Загрязнение атмосферы

Атмосфера массой 5300 трлн. тонн - это газовая оболочка Земли, вращающаяся вместе с ней. Она состоит из нескольких сфер, имеющих разную плотность и температуру воздуха; между сферами существуют переходные слои - так называемые «паузы».

Воздух состоит из механической смеси не взаимодействующих между собой газов: азота (78,08%), кислорода (20,95%), аргона (0,93%), углекислого газа (0,03%) и остальных газов (водород, неон, гелий и др.), включая водяной пар.

Азот, углекислый газ, водяной пар появились в атмосфере в результате вулканической деятельности, выносившей их из глубин Земли. Атмосферный кислород появился в результате фотосинтеза.

Непрерывно происходящие в атмосфере турбулентные течения перемешивают воздух в разных районах земного шара и обеспечивают практически полное постоянство его состава.

Атмосфера выполняет роль защиты всего живого на планете от потока солнечных и космических излучений в широком диапазоне волн и энергий, а также от падающих метеоритов. Без атмосферы поверхность Земли нагревалась бы днем до 100 ⁰С, а ночью охлаждалась бы до -100 ⁰С.

Воздух используется живыми организмами как природный ресурс для поддержания процесса дыхания; в промышленности он нужен в качестве сырья для получения кислорода, азота, аргона, криптона, ксенона и неона. В технике воздух применяется в качестве рабочего тела (пневматическое оборудование).

Потребность человека в воздухе: в состоянии покоя - 5...10 л/мин, при усилиях - около 30 л/мин, при больших усилиях - до 100 л/мин; в среднем за сутки - около 15 кг.

Пять слоев атмосферы располагаются по высоте следующим образом (рис.13):

__ __ __ __ __ __

|__|__|__|__|__|__|120 км ЭКЗОСФЕРА

|__|__|__|__|__|__|

100 км __ __ __ |__|__|__|__|__|__|100

|__|__|__| |__|__|__|__|__|__| ТЕРМОСФЕРА (ИОНОСФЕРА)

80 |__|__|__| |__|__|__|__|__|__| 80

|__|__|__| |__|__|__|__|__|__| Мезопауза

60 |__|__|__| |__|__|__|__|__|__| 60 МЕЗОСФЕРА

|__|__|__| |__|__|__|__|__|__| Стратопауза

40 |__|__|__| |__|__|__|__|__|__| 40

|__|__|__| |__|__|__|__|__|__| СТРАТОСФЕРА

20 |__|__|__| |__|__|__|__|__|__| 20

|__|__|__| |__|__|__|__|__|__| Тропопауза

|__|__|__| |__|__|__|__|__|__| ТРОПОСФЕРА

0,1 10 1000 -100 -60 -20 +20

Р, Па 10⁵ Температура, ⁰С

Рис.13. Структура атмосферы. Изменение давления и температуры по высоте

Тропосфера – слой высотой от 7...10 км на полюсах до 16...18 км над экватором; здесь сосредоточено более 80% массы воздуха. В тропосфере наблюдаются мощные вертикальные потоки воздуха. Здесь развиваются физические процессы, определяющие изменение погоды и оказывающие глубокое влияние на климатические условия различных районов нашей планеты.

Стратосфера – слой высотой 20...60 км. Масса стратосферы составляет почти 20% от массы атмосферы; здесь на высоте 20...25 км расположен слой озона (озоновый экран), поглощающий ультрафиолетовое излучение Солнца и вырабатывающий кислород.

Мезосфера – слой высотой 60...80 км.

Термосфера - слой высотой 80...100 км.

Экзосфера распространяется до высоты 1600 км; здесь газы сильно разрежены и рассеиваются в космическое пространство.

До высоты 400...600 км в атмосфере сохраняется кислородно-азотный состав, на высоте более 600 км начинает преобладать гелий.

На расстояние 2000...20000 км простирается водородная корона Земли – оболочка из заряженных частиц.

В результате выбросов загрязняющих веществ из различных источников развивается загрязнение атмосферы. Загрязнением атмосферы является присутствие в ней газов, паров, твердых частиц и жидких веществ, изменяющих ее физико-химический состав и свойства, угнетающе действующих на живые организмы.

Загрязнение атмосферы вызывают естественные или искусственные (антропогенные) источники, которые могут выбрасывать твердые, жидкие, газообразные и смешанные загрязняющие вещества (рис. 14).

Загрязняющие вещества могут оказывать вредное воздействие непосредственно, после химических превращений в атмосфере, либо совместно с другими веществами.

Внеземное Выветривание

(космическая пыль) Неорганическое

Вулканизм

Естественное

Континен- Органическое Растения

Земное тальное

Дым Животные

Морское

Добыча

Загрязнение Урановая

воздуха руда Транспортировка

Переработка

Эксплуатация

реактора

Радиоактивное

Атомные Нерасщепленный

взрывы материал

Искусственное

Аварии Расщепленный

ТЭЦ материал

Жилища Пыль

Прочие Транспорт Копоть

Выхлопные газы

Промышлен-

ность Бытовое

Сжигание Промышленное

Природное

Рис. 14. Классификация загрязнений атмосферы

К искусственным загрязнениям, являющимся следствием деятельности человека, относят промышленные, транспортные и бытовые выбросы в атмосферу в виде газов, туманов, пыли, сажи.

Загрязнение атмосферы - наиболее опасная форма загрязнения окружающей среды, т.к. дыхание - основа жизни любого организма. Установлено соответствие между степенью загрязненности воздуха и количеством людей с болезнями легких, онкологических больных и т.д.

Если рассматривать схему круговорота веществ в атмосфере (рис.15), не трудно убедиться, что практически любая деятельность так или иначе сопровождается выделением в атмосферу загрязняющих веществ.

Газы: Озоновый экран Промышленность

-от лесных и транспорт

пожаров,

-вулканиче- Кислород

ские Газы:

-сернистый,

-оксиды углеро-

Продукты жиз- да,

недеятельности -оксиды азота,

растений, жи- Атмосфера -углеводороды.

вотных, микро- Земли Пыль.

организмов Зола.

Сажа.

Пыль:

-космическая, Кислород Дыхание живот-

-морская, ных, растений,

-вулканическая, микроорганиз-

-растительная, мов

-почвоэрозионная Фотосинтез

Выдыхаемые газы

Рис. 15. Круговорот веществ в атмосфере

Наиболее массово в атмосферу поступают следующие выбросы:

¨ зола и пыль,

¨ окись цинка,

¨ силикат,

¨ хлорид свинца,

¨ сернистый и серный ангидрид,

¨ органические смолы,

¨ оксид и диоксид азота,

¨ аммиак,

¨ озон,

¨ оксид и диоксид углерода,

¨ фтористый водород,

¨ радиоактивные газы и аэрозоли.

Выбросы могут осуществляться:

а) периодически или непрерывно;

б) с очисткой или без очистки;

в) организованно (через трубы, газоходы) или неорганизованно (в результате нарушения технологии, аварий и т.п.).

Кроме того, выбросы подразделяются на нагретые и холодные.

Твердые взвешенные загрязнения атмосферы могут быть двух видов:

1) пыль, содержащая токсичные компоненты, например, тяжелые металлы и другие биологически активные токсичные вещества (мышьяк, бериллий, фтор, германий, марганец, свинец, ртуть, висмут, цианиды, радиоактивные вещества и т.д.);

2) пыль, не содержащая биологически активных токсичных компонентов (графит, тальк, слюда, каменноугольная пыль, огнеупорная глина, каолин, хлопок, лен, шерсть, волокна базальта и т.п.).

Промышленная пыль образуется в результате:

а) механической обработки различных материалов (дробление, размол, взрывание, запол-

нение, разравнивание);

б) тепловых процессов (сжигание, прокаливание, сушка, плавление);

в) транспортировки сыпучих материалов.

Жидкие загрязняющие вещества образуются:

а) при конденсации паров;

б) при распылении и разливе жидкостей;

в) в результате химических реакций.

Газообразные загрязнители формируются в результате химических реакций:

а) реакций окисления при обжиге руд и нерудного минерального сырья, например, в про-

изводстве цемента, при сжигании топлива;

б) реакций восстановления при производстве кокса, соляной кислоты, аммиака;

в) реакций разложения в производстве фосфорных удобрений и т.д.

Мощным источником газообразных соединений являются электрохимические процессы (производство алюминия), выпаривание, дистилляция.

Глобальные выбросы аэрозольных частиц размером до 5 мкм из природных и антропогенных источников выражаются следующими величинами (табл. 9 и 10):

Таблица 9

Количество выбросов пылевых частиц от естественных источников

Таблица 10

Выбросы пылевых частиц от антропогенных источников

При оценке загрязнения атмосферы важно знать период времени, в течение которого загрязняющие вещества сохраняются в ней. Установлено среднее время пребывания в атмосфере большинства загрязняющих веществ, например:

СО₂ (углекислый газ) - 5...10 лет,

СН₄ (метан) - 4...7 лет,

N₂О (закись азота) - 2,5...4 года,

СО (оксид углерода) - 0,2...0,5 года,

NО₂ (двуокись азота) - 8...11 суток,

NО (окись азота) - 9 суток,

NН₃ (аммиак) - 5...6 суток,

органический углерод - 2 суток.

Основными промышленными источниками загрязнений воздушного бассейна нашей страны считаются тепловые электростанции (29% загрязнений), предприятия черной металлургии (24%), нефтехимии (15,5%), цветной металлургии (10,5%), стройматериалов (8,1%), химии (1,3%).

Атмосферу загрязняют все виды транспорта - автомобильный, железнодорожный, морской, речной, воздушный, однако наибольшее количество загрязнений поступает от автомобилей (54% в мировом балансе). Один автомобиль, пройдя в год около 15 тыс. км, потребляет около 4 т кислорода, сжигает 2...3 т топлива и выбрасывает в окружающую среду 3250 кг диоксида углерода, 530 кг оксида углерода, 27 кг оксида азота, 10 кг резиновой пыли.

Уровень загрязнения атмосферы в значительной мере определяется метеорологическими условиями. Так, с увеличением влажности воздуха от 40 до 90% при неизменной температуре токсичность выхлопов автомобилей возрастает на 38%.

Пассажирский реактивный самолет, перелетая через Атлантический океан, сжигает более 35 т кислорода, содержащегося в 120 тыс. м³ воздуха, и выбрасывает на большой высоте массу загрязнителей.

Чрезвычайно велико загрязнение атмосферы тепловыми электростанциями. После сжигания в течение одного года 2,1 млрд. т каменного угля и 0,8 млрд. т бурого угля в окружающую среду выбрасывается 225 тыс. т мышьяка (для сравнения: годовое производство мышьяка в мире - 40 тыс. т).

Предприятия черной металлургии выбрасывают пыль, оксиды серы и металлов.

Предприятия химической промышленности загрязняют атмосферу диоксидом серы, фторводородом, хлором, оксидом азота.

Заводы строительных материалов выбрасывают пыль, фториды, диоксиды серы и азота.

Серьезным фактором становится радиоактивное загрязнение атмосферы, происходящее в результате ядерных взрывов, работы атомных установок и естественной радиоактивности. Радиоактивные вещества проникают в стратосферу, переносятся воздушными течениями и могут находиться в аэрозолях 3...9 лет, в нижних слоях атмосферы - до 3 месяцев. Постепенно они осаждаются на землю или вымываются осадками.