Глава 4. Техногенные источники загрязнения атмосферы

Процессы ввода газов в атмосферу включают природные явления: вулканическую деятельность, дегазацию гидросферы и поверхности суши, биохимические процессы, а также техногенные химические процессы, связанные с деятельностью человека.

ПРИРОДНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПОСТУПЛЕНИЯ ГАЗОВ В АТМОСФЕРУ

Вулканическая деятельность.

Дегазация выходящей на поверхность магмы до сих пор остается основным источником молекулярного азота, инертных газов, сероводорода, галогеноводородов, например хлоро- и фтороводорода и оксида серы (IV). Магматические источники являются локальными. Это, прежде всего, жерла вулканов и специфические горные районы.

Небольшие количества инертных газов (гелия, аргона и радона) выделяются с тех участков поверхности планеты, которые содержат следы радиоактивных урана, тория и калия.

Дегазация гидросферы.

Атмосфера находится в постоянном взаимодействии с водами рек, морей, океанов, подземных водоносных горизонтов, ледников.

Гидросфера без подземных вод и ледников содержит 13,710²⁰ кг воды. В этой массе воды среднее содержание газов составляет всего 20 см³/л.

Подземные воды имеют массу порядка10²⁰ кг или примерно 7% массы всей гидросферы. Несмотря на такое соотношение количества воды в гидросфере и под землей, из общей массы растворенных газов в воде масса газов, растворенных в подземных водах, видимо, превышает массу газов, растворенных в водах Мирового океана, и приближается к массе наземной атмосферы.

Этому факту есть объяснение. При движении вглубь Земли повышается давление и растворимость газов в воде растет. В подземных водах на глубинах от 1 до 4 км давление настолько высокое, что в 1 л способно раствориться до 500 см³/л газов. В некоторых районах Западной Сибири обнаружены подземные воды с содержанием газов 1000 – 1500 см³/л.

После подземных вод следующими по массе составляющими гидросферы являются лед и снег. Основная масса льда и снега (приблизительно 0,2610²⁰ кг воды) заключена в ледниках. Ледниковые льды, например антарктический ледниковый покров, толщина льда в котором местами превышает 4 км, также содержат растворенные газы, но их количество незначительно.

Та часть атмосферы Земли, в которой образуются дождевые и снеговые облака, роса, туманы, изморозь  еще одна сфера, содержащая воду в различных фазовых состояниях. Воды в этой сфере немного, всего 1,410¹⁵ кг, но в атмосфере она все время возобновляется и перемещается вместе с воздушными массами быстрее, чем вода в реках. В считанные дни атмосферный водяной пар может обогнуть весь земной шар.

Вода океанов и морей, подземные воды, снежно-ледовые образования озер, рек, атмосферы находятся в непрерывном движении. В таком же движении находятся газы, содержащиеся в воде. Кислород и углекислый газ, растворенные в водах Мирового океана, обеспечивают существование в нем живых организмов.

Высокая растворимость углекислого газа в воде определяется его взаимодействием с водой:

СО₂(г) + Н₂О(ж) ⇄ Н₂СО₃(р-р) ⇄ Н⁺(р-р) + НСО₃^(р-р).

Если принять во внимание равновесие

СО₂(в атмосфере) ⇄ СО₂(в гидросфере),

становится понятной роль воды как гигантского источника углекислого газа. Вероятно, глобальная циркуляция вод океанов, насыщенных газами, является решающим фактором изменения климата на Земле.

Биохимические процессы.

Углекислый газ, растворенный в водах поверхностных водоемов, участвует в химических реакциях с донными карбонатами:

СО₂(р-р) + Н₂О + СаСО₃(т)  Са(НСО₃)₂(р-р).

Биохимические процессы окисления-восстановления сопровождаются поглощением и выделением газов в атмосферу. Основным источником поступления кислорода в атмосферу являются живые организмы, осуществляющие процесс фотосинтеза. В первичной стадии фотосинтеза выделяется кислород:

Фотосинтез

6СО₂(г) + 6Н₂О(ж) ⇄ С₆Н₁₂О₆ (р-р) + 6О₂(г).

Если живые организмы генерируют кислород в атмосферу, то они же являются его основными потребителями за счет клеточного дыхания:

С₆Н₁₂О₆ (р-р) + 6О₂(г) ⇄ 6СО₂(г) + 6Н₂О(ж).

«Сжигание» органических веществ в результате клеточного дыхания, а также окисление органических веществ до неорганических при участии аэробных микроорганизмов приводит к поступлению в атмосферу углекислого газа.

Органическое вещество (С, О, Н, N, P, S)

Разложение органического вещества с участием анаэробных бактерий происходит на поверхности суши при гниении и брожении в отсутствии кислорода

 NH₃ + H₂S + PH₃ + СН₄ + Н₂О.

Так разлагаются белкам и нуклеиновые кислоты, содержащие азот, фосфор и серу. При этом главным образом образуются летучие гидриды: сероводород H₂S, аммиак NH₃, фосфин PH₃ и метан, которые пополняют газовый запас атмосферы.

ЕСТЕСТВЕННЫЕ СТОКИ ГАЗОВ ИЗ АТМОСФЕРЫ

Рассеивание газов в космическое пространство.

Экзосфера, внешний наиболее разреженный слой верхней атмосферы Земли, является сферой рассеивания микрочастиц атмосферы. Рассеиваются атомы водорода, гелия и кислорода. Длина свободного пробега частиц в верхней экзосфере достигает второй космической скорости (~11 км/с), поэтому они улетают в космическое пространство. Однако концентрация частиц в верхней части экзосферы сохраняется постоянной за счет поступления микрочастиц из термосферы.

Растворение газов в гидросфере.

Хорошо растворимые газы очень быстро выводятся из атмосферы. К таким газам относятся хлороводород и фтороводород, которые в огромных количествах выделяются в атмосферу при дегазации магмы: хлороводород – 810⁶ т/год и фтороводород – 410⁵ т/год. После растворения в воде они реагируют с магматическими горными породами:

2HF(р-р) + CaОAl₂О₃ 2SiO₂ (т)  CaF₂(р-р) + 2HАlSiO₄(т).

Значительные количества углекислого газа также растворяется в воде. Его концентрация в воде в 30 раз больше, чем в атмосфере. Мировой океан в этом смысле является громадным резервуаром углекислого газа.

Конденсация паров воды

Конденсация – процесс обратный испарению воды. Чем ниже концентрация паров, тем ниже должна быть температура воздуха, чтобы процесс конденсации реализовался. Именно в этом процессе идет возвращение воды в Мировой океан.

ТЕХНОГЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ПОСТУПЛЕНИЯ ГАЗОВ В АТМОСФЕРУ

Сложившаяся в течение последних лет напряжённая экологическая ситуация во многих регионах Земли представляет серьёзную угрозу для состояния здоровья населения. В результате техногенного воздействия цивилизации на биосферу в последние годы отмечается значительное её изменение, оказывающее неблагоприятное влияние на здоровье населения. Интенсивное развитие химии, индустрии, атомной энергетики, сжигание колоссальных количеств топлива, рост городов, создание мегаполисов и крупных промышленных центров, неконтролируемое увеличение единиц автотранспорта привело к возникновению особой экологической среды с высокой концентрацией техногенных и антропогенных продуктов – к серьёзному загрязнению атмосферы, почвы и водных бассейнов. Следствием этого является загрязнение не только окружающей среды, но и внутренней среды организма, приводящее к нарушению биологических и биохимических основ его жизнедеятельности.

Источниками наибольшего количества загрязнителей атмосферного воздуха являются химическая, нефтехимическая, топливно-энергетическая, машиностроительная отрасли промышленности, целлюлозно-бумажные комбинаты, лесопильные и деревообрабатывающие предприятия и особенно автотранспорт. Техногенные выбросы газов в атмосферу разнообразны и зависят главным образом от процессов сжигания топлива (каменный уголь, мазут, природный газ), используемого на тепловых электростанциях и моторного топлива.

При сжигании на электростанциях и в бытовых газовых горелках природного газа, основным компонентом которого является метан, образуются значительные количества углекислого газа:

СН₄(г) + 2О₂(г) = СО₂(г) + 2Н₂О(ж).

Сжигание каменного угля и мазута на электростанциях приводит к выбросу в атмосферу кроме углекислого газа, больших объемов оксида углерода (II), оксидов серы SO₂ и азота NO и NO₂. Это связано с окислением содержащихся в каменном угле и мазуте серо- и азотсодержащих органических примесей.

В дизельных и бензиновых двигателях внутреннего сгорания температура сгорания топлива достигает 2000 ⁰С. При такой температуре азот и кислород воздуха реагируют с образованием оксида азота (II), а углеродные составляющие топлива рождают оксид углерода (II). Органические соединения, входящие в состав топлива, окисляясь, выбрасывают в атмосферу набор газов, в соответствии с реакцией:

S и N – содержащие органические

вещества

+ хО₂(г)  СО₂(г) + Н₂О(ж) + SO₂(г) + NO(г) + NO₂(г).

ОСНОВНЫЕ ТЕХНОГЕННЫЕ ЗАГРЯЗНИТЕЛИ АТМОСФЕРЫ

Прежде всего необходимо дать определение понятию загрязнение атмосферы. Загрязнение атмосферы -- это присутствие в окружающей атмосфере одного или более инградиентов или их комбинаций в таких количествах и в течение такого времени, что они могут или имеют тенденцию нанести вред жизни и здоровью человека, растениям или животным.[36]. В табл. 8 , приведенной ниже, даны основные техногенные загрязнители атмосферного воздуха.

Т а б л и ц а 8

Основные техногенные загрязнители атмосферы [9]

№ п/п	Перечень основных загрязнителей атмосферы
1 2. 3. 4. 5. 6. 7.	Взвешенные частицы (мелкая и крупная пыль, дымки, туманы) Соединения серы Азотистые соединения Углеродистые соединения Соединения галогенов Органические соединения Радиоактивные вещества

К основным техногенным загрязнителям, содержащимся в воздушной среде практически на всех территориях, относятся осиды углерода, серы и азота (СО, СО₂ SO₂, NO, NO₂), взвешенные вещества и др. Данные примеси входят в число приоритетных загрязнителей атмосферного воздуха в целом. Кроме этого, в составе образующихся в процессе производства загрязняющих веществ содержится около 100 наименований специфических загрязнителей. В структуре выбросов специфических веществ, более половины занимает метан, следующими по величине выбросов являются сажа и летучие органические вещества (RH): ксилол, толуол, аммиак, бутилацетат, дихлорэтан, бензол, ацетон, этилацетат, фенол и др.[36].

Окислительно-восстановительные процессы в атмосфере приводят к образованию не только загрязняющих оксидов, но и пероксида водорода (Н₂О₂), пероксиацетилнитрата СН₃С(О)ООNO₂ (ПАН) и озона О₃. Оксиды и пероксиды являются продуктами нижеприведенных химических превращений.

Летучие органические соединения (RН), попадающие в атмосферу, превращаются в присутствии свободных радикалов в чрезвычайно токсичные вещества: альдегиды RС(О)Н и органические пероксинитраты

R^’ С(О)ООNO₂:

RН + ^О^  RС(О)Н

RН+ НО^ + NO^  R^’С(О)ООNO₂.

Время жизни свободных радикалов (НО^, НОО^, НSО₃^) очень мало – не более нескольких минут. Их локальные концентрации определяются количеством реагентов и уровнем солнечной радиации. На большие расстояния они не переносятся, в отличие от пероксида водорода (Н₂О₂) и органических пероксидов, например преоксиацетилнитрата СН₃С(О)ООNO₂, продолжительность жизни которых значительно больше. Образование активных пероксидов в атмосфере происходит в результате химических реакций, в которых участвуют свободные пероксидные радикалы:

НО₂^ + НО₂^  Н₂О₂ + О₂,

RО₂^ + NО₂  ROONO_{2 .}

Общее время жизни пероксидов определяется скоростью их фотохимического и термического распада. Зимой пероксиды могут сохраняться 5 – 10 дней. Концентрация пероксида водорода в воздухе зависит от влажности и скорости выпадения осадков, поскольку он хорошо растворим в воде.

Время жизни органических пероксинтиратов в приповерхностном слое атмосферы составляет несколько часов, в тропосфере – несколько месяцев. Эти соединения могут переноситься на большие расстояния. Они являются «резервуаром» для оксида азота и новых свободных радикалов.

Большие количества оксида углерода (II) или угарного газа поступают в атмосферу в результате деятельности человека. Автомобиль в среднем за год выбрасывает в воздух около 530 кг СО. Литр бензина, сжигаемый в двигателе внутреннего сгорания, дает примерно 150-800 г СО. На дорогах России средняя концентрация СО в воздухе, как правило, превышает ПДК. Угарный газ накапливается во дворах перед домами, расположенными вблизи стоянок машин и автострад.

Естественное содержание СО в воздухе составляет 0,01-0,9 мг/м³. Это очень ядовитое вещество. В организме человека и животных он активно реагирует с гемоглобином крови, нарушая функцию переноса и потребления кислорода организмами. Кроме того, он вступает в необратимое взаимодействие с некоторыми ферментами, участвующими в энергетическом обмене клеток. Предельно допустимая концентрация оксида углерода (II) в воздухе  20 мг/м³.

Одним из самых опасных техногенных органических веществ, загрязняющих атмосферу, являлся 1.2-бенз(а)пирен. Бенз(а)пирен  соединение из группы полициклических ароматических углеводородов, относится к веществам, обладающим высокой канцерогенной активностью (вещество 1-го класса опасности), основным «поставщиком» которого в атмосферу является некачественный бензин и неисправные двигатели.

Бенз(а)пирен

Он также присутствует в газообразных отходах промышленности, в табачном дыме, является продуктом неполного сгорания топлива, мусора, опавших листьев и др. До 40% выбросов бенз(а)пирена приходится на черную металлургию, 26%  бытовое отопление, 16%  химическую промышленность. Как правило, источником бенз(а)пирена является процесс горения практически всех видов горючих материалов. Бенз(а)пирен присутствует в дымовых газах, копоти и саже, оседающих в дымоходах и на поверхностях, имевших контакт с дымом, точнее в смолистых веществах, содержащихся в продуктах сгорания. Он присутствует в атмосферном воздухе населённых мест, в воздухе производственных помещений, в воде открытых водоёмов, в растениях, в почве. Высокая концентрация вещества способна вызывать генные мутации, злокачественные раковые опухоли.

Бенз(а)пирен имеет неприятную особенность  прикрепляться к пыли и «летать» вместе с ней. Поэтому, вдыхая пыльный воздух, люди рискуют потерять здоровье. Опасен он прежде всего своей проникающей способностью. Норматив бенз(а)пирена в атмосферном воздухе составляет 110^-6 мг/м³