Загрязнение атмосферы

Химические вещества. В результате деятельности человека в атмосферу поступают углекислый газ СO2, угарный газ СО, диоксид серы SO2, метан СН4, оксиды азота NO2, NO и N2O, хлорфторуглероды (при использовании аэрозолей в быту), а также углеводороды, бепзапирен и др. (в результате работы транспорта).

В среднем автомобиль с бензиновым двигателем за 15 тыс. км пробега потребляет 4350 кг кислорода и выбрасывает 3250 кг диоксида углерода, 530 кг оксида углерода, 98 кг углеводородов, 27 кг оксидов азота (Большаков, 2005).

В России в 2010 г. объем выбросов в атмосферу загрязняющих веществ, отходящих от стационарных источников, по данным Росстата, составил 19,1 млн т, что выше уровня 2000 г. на 1,6 %.

При растворении в воде диоксидов серы и азота образуются кислотные осадки (дожди). Такие осадки, выпадая на поверхность Земли, имеют показатель кислотности рН < 5,6. Основным источником подобных выбросов являются продукты сгорания топлива (уголь, мазут, бензин и т. д.) в энергетических установках предприятий, наземного и воздушного транспорта, выбросы химических и металлургических предприятий.

Благодаря своей активности SO2 в атмосфере претерпевает ряд химических превращений, главное из них – окисление с образованием H2SO4. При этом кислотные пары могут разноситься с облаками на сотни километров (до 1500 км). При выпадении кислотных дождей и снега наносится серьезный ущерб флоре, фауне (химические ожоги), вызывается коррозия и разрушение элементов зданий и сооружений.

Кислотные соединения азота (NO, NO2) из антропогенных источников – энергетики (57,0 %), транспорта (38,5 %), промышленности (4,5 %) – служат источниками образования атмосферной азотной кислоты.

Азотная кислота, в отличие от серной, может долгое время оставаться в атмосфере в газообразном состоянии, так как она плохо конденсируется. Пары HNO3 в атмосфере поглощаются капельной влагой облаков и частицами аэрозоля.

Кислотные осадки антропогенного происхождения заметно изменили рН окружающей среды. Около 150 тыс. лет назад при образовании ледяного покрова Гренландии уровень рН в осадках составлял 6,0–7,6 (по результатам анализов полярных льдов и горных глетчеров). Во второй трети XX в. рН атмосферных осадков составлял: 4,0–4,5 в Германии и странах Бенилюкса, 2,4–2,7 в Шотландии и Норвегии, 4,0–4,5 в США и Японии (СO2).

Значение рН среды чрезвычайно важно для жизнедеятельности практически всех организмов, прежде всего для процессов, связанных с действием ферментов, гормонов, регулирующих обмен веществ, рост и развитие. Особенно это чувствительно для обитателей водоемов и рек, для организмов, которые адаптировались к среде с рН = 6–7.

Кислотные осадки вызывают деградацию лесов, особенно хвойных. Попадая на листья и хвою деревьев, кислоты разрушают защитный восковой покров, что делает растения более уязвимыми для патогенных организмов, снижает их сопротивляемость болезням, способствует большему испарению влаги.

При взаимодействии с почвенным покровом усиливаются процессы выщелачивания биогенов. При рН < 4 резко снижается активность редуцентов и азотфиксаторов, обостряется дефицит питательных веществ: почвы теряют плодородие. Под действием кислотных осадков существенно ускоряется коррозия металлов, нарушается целостность лакокрасочных покрытий, стекол, разрушаются здания, памятники архитектуры. Например, серная кислота, взаимодействуя с мрамором (СаСO3), образует CaSO4, что приводит к нарушению целостности поверхностного слоя изделий из этого камня. Из минеральных строительных конструкций и стекол выщелачиваются карбонаты и силикаты.

Среди вредных веществ, содержащихся в воздухе городов, имеется большая группа, обладающая канцерогенной активностью. Это в первую очередь бензапирен и другие ароматические углеводороды, поступающие от котельных промышленных предприятий и с выхлопными газами автотранспорта.

Большое отрицательное воздействие на атмосферу оказывает загрязняющее воздействие аэрозолей.

Аэрозоли – это аэродисперсные (коллоидные) системы, в которых неопределенно долго могут находиться во взвешенном состоянии твердые частицы (пыль), капельки жидкости, образующиеся при конденсации паров, при взаимодействии газовых сред, попадающие в воздушную среду без изменения фазового состава. Воздух или газ являются дисперсной средой, а твердые и жидкие частицы – дисперсной фазой. Значительная часть аэрозолей формируется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с водяным паром.

В атмосфере аэрозольные загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана. Основными источниками искусственных аэрозольных загрязнений воздуха являются тепловые электростанции, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Чаще всего в них обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода (несгоревший уголь, сажа, смола). Реже в них встречаются оксиды железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест. В органической пыли содержатся алифатические и ароматические углеводороды, а также соли кислот. Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов.

Атмосферная пыль и аэрозоли ослабляют солнечное излучение в результате рассеяния, отражения и поглощения лучистой энергии. Пыль и аэрозоли играют заметную негативную роль в процессах коррозии металлических и силикатных материалов из-за образования на поверхностях отложений. В них содержатся сульфаты и хлориды, удерживающие влагу, в которой могут растворяться кислотные газы (SO2 и НСl). Образующиеся кислоты разрушают изделия из камня, стекла, металлов. Пылевые и аэрозольные загрязнения атмосферы оказывают заметное влияние на здоровье человека, состояние флоры и фауны.

Снижение потока солнечного излучения, включая ультрафиолетовую часть спектра, снижает его стерилизующее действие, что повышает риск инфекционных бактериальных заболеваний у человека, животных и растений. Кроме того, такое уменьшение потока солнечного света уменьшает образование под действием УФ-лучей витамина В3, недостаток которого отрицательно сказывается на формировании костных тканей, что повышает риск заболевания рахитом.

В зонах интенсивных пылевых загрязнений возникает ряд специфических заболеваний. К ним, среди прочих, относятся силикоз и асбестоз, приводящие к изменению тканей легких.

Ионы металлов, содержащиеся в выбросах производства в атмосферу, вызывают образование в крови токсических продуктов биохимических реакций. Особенно распространенными заболеваниями являются токсичные отравления свинцом, кадмием, алюминием, бериллием и их соединениями. Минеральная и органическая пыль антропогенного происхождения является причиной аллергических заболеваний.

Отложения пыли на листьях растений препятствует процессу фотосинтеза, отражая часть лучистой энергии в области длин волн 400–750 нм. Кроме того, пыль, характерная для городов, поглощает инфракрасное излучение, способствуя этим перегреву листьев растений. Все это нарушает нормальный водный и температурный режим и в конечном счете снижает активность ферментов фотосинтеза.

Быстрыми темпами нарастает в атмосфере содержание двухатомных газов (СО, НСl и др.), трехатомных газов (Н2O, СO2, SO2) и газов с числом атомов больше трех (NH3, СН4 и др.). Эти газы обусловливают парниковый эффект. Солнечная радиация, падающая на Землю, частично поглощается поверхностью суши и океана. 30 % ее отражается в космическое пространство. Поглощенная энергия солнечной радиации преобразуется в теплоту и излучается в космос в диапазоне длин волн инфракрасного излучения. Чистая атмосфера прозрачна для ИК-излучения, а атмосфера, содержащая пары трехатомных (парниковых) газов (воды, углекислого газа, оксидов серы и др.), поглощает инфракрасные лучи, благодаря чему происходит ее разогрев.

Известно, что основным по значению парниковым газом являются водяные пары. За ним следуют СO2, дающий сегодня по сравнению с началом XX в. прирост парникового эффекта на 49 %, метан (18 %), фреоны (14 %), диоксид азота (6 %). На остальные газы приходится около 13 % прироста.

Являясь парниковым газом, двуокись углерода в воздухе оказывает влияние на теплообмен планеты с окружающим пространством, эффективно блокируя переизлучаемое тепло на ряде частот, и таким образом участвует в формировании климата планеты. Естественный парниковый эффект создает прирост средней температуры поверхности Земли на 30 °С. В его отсутствие средняя температура поверхности Земли, составляющая в настоящее время 15 °C, понизилась бы до –15 °С. В этом случае началось бы глобальное оледенение.

С XVIII в. природное равновесие содержания парниковых газов в атмосфере претерпело серьезные нарушения. Так, за 250 лет вследствие антропогенного влияния (добыча ископаемых видов топлива, рисовые поля, биохимические процессы разложения бытовых отходов и др.) содержание метана в атмосфере увеличилось в 3 раза.

Рост концентрации СO2 сначала происходил из-за массовой вырубки лесов, потреблявших углекислый газ на синтез биомассы растений. С начала XIX в. определяющую роль приобретают выбросы СO2 с продуктами сжигания ископаемого топлива, технологических и попутных газов. В связи с активным использованием человечеством ископаемых энергоносителей в качестве топлива, происходит быстрое увеличение концентрации этого газа в атмосфере. Впервые антропогенное влияние на концентрацию двуокиси углерода отмечается с середины XIX в. Начиная с этого времени, темп ее роста увеличивался и в конце 2000-х гг. происходил со скоростью 1,7 за год. В настоящее время ежедневно в атмосферу выделяется 60 млн т углекислого газа.

Из антропогенных источников поступления СO2 в атмосферу наибольший вклад вносят предприятия энергетики и металлургии, транспорт, использующий двигатели внутреннего сгорания. Например, воздушный лайнер за 7 часов полета потребляет на сжигание топлива около 35 т кислорода, а количество СO2, выбрасываемое его двигателями в атмосферу, на 37,4 % больше.

Рост населения планеты и интенсивное разведение домашних животных привели к тому, что биологический вклад (аэробное дыхание, разложение органических остатков) в увеличение концентрации СO2 в атмосфере стал соизмерим с промышленными выбросами.

Как результат, двуокись углерода постепенно аккумулируется в атмосфере и в 2009 г., например, ее концентрация на 39 % превосходила доиндустриальное значение. К настоящему времени, благодаря принимаемым мерам во всех развитых странах мира, рост увеличения CO2 в атмосфере не происходит, и по состоянию на 2011 г., суммарное антропогенное выделение CO2 не превосходит 8 % от его естественной эмиссии, а увеличение концентрации в основном обусловлено не уровнем антропогенных выбросов, а постоянным ростом уровня выбросов со временем. При этом следует иметь в виду, что увеличение содержания СO2 в атмосфере на 60 % по сравнению с современным уровнем вызовет повышение температуры земной поверхности на 1,2–2 °С. Это значит, что если до 2050 г. потребление ископаемого топлива не сократится, то концентрация СO2 в атмосфере возрастет вдвое, а температура поверхности Земли увеличится на 3 °С.

Возрастет дополнительный вклад в парниковый эффект и таких газов, как NO2, SO2, NH3, СН4, фреонов и других органических веществ. Опережающими темпами растет содержание в атмосфере СН4 и NH3. Установлено, что если темпы роста концентрации в атмосфере газов, дающих дополнительный вклад в парниковый эффект, сохранятся на сегодняшнем уровне, то к 2020 г. их действие будет эквивалентно удвоению концентрации СO2 в атмосфере (Большаков, 2005).

Потепление на Земле, по мнению климатологов, за счет роста температуры на 0,1°С считается значительным, а увеличение температуры на 3,5 °С – критическим. Таяние полярных льдов приведет к повышению уровня Мирового океана почти на 100 м, т.е. к затоплению территории, на которой проживает подавляющее большинство населения и сосредоточен основной промышленный потенциал. Изменение перепада температур между зонами полюсов и экватора Земли нарушит естественную циркуляцию атмосферы. Ослабление интенсивности переноса воздушных масс приведет к существенному ухудшению переноса теплоты и влаги – произойдет глобальное изменение климата: в зонах с жарким и сухим климатом увеличится количество атмосферных осадков, в умеренном поясе станет значительно суше.

Развитие процессов в биосфере во многом зависит от состояния озонового экрана. Верхние слои атмосферы в значительной степени определяют условия жизни на Земле. Они являются защитным барьером на пути излучений и частиц высоких энергий из космоса. Особую опасность для биосферы представляет жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца в диапазоне длин волн λ < 310 нм.

Известно, что более 99 % ультрафиолетового излучения Солнца поглощается слоем озона (O3) на высоте в среднем 25 км от поверхности Земли – озоновым экраном. Естественные процессы круговорота озона в стратосфере нарушаются из-за его разрушения катализаторами, значительная доля которых техногенного происхождения. Среди таких катализаторов наиболее важная роль принадлежит оксидам азота, а также атомам хлора.

Основными источниками NO антропогенного происхождения являются двигатели внутреннего сгорания, высокотемпературные энергетические установки, в которых сжигается топливо, ракеты и сверхзвуковые самолеты.

Атомарный хлор образуется в результате фотохимического разрушения фреонов (фторхлорметанов): СF2С12 и СFС13. Их источником являются холодильные установки и аэрозольные баллоны. Они летучи и устойчивы в тропосфере. С момента начала промышленного применения (в 50-е гг. XX в.) содержание фреонов в атмосфере увеличивалось на 5–10 % в год.

В настоящее время учеными обнаружены зоны стратосферы с существенно сниженным содержанием озона. Такая «озоновая дыра» зафиксирована над Антарктидой в весенние месяцы года. Она имеет обширные области с практически нулевой концентрацией озона. По оценкам специалистов, вклад каталитических процессов в разложение O3 пока невелик. И хотя источник «озоновой дыры» пока непонятен (естественный или антропогенный), установлено почти двукратное превышение хлорсодержащих частиц в зоне антарктической «дыры» по сравнению со средним значением.

Уменьшение озонового слоя, средняя толщина которого составляет 2,5–3,5 мм, может привести к изменениям облачного покрова Земли, нарушению теплового баланса атмосферы. Рост мощности ультрафиолетового излучения, достигающего поверхности Земли, может оказать существенное влияние на биологические и геохимические процессы. Действие этого излучения вызывает у организмов поверхностные ожоги, разрушает иммунную и генную системы, вызывает онкологические заболевания.