравнительно

длительный период времени и позволяющий установить местоположение источников

пылегазовыбросов по комплексу показателей. В снеговых выпадениях фиксируются

загрязнители, которые не улавливаются прямыми измерениями или расчетными

данными по пылегазовыбросам.

К перспективным направлениям оценки состояния приземной атмосферы крупных

промышленно – урбанизированных территорий относится многоканальное

дистанционное зондирование. Преимущество этого метода заключается в

способности быстро, неоднократно и в «одном ключе» охарактеризовать большие

площади. К настоящему времени разработаны способы оценки содержания в

атмосфере аэрозолей. Развитие научно-технического прогресса позволяет

надеяться на выработку таких способов и в отношении других загрязняющих

веществ.

Прогноз состояния приземной атмосферы осуществляется по комплексным данным. К

ним прежде всего относятся результаты мониторинговых наблюдений,

закономерности миграции и трансформации загрязняющих веществ в атмосфере,

особенности антропогенных и природных процессов загрязнения воздушного

бассейна изучаемой территории, влияние метеопараметров, рельефа и других

факторов на распределение загрязнителей в окружающей среде. Для этого в

отношении конкретного региона разрабатываются эвристичные модели изменения

приземной атмосферы во времени и пространстве. Наибольшие успехи в решении

этой сложной проблемы достигнуты для районов расположения АЭС. Конечный

результат применения таких моделей – количественная оценка риска загрязнения

воздуха и оценка его приемлемости с социально-экономической точки зрения.

Химическое загрязнение атмосферы

Под загрязнением атмосферы следует понимать изменение ее состава при

поступлении примесей естественного или антропогенного происхождения.

Вещества-загрязнители бывают трех видов: газы, пыль и аэрозоли. К последним

относятся диспергированные твердые частицы, выбрасываемые в атмосферу и

находящиеся в ней длительное время во взвешенном состоянии.

К основным загрязнителям атмосферы относятся углекислый газ, оксид углерода,

диоксиды серы и азота, а также малые газовые составляющие, способные

оказывать влияние на температурный режим тропосферы: диоксид азота,

галогенуглероды (фреоны), метан и тропосферный озон.

Основной вклад в высокий уровень загрязнения воздуха вносят предприятия

черной и цветной металлургии, химии и нефтехимии, стройиндустрии, энергетики,

целлюлозно-бумажной промышленности, а в некоторых городах и котельные.

Источники загрязнений - теплоэлектростанции, которые вместе с дымом

выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ, металлургические

предприятия, особенно цветной металлургии, которые выбрасывают в воздух

окислы азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и

соединения ртути и мышьяка; химические и цементные заводы. Вредные газы

попадают в воздух в результате сжигания топлива для нужд промышленности,

отопления жилищ, работы транспорта, сжигания и переработки бытовых и

промышленных отходов.

Атмосферные загрязнители разделяют на первичные, поступающие непосредственно

в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом превращения последних. Так,

поступающий в атмосферу сернистый газ окисляется до серного ангидрида,

который взаимодействует с парами воды и образует капельки серной кислоты. При

взаимодействии серного ангидрида с аммиаком образуются кристаллы сульфата

аммония. Подобным образом, в результате химических, фотохимических, физико-

химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы,

образуются другие вторичные признаки. Основным источником пирогенного

загрязнения на планете являются тепловые электростанции, металлургические и

химические предприятия, котельные установки, потребляющие более 170% ежегодно

добываемого твердого и жидкого топлива.