Строение Атмосферы.

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 СО[2] 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/м^3. 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.

Основными вредными примесями пирогенного происхождения являются следующие:

а) Оксид углерода. Получается при неполном сгорании углеродистых веществ.

В воздух он попадает в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными

газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодно этого газа поступает

в атмосферу не менее 250 млн. т. Оксид углерода является соединением,

активно реагирующим с составными частями атмосферы и способствует

повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта.

б) Сернистый ангидрид. Выделяется в процессе сгорания серо-содержащего

топлива или переработки сернистых руд (до 70 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 85 процентов от общемирового выброса.

в) 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. Пирометаллургические предприятия цветной и черной

металлургии, а также ТЭС ежегодно выбрасывают в атмосферу десятки

миллионов тонн серного ан гидрида.

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, а также нефтепромыслы. В атмосфере

при взаимодействии с другими загрязнителями подвергаются медленному

окислению до серного ангидрида.

д) Оксиды азота. Основными источниками выброса являются предприятия,

производящие; азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты, анилиновые

красители, нитросоединения, вискозный шелк, целлулоид. Количество оксидов

азота, поступающих в атмосферу, составляет 20 млн. т. в год.

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.

В металлургической промышленности при выплавке чугуна и при переработке

его на сталь происходит выброс в атмосферу различных тяжелых металлов и

ядовитых газов. Так, в расчете на I т. предельного чугуна выделяется кроме

2,7 кг сернистого газа и 4,5 кг пылевых частиц, определяющих количество

соединений мышьяка, фосфора, сурьмы, свинца, паров ртути и редких

металлов, смоляных веществ и цианистого водорода.

Объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных источников

на территории России составляет около 22 - 25 млн. т. в год.

Аэрозольное загрязнение атмосферы

Из естественных и антропогенных источников в атмосферу ежегодно поступают

сотни миллионов тонн аэрозолей. Аэрозоли - это твердые или жидкие частицы,

находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Аэрозоли разделяются на

первичные (выбрасываются из источников загрязнения), вторичные (образуются

в атмосфере), летучие (переносятся на далекие расстояния) и нелетучие

(отлагаются на поверхности вблизи зон пылегазовыбросов). Устойчивые и

тонкодисперсные летучие аэрозоли - (кадмий, ртуть, сурьма, йод-131 и др.)

имеют тенденцию накапливаться в низинах, заливах и других понижениях

Страницы: 1, 2, 3