Установившийся в ходе миллионнолетней эволюции первоначальный состав атмосферы Земли в настоящее время изменяется под влиянием естественных (связанных с эволюцией каждой из сфер: лито-, гидро- и биосферы) и антропогенных факторов. Так, в земную атмосферу поступает ~ 1 млн т/год космической, 4-Ю6 т/год вулканической и ~2-107 т/год техногенной пыли. При росте объема биомассы стал интенсивно потребляться углекислый газ. В результате его концентрация в атмосфере стала постепенно убывать. И к тому времени, когда на Земле появился человек, доля углекислого газа в атмосфере снизилась во много раз. В результате интенсивность фотосинтеза заметно уменьшилась и производство биомассы существенно сократилось. Процесс снижения концентрации углекислого газа в атмосфере продолжался до тех пор, пока активность человека, связанная с использованием запасов углеводорода, накопленного былыми биосферами, не привела к значительным поступлениям углекислоты. Только в XX в. концентрация углекислого газа в атмосфере стала заметно возрастать.
По ряду газо-пылеобразных загрязнителей (табл. 3.1) объем антропогенных выбросов уже приближается к объему природных (при извержениях вулканов, газопроявлений из разломов земной коры, выделений углеводородов из болот, тундр, торфяников, илов и т.д.), а по некоторым — более чем в 100 раз их превышают. Объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферу только от стационарных источников на территории России составляет ~ 22-25 млн т в год.
В результате различного рода эмиссии атмосферный воздух содержит жидкие и твердые аэрозоли как природного происхождения, так и образованные вследствие деятельности человека, а также последующих реакций.
Таблица 3.1
Количество веществ, поступающих в земную атмосферу
Частицы радиусом < 20 мкм | Количество, nxlO6, т/год |
Естественного происхождения | |
Почвенная пыль и продукты выветривания горных пород | 100-500 |
Дым от пожаров и сжигания отходов | 3-150 |
Морская соль | |
Частицы вулканических извержений | 25-150 |
Частицы, образованные взаимодействием газообразных компонентов | 345-1100 |
В том числе: сульфаты из сероводорода | 130-200 |
соли аммония из аммиака | 80-270 |
нитраты из окислов азота | 60-430 |
углеводороды из растений | 75-200 |
Техногенного происхождения | |
Пыль | 10-90 |
Частицы газообразных компонентов В том числе: | 175-325 |
сульфаты из сернистого газа | 130-200 |
нитраты из оксидов азота | 30-35 |
углеводороды | 15-90' |
Все же газовые образования естественного происхождения компонентов атмосферного воздуха пока еще превосходят техногенные (табл. 3.2). Выпадение серы на территории России составляет 0,3-2 т/км2 в год, аммонийного азота — 0,3 т/км 2.
За всю историю человеческой деятельности на сжигание добытой нефти, каменного угля, газа, дров и древесных углей, а также лесные пожары было израсходовано около 274-10 12 кг кислорода (за последние 50 лет
Таблица 3.2
Происхождение компонентов загрязнения земной атмосферы
Компонент | Загрязнение, т/год | |
Природное | Техногенное | |
Озон | 2-Ю9 | Незначительное |
Углекислый газ | 7-10"1 | 1,5-Ю'° |
Угарный газ | - | 2,0-Ю8 |
Сернистый газ | 1,42-10" | 7,3-Ю7 |
Соединения*азота | 1,40-10' | 1,5-10' |
Взвешенные вещества | (770-2200)-106 | (960-2615)106 |
— 246-1012 кг, т.е. столько же, сколько за весь антропогенный период). Это означает, что убыль свободного кислорода в атмосфере за все время существования человека равна 0,0182 %. В настоящее время ежегодно во всем мире только на сжигание топлива затрачивается около 1013 кг свободного кислорода атмосферы.
В результате процессов горения кислород переходит в связанную форму: часть его соединяется с углеродом и образуется углекислый газ, а часть — с водородом и возвращается в атмосферу в виде водяного пара (это прибавляет атмосфере 288-ДО12 кг пара, что увеличивает его содержание в воздухе на 12%). В последние 500 млн лет ежегодное естественное воспроизводство О2 в процессе фотосинтеза колебалось в относительно узких пределах 200-230 млрд т/год"1. В сближенных во времени геологических эпохах величины природных колебаний продуцирования Ог никогда не превышали 4-5% по весу. Эпохам относительных минимумов или ослабления продуцирования Ог соответствуют рубежи вымирания видов животных [12]. Отсюда можно заключить, что существенно, чтобы амплитуда изменения потребления и производства кислорода не превысила какого-то критического предела (пока нам неизвестного) после перехода, через который возврат к прежнему состоянию равновесия окажется невозможным [17], так как центр равновесия смещается в новое положение, вызывая тем целый поток перестроек равновесия во всех других связанных с ней процессах.
В 80-е гг. XX в. годовые глобальные равновесные продукция и потребление кислорода в природных процессах оценивалась примерно в 200 млрд т [10, 11]. За период 1980-1995 гг. только из-за сплошной вырубки тропических лесов годовая продукция кислорода сократилась ориентировочно на 10,2 млрд т (на 5,1%), т.е. упала до 189,8 млрд т в год. Суммарное влияние сплошной вырубки тропических лесов и промышленного потребления Ог атмосферы за период 1980-1995 гг. равносильно уменьшению продукции Ог на 15,8 млрд т/r (до 184,2 млрд т/год), или на 7,9%. И это не за геологическую эпоху, а всего лишь за 15 лет! А это значит, что из-за бесконтрольного, хищнического расходования ресурсов Ог атмосферы мы вызвали глобальную катастрофу, глубину и последствия которой человечество еще не в состоянии оценить. Она протекает медленными, малозаметными количественными изменениями большинства показателей состояния среды биосферы, которые, накапливаясь, могут привести к скачкообразным, необратимым качественным изменениям в жизни нашей планеты.
Во второй половине XX в., и особенно к 1975-1990 гг., промышленная революция (начавшаяся в середине XIX в.) обусловила значительный рост выбросов газообразных компонентов, в том числе и искусственно созданных. За истекшие 100 лет в атмосферу поступило 360 млрд т углекислоты (вследствие чего удельная концентрация углекислого газа возросла на 13 %), 1,35 млн т кремния, 1,5 млн т мышьяка, более 1 млн т никеля, 900 тыс. т кобальта, по 600 тыс. т цинка и сурьмы, а также сотни и десятки тысяч тонн других токсичных металлов. В настоящее время мировое хозяйство ежегодно выбрасывает в атмосферу 230 млн т оксида углерода, более 50 млн т углеводородов, 120 млн т золы, 150 млн т диоксида серы, более 250 млн т мелкодисперсных аэрозолей, значительное количество фтористых соединений, ртути и других токсичных веществ. По данным ООН, ежегодно в атмосферу планеты попадает (в млнт) 2 500 пыли, 1 200 оксидов азота, 100 метана, 70 соединений серы, 4 аммиака и т.д.
В атмосферу ежегодно выбрасывается около 20 млрд т СОг- Из них на промышленность приходится 4-6 млрд т, уничтожение лесов и распашка земель увеличили общий выброс СО 2 на 1-3 млрд т, пожары — до 5 млрд т ежегодно. Поглощение СОг ВДет главным образом через океан и составляет по разным источникам 1,5-3,3 млрд т в год. В результате содержание СОг в атмосфере удельно увеличивается ежегодно на 4-5 %.
Вклад промышленности России в выбросы углерода в атмосферу весьма велик и составляет около 800 млнт углерода (~ 3 млрдт углекислого газа), следовательно, ежегодно на каждого жителя нашей страны приходится 5,44 т. На долю России приходится несколько менее 13 % общей массы выбрасываемого в атмосферу углерода, на долю США — около 30 и стран ЕЭС------20, на долю Китая — немногим более 7 % (рис. 3.1).
Основными антропогенными источниками загрязнения воздушной среды являются тепловые электростанции, выбросы которых составляют 43 % от всех выбросов в атмосферу. Установлено, что органического топлива в сутки человечеством потребляется столько, сколько природа синтезировала за тысячелетия. При ежегодном сжигании 7 млрд т условного топлива в атмосферу выбрасывается около 1 млрд т сажи и 143-104 Дж тепла.
Ежегодный выход золы и шлака от ТЭС в России составляет около 50 млн т, с общей массы в золоотвалах более 1,2 млрд т на площади золоот-валов, превышающей 20 тыс. га. Использование ЗШО в России находится на весьма низком уровне (5%), в то время как в странах с развитой экономикой — в 4-12 раз выше. Кроме того, имеющееся в настоящее время поступление в атмосферу СОг (вследствие сжигания топлива) эквивалентно выбросу примерно 200 млн т H2SO4. В связи с этим существенно снижается рН природных вод и почв.
Наибольшее загрязнение атмосферного воздуха происходит за счет (млн/т год): оксидов углерода— около 200, пыли— около 250, золы— около 120, углеводородов — около 50. Прогрессирует насыщение биосферы гелием, германием, тяжелыми металлами — ртутью, цинком, свинцом и т.д. Так, при сжигании топлива в окружающую среду с золой и отходящими газами некоторых элементов поступает больше, чем их добывается из недр: магния — в 1,5, молибдена— в 3, мышьяка— в 7, урана и титана — в 10, алюминия, иода, кобальта — в 15, ртути — в 50, лития, ванадия, стронция, берилия, циркония— в сотни, гелия и германия — в тысячи, иттрия — в десятки тысяч раз.
В балансе техногенного загрязнения атмосферы промышленностью России выбросы предприятий черной металлургии составляют 14,7%, нефтяной промышленности — 10,8, предприятий цветной металлургии — 8,4, прочих промышленных предприятий и транспорта — 23,1%. В 1996 г. в России общие выбросы в атмосферу загрязняющих веществ промышленностью составили 16,7 млн т (без горной промышленности): наибольший вклад внесли предприятия энергетики — 28,5 % (среди них лидируют ТЭС — около 90 % всех выбросов). Количество загрязняющих веществ, выбрасываемых за год в атмосферу ТЭС, составляет 4,4-4,6 млн т твердых веществ (диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода). Так как во многих сжигаемых углях содержатся металлы (табл. 3.3), происходит активное загрязнение атмосферы.
Таблица 3.3 Выбросы загрязнителей в атмосферу, их очистка и утилизация,