7. Антропогенное воздействие на атмосферу

Строение и состав и значение атмосферы для биосферы.

Атмосфера – воздушная оболочка, окружающая землю и вращающаяся вместе с ней.

Химический состав воздуха атмосферы (объемные %): азот – 78,08; кислород – 20,9; аргон –0,93; углекислый газ – 0,03; вода – 0,001, а также: неон, гелий, ксенон, радон, метан и др.

Строение атмосферы:

• 0 – 12 км – тропосфера, содержит 80% всей массы воздуха, основное количество водяных паров, определяет климат и погоду.

• 12 – 50 км – стратосфера, содержит достаточно большую массу воздуха + озоновый слой в интервале 20 –30 км.

• 50 – 80 км – мезосфера, в ней воздух сильно разрежен.

• 80 – 400 км – ионосфера, газы в ней находятся в ионизированном состоянии, между ионами идут химические реакции (с участием ионизирующего излучения).

Значение атмосферы для биосферы:

1. Является источником необходимых живым организмам: кислорода, углекислого газа, водяных паров.

2. Регулирует количество солнечного и космического излучения, попадающего на поверхность земли:

• существенно понижает суточные перепады температуры;

• озоновый слой и ионосфера защищают поверхность земли от избыточного жесткого и УФ излучений.

3. Защищает поверхность земли от метеоритов, других мелких космических объектов;

4. Является основным климатообразующим фактором и средой обитания многих живых организмов.

Основные загрязнители атмосферы.

Большая часть техногенных выбросов в атмосферу – нетоксичные углекислый газ и вода. С СО₂ связаны другие экологические проблемы, не связанные с токсичностью. В атмосферу выбрасываются десятки тысяч различных веществ, но наиболее распространенные (многотоннажные) немногочисленны, делятся на 5 групп:

Загрязнитель	Воздействие на человека	Воздействие на биосферу
1. Твердые частицы, пыль, сажа	Зависит от химического состава: нетоксичная, токсичная, канцерогенная (SiO2, асбест).	Снижение прозрачности воздуха, смог.
2. СО2 СО	Существенное воздействие только в больших концентрациях	Парниковый эффект.
	Необратимо связывает гемоглобин крови, вызывает удушье, нарушение обмена веществ.	Малые концентрации не оказывают заметного влияния.
3. SO2, SO3	Раздражение кожи, слизистых, нарушение деятельности дыхательных и сердечно-сосудистых систем	Смог, кислотные дожди и их последствия – угнетение земной растительности, особенно хвойных.
4. Оксиды азота	Раздражение кожи и слизистых, нарушение деятельности дыхательных и сердечно-сосудистых систем, понижение содержания гемоглобина (NO). Оксиды азота более опасны, чем оксиды серы, их действие нельзя смягчить нейтрализующими средствами	Смог, кислотные дожди и их последствия, разрушение озонового слоя.
5. Углеводороды (в т.ч. бензапирен)	В зависимости от химического состава могут быть раздражающими или канцерогенными.	Понижение прозрачности воздуха, смог.

Кроме указанных в таблице, в атмосферу выбрасываются: NH₃, H₂S, CS₂, O₃, хлорфторуглероды (в т.ч. фреоны), диоксины, тяжелые металлы и их соединения (свинец – 260 тыс. т в год – ДВС, 89 тыс. т металлургия; ртуть, кадмий, мышьяк, сурьма и др.)

ПДК некоторых загрязнителей атмосферы мг/м³:

Вещество	Класс опасности	ПДКмр	ПДКсс
1. Пыль неорганическая 20-70% SiO2 2. Диоксид серы 3. Диоксид азота Оксид углерода СО Формальдегид Н2СО Бензол С6Н6 Фенол С6Н5ОH Аммиак NH3 Сероводород H2S Хлор Cl2 Свинец Ртуть металлическая Бензапирен C20H12 Диоксин	3 3 2 4 2 2 2 4 2 2 1 1 1 1	0,3 0,5 0,085 5 0,035 1,5 0,01 0,2 0,008 0,1 0,01 0,01 – 0,5пг/м3	0,1 0,05 0,04 3 0,003 0,1 0,003 0,04 0,008 0,03 0,0003 0,0003 0,00001 –

Особую группу загрязнителей атмосферы и окружающей среды в целом составляют тяжелые металлы и их соединения. Они приводят к нарушениям обмена веществ, кроветворной функции, различным тяжелым заболеваниям. Некоторые тяжелые металлы являются канцерогенами (Cr(VI) и его соединения), они относятся обычно к 1 – 2 классам опасности. Соединения тяжелых металлов обычно более опасны, чем сами металлы, они обычно и присутствуют в атмосфере в газообразном состоянии или в составе пыли.

Основные загрязнители атмосферы: ТЭС, автотранспорт и промышленность (металлургия и др.)

Загрязнитель атмосферы №1 – термохимические процессы в энергетике (ТЭС). Основные химические реакции теплоэнергетических процессов, приводящие к загрязнению атмосферы углекислым газом:

С+ O₂  СO₂

C_nH_m+ O₂  n CO₂ +0,5m H₂O

Попутно идут реакции термического окисления азота, окисления примесей из топлива (например, серы), высвобождение примесей.

Удельные выбросы в атмосферу ТЭС мощностью 1000 мВт на разных видах топлива (г/кВт-ч):

Выбросы	Топливо
	Уголь	Мазут	Природный газ
Частицы СО NOх SO2	0,4–1,4 0,3–1,0 3,0–7,5 6,0–12,5	0,2–0,7 0,1–0,5 2,4–3,0 4,2–7,5	0–0,05 – 1,9–2,4 0–0,02

В среднем в топливной теплоэнергетике на 1 т условного топлива выбрасывается ~150 кг загрязнителей (кроме того присутствует тепловое загрязнение окружающей среды). Доля АЭС (не дающих существенныхвыбросов в атмосферу) в выработке электроэнергии в нашей стране составляет 10 –15%. В то же время, повсеместное использование только в отечественной металлургии существующих энергосберегающих технологий позволит сэкономить 12 % вырабатываемой энергии (суммарное производство всех АЭС России).

Загрязнитель атмосферы №2 (а в крупных городах №1) – ДВС – автомобильный транспорт.

Состав отработанных газов автомобиля (объемные %)

Компоненты	Двигатели
	карбюраторные	дизельные
N2 O2 Н2О СO2 СО NOх CnHm Альдегиды Частицы, г/м3 Бензапирен мкг/м3	72–75 0,3–0,8 3–8 10–14,5 0,5–1,3 0,1–0,8 0,2–0,3 0–0,2 0,1–0,4 10–20	74–76 1,5–3,6 0,8–4 6–10 0,1–0,5 0,01–0,5 0,02–0,5 0–0,01 0,1–1,5 до 10

Наибольшая загрязненность атмосферы приурочена к индустриальным регионам. Около 90 % выбросов приходятся на 10% территории суши и сосредоточены в основном в Северной Америке, Европе и Восточной Азии. Это крупные промышленные города, сопровождаемые такими явлениями как пылевые купола, смог. В России это Норильск (2300 тыс.т./год), Магнитогорск (770), Липецк (640), Череповец (600), Новокузнецк (570), Нижний Тагил (550). Челябинская область по объемам выбросов загрязняющих веществ в воздушный бассейн занимает в России третье место.

Выбросы в атмосферу 5 главных загрязнителей (по состоянию на 1998г, млн. т)

Загрязнители	Весь мир		Россия
	Стационарные источники	Транспорт	Стационарные источники	Транспорт
Твердые частицы Оксид углерода Диоксид серы Оксиды азота Углеводороды	57 177 99 68 4	80 200 0,7 20 50	2,4 3,6 5,4 1,5 1,0	3,7 9,3 0,04 2,4 1,4

Вклад различных отраслей промышленности России в загрязнение атмосферы (1998):

• Электроэнергетика – 29,1 %;

• Цветная металлургия – 22 %;

• Черная металлургия – 14,6 %;

• Нефтедобыча – 9,3 %;

• Нефтепереработка – 5,1 %;

• Все остальные отрасли промышленности – 19,9 %.

Влияние оксидов серы и азота на атмосферу

По ряду показателей, в первую очередь по массе и распространенности вредных эффектов, атмосферный загрязнитель №1 – SO₂ (диоксид серы). Он образуется при окислении серы, содержащейся в топливе ТЭС или в составе сульфидных руд цветной металлургии (например, медеплавильное производство в г. Карабаш):

S + O₂ SO₂

Сu₂S + O₂  2Сu +SO₂

В последнее время, в связи с увеличением мощности высокотемпературных процессов, переводом ТЭС на газ и ростом парка автомобилей растут выбросы оксидов азота при окислении атмосферного азота:

N₂ + О₂  2NO

2NO+ О₂  2NO₂

Вторичные реакции SO₂ и NO₂ атмосферы с парами воды, кислородом и при участии техногенной пыли в качестве катализаторов, приводят к образованию серной и азотной кислот:

2SO₂ +2Н₂О  2Н₂SO₄ – масштабы процесса на порядок выше, чем для азотной:

4NO₂ +2Н₂О +O₂  4НNO₃

4NO + 2Н₂О +3O₂  4НNO₃

Результат – кислотный туман и кислотные дожди, рН которых в ряде случаев снижается на 2 – 2,5 ед. (вместо нормальных 5,6 – 5,7 до 3,2 – 3,7).

Влияние кислотных дождей:

• на растительность (особенно хвойную) – угнетение;

• на почву – вымывает катионы металлов (становятся подвижными ионы тяжелых металлов и Al – могут переходить в растения и далее передаваться и накапливаться в пищевых цепях);

• на литосферу – приводит к растворению карбонатов, росту карста;

• на памятники архитектуры (скульптуры Италии, Греции и др.);

• на закисление рек и озер, при которых в первую очередь гибнут моллюски, ракообразные.

Нарушение озонового слоя атмосферы (озоновые дыры).

В 80х годах появились первые сообщения о региональных снижениях содержания озона в стратосфере. В сезонно пульсирующей «озоновой дыре» над Антарктидой (площадью около 10 млн. км²) содержание озона упало на 50%. Позднее «блуждающие» озоновые дыры, меньшие по масштабам, обнаружены в Северном полушарии в местах устойчивых антициклонов – в Гренландии, Северной Канаде, Якутии. Средняя скорость глобального уменьшения содержания озона за период 1980–1995гг оценивается в 0,5–0,7 % в год.

Ослабление озонового экрана чрезвычайно опасно для всего живого на Земле, поэтому эти факты привлекли пристальное внимание ученых, экологов. Однако не исключено, что часть наблюдаемого ослабления озонового экрана земли связана с вековыми колебаниями аэрохимических свойств атмосферы и независимыми изменениями климата. Один из факторов – выделение водорода в районах повышенной вулканической активности. Среди гипотез, возможных причин нарушения озонового слоя выделяют:

• попадание в верхние слои техногенного хлора, фтора, хлорфторуглеродов (фреонов) – распадающихся под воздействием ультрафиолетового излучения. Хлор вызывает распад молекул озона, присоединяет атомарный кислород, конкурируя с реакцией О + O₂  O₃ (природной реакцией создания и поддержания озонового слоя атмосферы);

• технические пути заноса активных разрушителей озона в стратосферу: ядерные взрывы в атмосфере, выбросы высотных сверхзвуковых самолетов, запуски ракет и кораблей многоразового использования.

Один запуск космического аппарата типа «Шаттл» разрушает озон в количестве до 1 млн. тонн, т.е. до 0,3% общего содержания озона в земной атмосфере.

Парниковый эффект и изменения климата

С конца 19 века по настоящее время наблюдается повышение средней глобальной температуры атмосферы. За последние 50 лет средняя температура атмосферы повысилась на 0,6 С. Это потепление в 20 веке относится к спонтанным вековым колебаниям средней температуры и не может быть целиком приписано влиянию человека. Однако это влияние возрастает, последнее десятилетие 20 века – самое теплое не только в столетии, но и во всем тысячелетии. Ведущим фактором глобального потепления климата считают парниковый эффект – уменьшение спектральной прозрачности атмосферы для теплового излучения от поверхности земли, создаваемый в атмосфере парами воды и рядом газов: СO₂, СО, СН₄, NO_х, фреонами и другими – так называемыми парниковыми газами.

Несмотря на однозначно зафиксированное повышение содержания в атмосфере парниковых газов, повышение температуры намного меньше ожидаемого – расчетного (на настоящий момент). Это «противодействие» возможно обусловлено:

• снижением прозрачности атмосферы – снижением солнечной радиации, достигающей земли;

• высокой замкнутостью биосферного круговорота углерода, огромной буферной емкостью биосферы и океана по связыванию атмосферного СO₂.

Таким образом, реализации модельных расчетов потепления климата под воздействием выброса парниковых газов остаются возможными сценариями и предположениями, с вероятностью реализации оцениваемой в 60%. Однако опасность представляется реальной, поскольку фактические данные говорят о том, что круговорот углерода уже нарушен:

• на 7–8% увеличен планетарный обмен углерода за счет техногенных выбросов и выделений СO₂ из почвы (из карбонатов и при эрозии почвы);

• содержание СO₂ в атмосфере в последние десятилетия неуклонно увеличивается – буферные системы биосферы и океана не справляются с регулированием равновесия потоков СO₂.

Расчет показывает, что для остановки глобальных изменений круговорота углерода необходимо вдвое сократить освоенную человеком часть суши и тем самым уменьшить разрушение биосферы.

Аэрозольный эффект. Смог.

Аэрозольный эффект – снижение прозрачности атмосферы, уменьшение солнечной радиации, достигающей поверхности земли – эффект противоположный парниковому, вызывает снижение температуры у поверхности. Аэрозоли, включающие:

– жидкие частицы (10^-6 – 10^-1 см), представляют собой туман.

– твердые частицы (10^-8 – 10^-2см), представляют собой пыль.

Смог – токсичный туман, опасное загрязнение атмосферного воздуха, сочетающее пылевые частицы и капли жидкости.

Смог Лондонского типа (классический) – вредные газы (главным образом SO₂), пыль, туман. Источник классического смога в 50 ^х годах в Лондоне – сжигание серосодержащего угля и мазута в каминах.

Лос-Анджелесский смог (фотохимический), имеет в качестве основного источника выбросы автотранспорта, под действием ультрафиолетовой составляющей солнечного света в которых образуются новые, более опасные загрязнители, чем исходные (n-ацетнитрил, озон и др.)

Смог Аляскинского типа – «морозный туман» (лед) в сочетании с различного рода загрязнителями, возможно токсичными.

При средних скоростях западных воздушных потоков в верхней тропосфере 30–35 м/с, наблюдаемых в умеренных широтах, аэрозольные выбросы успевают обогнуть земной шарза 10–12 суток

Методы очистки от газообразных примесей.

Физико-химические:

1. Промывка газовоздушной смеси жидкостями. Поглощающими газообразные примеси – абсорбция Н₂О абсорбирует NH₃, HCl, HF. Вязкие масла используют для удаления ароматических, циклических C_nH_m.

2. Хемосорбция – поглощение газообразных примесей жидкостью с образованием новых химических соединений.

3. Адсорбция – поглощение газообразных веществ твердыми активными веществами (активированный уголь, силикагель, Al₂O₃).

4. Каталитические превращения – связывание загрязнителей в менее вредные или безвредные вещества в присутствии катализаторов (Pt и другие металлы, оксиды меди и марганца).

ССЗ – санитарно-защитные зоны, которыми отделяются от жилой застройки промышленные предприятия, загрязняющие атмосферу. ССЗ должны содержать зеленые насаждения и иметь размеры в зависимости от класса предприятий:

Класс предприятия	Ширина ССЗ (м)
1. Черная металлургия 2. Машиностроение 3. Рыбные промыслы, свекло-сахарные заводы 4. Пищевая промышленность, спиртозаводы 5. Пищевая промышленность – молокозаводы	1000 500 300 100 50

Методы пылеочистки:

1. Сухая пылеочистка (циклонная, ротационная, вихревая и др.)

2. Мокрая пылеочистка – осаждение на каплях или пленках жидкости.

3. Фильтрация – пропускание газовоздушной смеси через пористые материалы

4. Электрофильтрация (электроочистка) – осаждение пыли на электродах в результате электрических разрядов и ионизации пылевых частиц.