- •Б.И.Дегтерев
- •Ученым советом ВятГту
- •Киров 1998
- •Введение
- •Глава 1. Предмет и задачи экологии §1. История развития экологической науки
- •§2. Структура современной экологии
- •§3. Основные задачи экологии
- •Глава 2. Биосфера земли и ее развитие §1. Границы, особенности строения и компоненты биосферы
- •§2. Роль магнитного поля Земли
- •§3. Функции живого вещества биосферы
- •§4. Этапы эволюционного развития биосферы
- •§5. Этапы взаимодействия человечества с биосферой
- •Глава 3. Экологические факторы среды §1. Классификация экологических факторов
- •§2. Абиотические факторы
- •§3. Биотические факторы
- •§4. Фундаментальный биологический принцип
- •§5. Закон минимума Либиха
- •§6. Ареал обитания и экологическая ниша. Адаптации
- •§7. Экологическая система и биогеоценоз
- •Глава 4. Принципы функционирования экосистем §1. Движение вещества и энергии по пищевым цепям
- •§2. Круговорот элементов
- •Круговорот углерода
- •Круговорот фосфора
- •§3. Источник энергии для экосистем. Пирамида биомассы
- •Глава 5. Антропогенные воздействия на природу §1. Классификация антропогенных воздействий
- •§2. Виды воздействий на литосферу.
- •§3. Загрязнение литосферы
- •§4. Загрязнение гидросферы. Водопользование и водопотребление
- •§5. Загрязнение атмосферы
- •§6. Воздействие атмосферных выбросов на почвы и живые организмы
- •§7. Взаимодействие и трансформация загрязнений в атмосфере. Вторичные явления
- •§8. Энергетические загрязнения природных сред
- •§9. Проблемы околоземного пространства
- •Глава 6. Инженерная защита литосферы §1. Основные пути решения проблемы
- •§2. Противоэрозионные мероприятия. Рекультивация земель
- •§3. Использование вторичных ресурсов
- •§4. Методы подготовки и переработки твердых отходов
- •Классификация и сортировка
- •Укрупнение частиц
- •Физико-химическое выделение компонентов при участии жидкой фазы
- •Термическая обработка
- •§5. Сохранение поверхности земли и рельефа при строительстве
- •Глава 7. Инженерная защита гидросферы §1. Контроль качества водных ресурсов
- •§2. Нормирование сбросов загрязняющих веществ в водные объекты
- •Экологическое состояние водных объектов Кировской области
- •§3. Условия выпуска сточных вод в водоемы
- •§4. Мероприятия по сохранению и восстановлению чистоты водоемов
- •§5. Вопросы охраны водных ресурсов при проектировании
- •§6. Очистка сточных вод
- •Глава 8. Инженерная защита атмосферы §1. Контроль качества атмосферного воздуха
- •§2. Защита атмосферы от промышленных загрязнений
- •§3. Гравитационные, инерционные и центробежные пылеуловители
- •§4. Очистка газов в фильтрах
- •§5. Очистка газов в мокрых пылеуловителях
- •§6. Электрическая очистка газов
- •Глава 9. Нетрадиционные источники энергии §1. Причины повышенного интереса к нетрадиционным энергоисточникам
- •§2. Солнечная энергетика
- •Тепловые стационарные устройства
- •Фотоэлектрическая солнечная электростанция
- •§3. Энергия атмосферных источников
- •Энергия атмосферного электричества
- •§4. Энергия океана
- •Энергия волн
- •Энергия приливов
- •Энергия океанских течений
- •Тепловая энергия океана
- •§5. Энергия литосферы
- •§6. Биологические источники энергии
- •Глава 10.
- •Основы биопозитивности зданий и
- •Сооружений
- •§1. Особенности конструктивных и технологических решений
- •Строительная площадка
- •Автодороги
- •§2. Уровни биопозитивности
- •Шумозащитные стены и здания
- •§3. Энергоактивные здания
- •Гелиоэнергоактивные здания
- •Ветроэнергоактивные здания
- •Биоэнергоактивные здания
- •Литература
- •Оглавление
§7. Взаимодействие и трансформация загрязнений в атмосфере. Вторичные явления
После выхода из источника загрязнения не остаются в атмосфере в неизменном виде. Происходят физические изменения, особенно в процессе динамических явлений (перемещение и распространение в пространстве, турбулентная диффузия, конденсация, рассеивание и т.д.).
Температурные изменения приводят к конденсации некоторых газов и паров, сопровождающейся образованием туманов и капель.
Происходят изменения и в результате химических процессов, например, химические реакции окисления. Наиболее часто окисляются кислородом воздуха диоксид серы в триоксид, оксид азота в диоксид, альдегиды до органических кислот и т.д.
После длительного пребывания некоторых газообразных загрязняющих веществ в атмосфере они трансформируются в твердые тонкодисперсные частицы: пары кислот после соединения (реакции) с твердыми частицами щелочей (оснований) превращаются в твердые частицы солей, оксиды серы трансформируются в сульфаты, оксиды азота и аммиак - в нитраты.
Солнечное излучение вызывает в атмосфере химические реакции между различными загрязняющими веществами и окружающей их средой.
В результате взаимодействия и трансформации загрязнений в атмосфере возникают вторичные явления: смоги, кислотные дожди, парниковый эффект, разрушение озонового слоя.
Международный термин «смог» является комбинацией слов «дым» (smoke) и «туман» (fog) и применяется для характеристики такого состояния атмосферы, когда видимость понижена, а уровень загрязнений от промышленных выбросов, выхлопных газов автомобилей и продуктов их реакций весьма высок.
Существует два основных типа смогов - восстановительный (типичный для городов типа Лондон) и фотохимический окислительный (типичный для города Лос Анджелеса).
Восстановительный смог - это атмосферное явление, встречающееся в больших промышленных городах и представляющее собой смесь дыма, сажи и диоксида серы. Обычно он достигает максимальных уровней рано утром, при температуре около 0 0С и высокой влажности и дополняется состоянием инверсии в атмосфере (инверсия - увеличение температуры в восходящем потоке). За счет раздражающего воздействия на бронхи и дыхательные пути он оказывает прямое воздействие на здоровье людей (в Лондоне в 1952 г. под воздействием смога погибло 3000 чел.).
Фотохимический окислительный смог возникает при наличии в атмосфере оксидов азота. Фотохимическое разложение диоксида азота с образованием оксида азота и атомарного кислорода инициирует последующие реакции, в которых участвуют как неорганические (диоксид серы), так и органические (углеводороды) вещества, присутствующие в атмосфере. Конечными продуктами реакций являются озон, формальдегид, акролеин, органические озониды и органические кислоты, которые в совокупности вызывают у людей раздражение глаз и снижение уровня зрения, нарушают процессы вегетации.
Кроме того, фотохимический смог окисляет резину и вызывает быстрое ее старение и разрушение, а также имеет неприятный запах. Образование аэрозолей, одной из составляющих которых является триоксид серы, существенно снижает прозрачность атмосферы.
Фотохимический смог достигает максимального уровня около полудня, при температурах 24...32 0С и низкой влажности и дополняется нисходящей инверсией.
Химические реакции с участием некоторых газообразных загрязняющих веществ, основными из которых являются оксиды серы и азота, приводят к образованию в верхних слоях атмосферы кислот и кислотных ионов, вызывающих повышение кислотности осадков - кислотные дожди. Считается, что кислотные осадки на 2/3 обусловлены выбросами SO2 и на 1/3 выбросами NOx.
Выделяющийся при сжигании угля, мазута, нефти, при обжиге на воздухе полиметаллических и других сульфидных руд сернистый газ попадает с отходящими газами в атмосферу и в присутствии паров влаги превращается в неустойчивую сернистую кислоту или окисляется до серной кислоты.
Источниками сернистого газа в атмосфере могут быть и естественные процессы – извержение вулканов, разложение «серных вод», биогенное выделение (CH3)2S из океанских вод, H2S и CS2 из тропических почв и другие. В глобальном масштабе вклад природных источников поступления SO2 не превышает 40%.
Образование оксидов азота из газов воздуха в естественных условиях происходит лишь при грозовых разрядах и в результате деятельности азотфиксирующих и разлагающих белок бактерий. Доля природных процессов в образовании оксидов азота оценивается в 50%.
В промышленности оксиды азота образуются на энергетических предприятиях, на заводах по производству азотной кислоты, при работе автомобильных двигателей. Большой вклад в загрязнение атмосферы вносит и применение азотных удобрений, увеличивающих количество оксидов азота «бактериального» происхождения.
Определенную роль в образовании кислот в атмосфере играют хлор и его соединения. Их гидролиз или фотохимическое разложение приводят к появлению хлороводорода (соляной кислоты).
Кислотные дожди ухудшают здоровье населения, несут летальные последствия жизни в озерах, реках и других водоемах, огромный урон наносят вечнозеленым лесам (еловым, пихтовым, сосновым), разлагают органические соединения в гумусе и вымывают из почвы важные питательные вещества.
Прямо или косвенно кислотные дожди являются причиной загрязнения воды токсичными металлами, резкого усиления коррозии металлических конструкций, механизмов, оборудования, разрушения зданий и исторических памятников.
В последние десятилетия наблюдается разрушение озонового слоя атмосферы Земли вследствие непрерывного воздействия различных факторов физической и химической природы. Озоновый слой, располагающийся на высоте от 18 км (высокие широты) до 22 км (экваториальные области) от поверхности Земли, играет решающую роль в снижении проникающей способности ультрафиолетовой части спектра космических лучей.
В соответствии с суточными колебаниями послеобеденное содержание озона больше утреннего. Максимального значения содержание озона достигает весной, а осенью падает до минимума.
Образуется стратосферный озон в результате воздействия на кислород ультрафиолетовых лучей:
3О2 + 285 кДж = 2О3
Разрушение озонового слоя происходит главным образом под действием оксидов азота и хлорфторуглеродов (фреонов). Оно особенно значительно над земными полюсами и в зонах полетов космических аппаратов и сверхзвуковой авиации. Уже установлено наличие постоянной «озоновой дыры» над Антарктидой. Летом на средних и высоких широтах в Северном и Южном полушариях озоновый слой истощается так же, как и над Антарктидой.
В 1993 г. наблюдались «мини-дыры» в озоновом слое над северной Великобританией. Весной 1996 г. зарегистрировано уменьшение озонового слоя до 30% над республикой Коми, Архангельской и Кировской областями. В ряде источников сообщалось, что это связано с запусками космических аппаратов с космодрома в Плесецке, находящегося в Архангельской области. По другим источникам причиной послужили застойные явления в атмосфере, т.к. не было переноса озона с северо-востока России, где его образуется больше всего.
В атмосфере озон распределен в большом интервале высот. Если же его собрать при нормальном давлении и температуре 20 0С в один относительно плотный сферический слой, то его толщина составит всего 2,5...4 мм.
Реакция разложения озона оксидом азота имеет вид:
NO + О3 NO2 + О2 .
Фреоны (CFCl3, CF2Cl2) поступают в атмосферу практически в том же количестве, в каком они заполняли аэрозольные баллоны. Постепенно поднимаясь над поверхностью Земли и достигнув слоев стратосферы, фреоны под действием солнечного ультрафиолетового излучения разлагаются с образованием активных атомов Cl:
CFCl3 + h = CFCl2 + Cl,
CF2Cl2 + h = CF2Cl + Cl.
Атомарный хлор очень быстро вступает в реакцию с озоном и трансформирует его в обычный кислород:
Cl + О3 ClO + О2.
Прежде чем хлор окажется связанным с каким-либо другим элементом, например, с водородом, может произойти разрушение многих тысяч молекул озона.
Вместе с тем, некоторые ученые полагают, что естественные факторы, например, извержение вулкана, в ряде случаев может привести к более губительным последствиям для озонового экрана, чем антропогенные выбросы фреонов.
Сокращение концентрации озона в озоновом слое может привести к массовым онкологическим заболеваниям кожи у людей, замедлению фотосинтеза и гибели некоторых видов растений.
В результате разрушения стратосферного озона на 25% следует ожидать 35%-ного снижения продуктивной деятельности фитопланктона, который утилизирует в процессе глобального фотосинтеза более половины углекислого газа. Кроме того, ультрафиолетовая радиация подавляет производство фитопланктоном диметилсульфида, играющего важную роль в формировании облачности.
УФ-излучение способно непосредственно поражать икру и мальков рыб.
Непосредственному воздействию УФ-радиации подвергаются фототрофные цианобактерии верхних почвенных слоев, способные утилизировать азот воздуха с последующим использованием его растениями. Таким образом, в результате разрушения стратосферного озона следует ожидать уменьшения плодородия почв.
Наиболее массово выбрасывают в атмосферу озоноразрушающие вещества Япония, Дания, США и другие развитые страны; Россия - на 11 месте.
Парниковый эффект подробно рассматривался в §1 настоящей главы. Здесь можно добавить лишь информацию о вкладе парниковых газов в потепление климата: СО2 - 60%, СН4 - 15%, NОх - 13%, хлорфторуглероды - 12%.