Экология атмосферы

Экология атмосферы Строение и состав атмосферы Важнейшие климатические и экологические особенности Земли в решающей степени определяются наличием и свойствами ее газовой оболочки - атмосферы. Благодаря специфическому газовому составу, способности поглощать и отражать солнечную радиацию, озоновому слою, в котором задерживается основная часть коротковолнового излучения Солнца, благоприятному температурному режиму и присутствию водяного пара атмосферу можно назвать одним из главных источников жизни на Земле. Толщина воздушной оболочки, которая окружает Земной шар, не меньше тысячи километров - почти в четверть земного радиуса. Масса атмосферы составляет 5 *1015 т (пять квадратильонов), что эквивалентно менее чем одной миллионной доле массы Земли. 90% массы атмосферы сосредоточено в самом нижнем слое, толщиной 17 км, но признаки атмосферы отчетливо фиксируются и на высоте 20 тыс. км. Строение атмосферы. Атмосфера имеет сложное строение и подразделяется на несколько оболочек. Непосредственно к земной оболочке примыкает тропосфера. Она простирается до высоты 8 - 10 км над полюсами и 16 - 18 км над экватором. В средних широтах толщина тропосферы составляет 8 - 12 км. В тропосфере идет непрерывное перемешивание воздуха как по горизонтали, так и по вертикали, что приводит к понижению температуры. Температура воздуха в тропосфере уменьшается на 0,6 С° на 100 м высоты и снижается с +40 С° до - 50 С°. В тропосфере сконцентрировано 75% всей массы атмосферы, основное количество водяного пара и мельчайших частиц примесей. Господствующие в тропосфере процессы (испарение водяного пара и его конденсация) приводят к образованию облаков и осадков в виде дождей. Именно в этом слое в основном происходят явления, которые мы именуем погодой, возникает подавляющее число гроз и штормов. Термическая структура тропосферы обусловлена нагреванием земной поверхности солнечной радиацией с последующим переносом тепла вверх путем турбулентного перемешивания и конвекции. Температура воздуха у поверхности Земли понижается от экватора (до +26 С°) к полюсам (до -36 С° зимой и 0 С° летом). С высотой разность температур между экватором и полюсами уменьшается. Верхней границей тропосферы (на высоте 11 км) является тропопауза - область, в которой температура перестает понижаться имеет температуру -53С°. Выше тропопаузы примерно на 50 км простирается стратосфера. Для нее характерны слабые воздушные потоки, малое количество облаков и постоянство температуры (-56С°) до высоты примерно 25км. Выше температура начинает повышаться (в среднем на 0,6 С° на каждые 100 м) и на уровне стратопаузы (45 - 54 км) достигает 0 С°. В отличие от тропосферы, в которой важную роль играет турбулентный обмен, стратосфера весьма устойчива, содержит мало влаги, в ней отсутствуют погодные явления в обычном смысле слова, а единственным видом облачности являются серебристые облака. В стратосфере на высоте 30 - 35 км расположен в наибольшей концентрации озон, поэтому эту часть атмосферы часто называют озоновым экраном. Озон играет большую роль в формировании температурного режима нижележащих слоев атмосферы и, следовательно, воздушных течений. Озон поглощает ультрафиолетовые лучи Солнца, что и вызывает разогрев атмосферы. Над различными участками земной поверхности и в разное время года содержание озона неодинаково: больше в высоких широтах, меньше в средних и низких, весной больше, чем осенью. Озоновый слой определяет предел биосферы. За стратосферой, на высоте более 50 км, находится следующий слой атмосферы - мезосфера, где температура опять понижается. На высоте около 80 км она равна -70С°. Верхний слой мезосферы - мезопауза, где происходит понижение температуры. За мезосферой (более 80 км над земной поверхностью) расположен четвертый слой атмосферы - термосфера (ионосфера), не имеющая определенной верхней границы. На высоте 500 - 600 км температура увеличивается и достигает +1600 С°. Газы в термосфере (ионосфере) сильно разрежены, молекулы редко сталкиваются друг с другом и не могут вызвать нагрева находящегося в этой зоне тела. Однако атмосферное давление с высотой уменьшается. Воздух по мере высоты становится разреженнее. Наиболее удалена от Земли экзосфера - 800 - 1600 км, которая простирается на огромное расстояние, переходя в межпланетное пространство. Экзосфера является областью диссипации (рассеивания) атмосферных газов. Нестабильность атмосферы как природной системы объясняется колебаниями температуры, давления и плотности, имеющими место в тропосфере, а также гравитационным воздействием Луны и Солнца, вызывающим атмосферные приливы в стратосфере. Происхождение атмосферы неразрывно связано с образованием Земли. Есть основание считать, что первичная атмосфера Земли была богата углекислым газом СО2 и бедна кислородом О2. Затем в результате фотодиссоциации воды в атмосфере появился кислород, количество которого начало особенно интенсивно расти в результате биогенных процессов с момента зарождения жизни на Земле (около 4 млрд. лет назад). «Загрязнение атмосферы» Загрязнением в узком смысле считается привнесение в какую-либо среду новых, не характерных для нее физических, химических и биологических агентов или превышение естественного средне- многолетнего уровня этих агентов. Атмосферный воздух загрязняется путем привнесения в него или образования в нем загрязняющих веществ в концентрациях, превышающих нормативы качества или уровень естественного содержания. Под загрязнением атмосферного воздуха следует понимать любое изменение его состава и свойств, которое оказывает негативное воздействие на здоровье человека и животных, состояние растений и экосистем. По происхождению загрязнение атмосферного воздуха может быть естественным (природным) и искусственным (антропогенным). Естественное загрязнение воздуха вызвано природными процессами. К ним относятся вулканическая деятельность, выветривание горных пород, ветровая эрозия, массовое цветение растений, дым от лесных и степных пожаров, пыльные бури, вулканические извержения, газовые выделения из гейзеров и геотермальных источников, прижизненные выделения в атмосферу растений, животных, микроорганизмов. Антропогенное загрязнение связано с выбросом различных загрязняющих веществ, образующихся в процессе деятельности человека. По своим масштабам оно значительно превосходит природное загрязнение атмосферного воздуха. В зависимости от масштабов распространения выделяют различные типы антропогенного загрязнения атмосферы: локальное, местное, региональное и глобальное. Масштабы загрязнения связаны с мощностью выброса и характером воздушных потоков. Локальное загрязнение может быть обусловлено одним или несколькими источниками выбросов, зона влияния которых определяется, главным образом, изменчивой скоростью и направлением ветра. Местное загрязнение определяется совокупностью выбросов множества источников, расположенных на территории, находящейся в зоне влияния и характеризуется повышенным содержанием загрязняющих веществ на небольших территориях (город, промышленный район, сельскохозяйственная зона). Под региональным загрязнением понимается загрязнение атмосферного воздуха на территории в сотни километров, которая находится под воздействием выбросов крупных промышленных и сельскохозяйственных комплексов. Глобальное загрязнение связано с изменением состояния атмосферы планеты в целом. По агрегатному состоянию выбросы вредных веществ в атмосферу классифицируются на следующие типы: • газообразные - газы и пары (диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода, углеводороды и др.); • жидкие - туманы (кислоты, щелочи, растворы солей); • твердые - пыли и дымы (канцерогенные вещества, свинец и его соединения, органическая и неорганическая пыль, сажа, смолистые вещества и т.п.). От общей массы выбрасываемых в атмосферу веществ газы (пары) составляют около 90%. По определению экспертов ВОЗ из многочисленных загрязнителей атмосферы основными являются взвешенные частицы (аэрозоли различного состава), затем следуют сернистые соединения и оксиданты (вещества, образующиеся в атмосферном воздухе в результате фотохимических превращений). Аэрозоли - это дисперсные системы, в которых дисперсионной средой служит газ, а дисперсными фазами являются твердые или жидкие частицы. Обычно размеры частиц аэрозолей ограничивают интервалом 10-7 - 10-3 см. Аэрозоли делятся на три группы. К первой группе относятся пыли, состоящие из твердых частиц, дипергированных в газообразной среде. Ко второй группе относят дымы - все аэрозоли, которые получаются при конденсации газа. К третьей группе относятся туманы - совокупность жидких частиц в газообразной среде. В настоящее время в земной атмосфере взвешено около 20 млн. т частиц, из которых примерно три четверти приходится на долю выбросов промышленных предприятий. Особое значение пыли и других взвешенных частиц объясняется тем, что они загрязняют атмосферу не только в результате прямых выбросов, но в большей мере в результате различных превращений газообразных веществ, выбрасываемых в атмосферу (сернистых соединений, оксидов азота, углеводородов) с образованием мелкодисперсных аэрозолей. Классификация загрязняющих атмосферу веществ может быть проведена по составу (например, хлористый водород, фтористые соединения и т.д.). К главным загрязнителям (поллютантам) атмосферного воздуха, образующимся в процессе производственной и иной деятельности человека относят диоксид серы (SO2), оксиды азота (NOx), оксид углерода (СО), углеводороды (СН) и твердые частицы. На их долю приходится около 98% от общего объема выбросов вредных веществ. Суммарный мировой выброс в атмосферу главных загрязнителей атмосферы (поллютантов) составил в 1990 году - 401 млн. т, в т.ч. в России - 26,2 млн. т. Выброс в атмосферу главных загрязнителей (поллютанов) в мире и России Вещества, млн. т Диоксид серы Оксиды азота Оксид углерода Твердые частицы Всего Суммарный мировой выброс 99 68 177 57 401 Россия (только стационарные источники) 9,2 3 7,6 6,4 26,2 % 9,2 4,4 4,3 11,2 6,5 Россия (с учетом всех источников),% 12 5,8 5,6 12,2 13,2 Кроме указанных главных загрязнителей в атмосферу попадает много других вредных и токсичных соединений, среди которых - формальдегид, фтористый водород, соединения свинца, аммиак, фенол, бензол, ртуть, кадмий и др. Особо опасным является радиоактивное загрязнение, обусловленное глобально распределенными долгоживущими радиоактивными изотопами - продуктами испытания ядерного оружия, проводившихся в атмосфере и под землей. Приземный слой атмосферы загрязняют также выбросы в атмосферу радиоактивных веществ с действующих АЭС (даже в процессе их нормальной эксплуатации) и другие источники. Еще одной формой загрязнения атмосферы является избыточное поступление тепла от антропогенных источников. Признаком теплового (термического) загрязнения атмосферы служат так называемые термические зоны, например, т.н. «острова тепла» в городах, сброс горячих сточных вод предприятий вызывающих потепление воды в водоемах. Атмосферные загрязнители подразделяются на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом их превращений. Например, поступающий в атмосферу диоксид серы окисляется кислородом воздуха до триоксида серы, который затем взаимодействуя с водяными парами, образует капельки серной кислоты. Источники загрязнения атмосферы выбросами могут быть классифицированы: • По назначению: а. технологические, содержащие хвостовые газы после установок улавливания (рекуперации, абсорбции и т.д.); б. вентиляционные выбросы - т.е. местные отсосы, вытяжки. • По месту расположения: а. незатененные или высокие (высокие трубы, точечные источники), удаляющие загрязнения на высоту, превышающую высоту здания в 2,5 и более раз; б. затененные или низкие, расположенные на высоте меньше высоты здания; в. наземные - находящиеся у земной поверхности (открытое технологическое оборудование, колодцы производственной канализации и т.д.). • По геометрической форме: а) точечные (трубы, шахты, вентиляторы); б) линейные (аэрационные фонари, открытые окна, факелы). • По режиму работы: а) непрерывного и б) периодического действия, в) залповые и мгновенные. Залповые выбросы возможны при авариях, сжигании быстрогорящих отходов производства. При мгновенных выбросах загрязнения выбрасываются в доли секунды на значительную высоту. Это возможно при взрывных работах и авариях. • По дальности распространения: а) внутриплощадные, то есть создающие высокие концентрации только на территории промышленной площадки, а в жилых районах не дающие ощутимых загрязнений (для таких выбросов предусматривается ССЗ достаточных размеров); б) внеплощадные, когда выбрасываемые загрязнения способны создать высокие концентрации на территории жилой застройки. Газовые промышленные выбросы могут быть организованными и неорганизованными. Организованный промышленный выброс - выброс, поступающий в атмосферу через специальные сооружения - газоходы, воздуховоды, трубы. Неорганизованный выброс - выброс, поступающий в атмосферу в результате нарушения герметичности оборудования, неудовлетворительной работы вентиляционной системы и т.д. Основные источники техногенного загрязнения атмосферы. Антропогенные источники загрязнения атмосферы делятся на группы: а) промышленные предприятия, б) транспорт, в) бытовое и коммунальное хозяйство. Промышленные источники загрязнения, в свою очередь, подразделяются по отраслям, а также по ингредиентам. В настоящее время основной вклад в загрязнение атмосферного воздуха на территории России вносят следующие отрасли: 1) теплоэнергетика (тепловые и атомные электростанции, промышленные и городские котельные); 2) предприятия черной металлургии; 3) предприятия нефтедобычи и нефтехимии; 4) транспорт в т.ч. и автотранспорт; 5) предприятия цветной металлургии и 6) предприятия строительной индустрии. Роль отдельных источников загрязнений в России оценивается следующим образом: теплоэлектростанции выбрасывают 27% общих поступлений загрязняющих веществ в атмосферу, черная металлургия - 24%, цветная металлургия - 10%, нефтедобыча и нефтехимия - 15%, транспорт - 13%, предприятия стройиндустрии - 8%, химическая промышленность - 1%. Вклад различных отраслей хозяйства в загрязнении атмосферы в России, промышленных странах Запада и США отличны. Так на пример, основное количество выбросов вредных веществ в США, Великобритании и ФРГ приходится на автотранспорт (50-60%), тогда как на долю энергетики значительно меньше, всего 16-20%. Черная и цветная металлургия. При выплавке одной тонны стали в атмосферу выбрасывается 0,04т твердых частиц, 0,03т оксидов серы и до 0,05т оксида углерода, а также в небольших количествах такие опасные загрязнители, как марганец, свинец, фосфор, мышьяк, пары ртути и др. В процессе сталеплавильного производства в атмосферу выбрасываются парогазовые смеси, состоящие из фенола, формальдегида, бензола, аммиака и других токсичных веществ. Существенно загрязняется атмосфера также выбросами доменных и ферросплавных производств. Значительные выбросы отходящих газов и пыли, содержащих токсичные вещества, отмечаются на заводах цветной металлургии при переработке свинцово-цинковых, медных, сульфидных руд, при производстве алюминия и др. Химическое производство. Выбросы этой отрасли хотя и невелики по объему (около 2% всех промышленных выбросов), тем не менее, ввиду своей весьма высокой токсичности, значительного разнообразия и концентрированности, представляют значительную угрозу для человека и всей биоты. На разнообразных химических производствах атмосферный воздух загрязняют оксиды серы, соединения фтора, аммиак, нитрозные газы (т.е. смесь оксидов азота), хлористые соединения, сероводород, неорганическая пыль и т.п. Выбросы транспорта, в т.ч. и автотранспорта. Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания (особенно карбюраторных) содержат огромное количество токсичных соединений: бенз(а)пирена, альдегидов, оксидов азота и углерода, а в случае применения этилированного бензина - особо опасных соединений свинца. Наибольшее количество вредных веществ в составе отработавших газов образуется при неотрегулированной топливной системе автомобиля. Правильная ее регулировка позволяет снизить их количество в 1,5 раза, а специальные нейтрализаторы снижают токсичность выхлопных газов в 6 и более раз. Воздействие энергетики на состояние воздушного бассейна определяется, главным образом, видом сжигаемого топлива. В сельской местности источниками загрязнения атмосферного воздуха являются предприятия, обслуживающие технику, энергетические и теплосиловые предприятия, промышленные комплексы по производству мяса, животноводческие и птицеводческие хозяйства. Экологические последствия загрязнения атмосферы Загрязнение атмосферного воздуха воздействует на здоровье человека и на окружающую природную среду различными способами - от прямой и непосредственной угрозы (смог и др.) до медленного и постепенного разрушения различных систем жизнеобеспечения организма. Во многих случаях загрязнение воздушной среды нарушает структурные компоненты экосистемы до такой степени, что регуляторные процессы не в состоянии вернуть их в первоначальное состояние. Влияние локального (местного) загрязнения атмосферы. Физиологическое воздействие на человеческий организм главных загрязнителей (поллютантов) чревато самыми серьезными последствиями. Так, диоксид серы, соединяясь с влагой, образует серную кислоту, которая разрушает легочную ткань человека и животных. Особенно четко эта связь прослеживается при анализе детской легочной патологии и степени концентрации диоксида серы в атмосфере крупных городов. Согласно исследованиям американских ученых, при уровне загрязнения воздуха оксидами серы (SO2) до 0,049 мг/м3 показатель заболеваемости населения г. Нэшвилл (США) (в человеко-днях) составлял 8,1%, при 0,150 - 0,349 мг/м3 - 12 %, а в районах с загрязнением воздуха выше 0,350 мг/м3 - 43,8%. Пыль, содержащая диоксид кремния (S1O2), вызывает тяжелое заболевание легких - силикоз. Оксиды азота раздражают, а в тяжелых случаях и разъедают слизистые оболочки, например, глаз, легких, участвуют в образовании ядовитых туманов и т.д. Особенно опасны они, если содержатся в загрязненном воздухе совместно с диоксидом серы и другими токсичными соединениями. В этих случаях даже при малых концентрациях загрязняющих веществ возникает эффект синергизма, т.е. усиление токсичности всей газообразной смеси. Широко известно действие на человеческий организм оксида углерода (угарного газа). При остром отравлении появляется общая слабость, головокружение, тошнота, сонливость, потеря сознания, возможен летальный исход (даже спустя три - семь дней). Однако из-за низкой концентрации СО в атмосферном воздухе он, как правило, не вызывает массовых отравлений, хотя и очень опасен для лиц, страдающих анемией и сердечно-сосудистыми заболеваниями. Среди взвешенных твердых частиц наиболее опасны частицы размером менее 5мкм, которые способны проникать в лимфатические узлы, задерживаться в альвеолах легких, засорять слизистые оболочки. Весьма неблагоприятные последствия связаны и с такими незначительными по объему выбросами, как свинец, бенз(а)пирен, фосфор, кадмий, мышьяк, кобальт. Они угнетают кроветворную систему, вызывают онкологические заболевания, снижают сопротивление организма инфекциям. Пыль, содержащая соединения свинца и ртути, обладает мутагенными свойствами и вызывает генетические изменения в клетках организма. Последствия воздействия на организм человека вредных веществ, содержащихся в выхлопных газах автомобилей, весьма серьезны и имеют широчайший диапазон действия от кашля до летального исхода. Смог. Тяжелые последствия в организме живых существ вызывает ядовитая смесь дыма, тумана и пыли - смог. Различают два типа смога: зимний смог (лондонский тип) и летний (лос-анджелесский тип). Лондонский тип смога. В крупных промышленных агломерациях большой экологической проблемой является смог (дым + туман) - комплексное загрязнение атмосферы, обусловленное застаиванием масс воздуха (отсутствие ветра и температурная инверсия). При высоких концентрациях диоксида серы в воздухе в условиях высокой влажности и температуре порядка 00С образуется так называемый восстановительный смог или смог лондонского типа. Механизм его образования следующий: твердые частицы (летучая зола, сажа) в воздухе действуют как зародыши конденсации паров воды с образованием микрочастиц тумана; диоксид серы растворяется в капельках тумана с образованием сернистой кислоты; сернистая кислота окисляется в серную кислоту кислородом, растворенным в капле. Так образуется кислый, разъедающий все туман. Температурная инверсия проявляется в повышении температуры воздуха с высотой в некотором слое атмосферы (обычно в интервале 300 - 400 м от поверхности земли) вместо обычного понижения. В результате циркуляция атмосферного воздуха резко нарушается, дым и загрязняющие вещества не могут подняться вверх и не рассеиваются. Во время смога в 1952 году с 3 по 9 декабря в Лондоне содержание диоксида серы и сернистого ангидрида в воздухе достигало 4 мг/м3 (при ПДК в 0,05 мг/м3). Тогда туман стал причиной смерти более 4000 человек, до 10 тыс. человек тяжело заболели. В конце 1962 г. в Руре (ФРГ) смог убил за три дня 156 человек. Рассеять смог может только ветер, а сгладить смогоопасную ситуацию - сокращение выбросов загрязняющих веществ. Лондонский смог формировался на основе интенсивной добычи и использования угля в качестве традиционного вида топлива. С середины 60-х годов обдуманный переход на сжигание бездымного топлива, внедрение очищающих устройств и фильтров, жесткий контроль выбросов привели к нормализации экологической ситуации. Лос-Анджелесский тип смога, или фотохимический смог, не менее опасен, чем лондонский. Возникает он летом при интенсивном воздействии солнечной радиации на воздух, насыщенный и пересыщенный выхлопными газами автомобилей. В Лос-Анджелесе более четырех миллионов автомобилей выбрасывают только оксидов азота в количестве более чем тысяча тонн в сутки. При очень слабом движении воздуха или безветрии в воздухе идут сложные реакции с образованием новых высокотоксичных загрязнителей - фотооксидантов (озон, органические перекиси, нитриты и др.), которые раздражают слизистые оболочки желудочно-кишечного тракта, легких и органов зрения. В Токио в 1970г. смог вызвал отравление 10 тыс. человек, а в 1971г. - 28 тыс. По официальным данным, в Афинах в дни смога смертность в шесть раз выше, чем в дни относительно чистой атмосферы. В некоторых российских городах (Кемерово, Новокузнецк, Медногорск, Череповец и др.), особенно в тех, которые расположены в низинах, в связи с ростом числа автомобилей и увеличением выброса выхлопных газов, содержащих оксид азота, вероятность образования фотохимического смога значительно увеличивается. Антропогенные выбросы загрязняющих веществ в больших концентрациях и в течение длительного времени наносят большой вред не только человеку, но и отрицательно влияют на животных, состояние растений и экосистем в целом.