Глобальное загрязнение атмосферы. Основные источники загрязнения атмосферы в нефтегазовом секторе. Экологические последствия загрязнения атмосферы.
Лекция 5
ЭКОЛОГИЯ и УСТОЙЧИВОЕ РАЗВИТИЕ
Газовый состав атмосферы
Земля окружена атмосферой, состоящей из миллиона мельчайших частичек, которая разбивает на миллионы мелких лучей потоки света, идущие от Солнца к Земле. Атмосфера играет примерно такую же роль, как стекло в парнике. Она легко пропускает солнечные лучи, нагревающие земную поверхность, и почти полностью задерживает тепло, идущее от Земли в мировое пространство.
Если бы не было окружающей Землю воздушной оболочки, то ослепительно яркое солнце стояло бы в совершенно безоблачном черном небе и обжигало растрескавшуюся, сухую землю. Ни капли дождя, ни малейшего дуновения ветра.
Атмосфера оказывает влияние и на колебание температуры на Земле. Зимой в Сибири температура опускается иногда до –60 С, а летом часто поднимается до +30 С тепла. Следовательно, в течении года она колеблется в пределах 90С. Но если бы не было воздушной оболочки Земли, то температура одних суток , а не года, менялось на 200 с лишним градусов – днем, под лучами Солнца, стояла бы сильнейшая жара, (выше +100 С), ночью жесточайший мороз (ниже –100 С). Иначе говоря не было бы никакой жизни на Земле.
Первичная атмосфера Земли состояла из водорода, метана, аммиака, водяных паров и инертных газов – гелия, неона и др. К моменту появления жизни на Земле была вторичная атмосфера, состоящая из тех же газов с добавлением к ним сероводорода и углекислого газа, выделившихся из недр земли и растений.
Первичные микроорганизмы постепенно сокращали водород, метан, аммиак, сероводород. Так, серные бактерии окисляли сероводород вулканического происхождения , водородные бактерии – молекулярный атмосферный водород, пурпурные, зеленые и сине-зеленые водоросли усваивали углекислый газ и выделяли в атмосферу кислород.
Изменение газового состава атмосферы и постепенное ее наполнение кислородом положило начало разделению единого ствола жизни на две ветви – растения и животные.
Нынешний газовый состав атмосферы является результатом многолетней эволюции биосферы, организмы приспособились к нему, и любое изменение соотношения газов сказывается на условиях их жизни.
Естественный атмосферный воздух имеет следующий газовый состав (в процентах): азота – 78.08; кислорода – 20.95; аргона – 0.93; углекислого газа – 0.03; неона, гелия, ксенона, радона и др. – 0.02. Кроме того в воздухе содержатся во взвешенном состоянии частицы пыли и водяные пары.
Пыль (естественная) нужна для нормального развития природных процессов, протекающих в атмосфере. Аэрозоли служат ядрами конденсации водяных паров, поглощают солнечную радиацию, уменьшают земное излучение, этим защищают поверхность Земли от чрезмерного прогревания и препятствуют излишней теплоотдаче. Пыль, нагреваясь, поднимается вверх и способствует перемещению воздуха.
Человек не может обойтись без воздуха. Без пищи он может жить 5 недель, без воды 5 дней, а без воздуха не более 5 минут.
В среднем за сутки человек через свои легкие пропускает около 25 кг или 10-11 тыс. литров воздуха. Воздух нужен животным и растениям. Овце за сутки нужно 20 тыс. литров, лошади – 86 тыс. л. воздуха.
Чистый воздух нужен и промышленности, особенно для производства вакцин, антибиотиков, полупроводников, точных (прецизионных) приборов.
Приведенный выше газовый состав имеют нижние слои атмосферы, а выше 1000 км атмосфера состоит из гелия и выше 2000 км – из водорода.
Самый нижний прилегающий к земле слой атмосферы называется тропосферой, она содержит около 84% атмосферного воздуха и в ней происходят все метеорологические процессы: образование облаков и туманов, ветров и ураганов, выпадение дождя и снега.
Верхняя граница тропосферы проходит на полюсах на высоте 6-8 км, на экваторе –16-17 км.
Выше тропосферы до высоты примерно 55 км простирается стратосфера. В ней на высоте 25-35 км имеется озоновый слой. Значению озонового слоя и его защите будет посвящена отдельная лекция.
На высоте 55-75 км находится мезосфера, где преобладает вертикальное движение воздуха и температура снова падает.
Выше 80 км находится ионосфера примерно до высоты 1000-1200 км. Здесь воздух разряжен и не смотря на высокие скорости отдельных молекул, они не нагревают ни обычный термометр, ни человека.
Самое внешнее ажурное покрывало Земли состоит из протонов и называется протоносферой, и она постепенно сходит на нет, как бы растворяясь в межпланетном пространстве. Высота протоносферы считается от 1000-1200 до 1500 км.
Строго говоря, и протоносфера не есть граница Земли. В околоземном пространстве к нашей планете непосредственно прилегает радиационный пояс (от 1500 до 60 000 км). Он состоит из протонов и электронов, выброшенных Солнцем и захваченных магнитным полем нашей планеты.
Материальным продолжением Земли может считаться ее гравитационное поле. Тяготение Земли приходится учитывать, по крайней мере, в нескольких десятках километрах от нее, когда космические аппараты отправляются в очередной полет.
Атмосферный воздух относиться к неисчерпаемым природным ресурсам и общая его масса определяется в 500 триллионов т., из них кислорода 105 триллионов тонн. Ежегодное потребление кислорода составляет 10 млрд. т. – это всего 0.01% от общей массы. Однако ныне сложившийся газовый состав атмосферы должен быть сохранен, поскольку все живые организмы приспособились к нему, и создан на Земле наиболее благоприятный биологический режим.
Источники загрязнения атмосферного воздуха
Загрязнение атмосферного воздуха может быть естественным (природным) и антропогенным.
Естественное загрязнение пылью, водяными парами и др. происходят в результате природных явлений, как-то: извержение вулканов, испарение морской воды, выветривание горных пород, выдувание почвы, лесные и степные пожары и т.д. Так, например, устойчивые пассатные ветры от декабря до февраля поднимают в воздух пыль Сахары от 60 до 200 млн. тонн и переносят на тысячи километров.
В 1883 г. при извержении вулкана Кракатау выброшенные частицы держались в воздухе несколько лет и даже достигли берегов Англии.
19.12.1985 г. в 10 час. утра в г. Ашхабаде вдруг стало смеркаться, небо окрасилось в оранжевый цвет, а через полчаса в домах пришлось включить свет, потому что город окутала сплошная темнота. В 13 часов небо просветлело, но 15 час. снова все повторилось. Над гордом прошел ураган, который нес около 170 тыс т. пыли.
При испарении морской воды в атмосферу попадают соли, при пожарах – много золы и пыли. В воздухе находятся и пыли органического происхождения (бактерии, плесневые грибки и др. частицы растительного и животного мира).
К антропогенным источникам загрязнения относятся промышленные и транспортные предприятия, сельскохозяйственные и строительные организации, коммунально-бытовые объекты.
Ориентировочное распределение количества пыли, образуемой в атмосфере Земли в течении года, по источникам загрязнения следующее:
Источники пылеобразования, количество, млн.т
Морские соли 550
Почвенная пыль 250
Вулканические выбросы 80
Пожарные выбросы 70
При сжигании топлива 30
Выбросы промышленности 15
Выбросы сельского хозяйства 5
Как видно из этих данных, доля антропогенных загрязнений составляют всего 5%, однако их химический состав очень сложен и опасен для человека и природы. В общем выбросе промышленности и транспорта удельный вес угарного газа (СО) составляет 31.9%, сернистого газа (SO2) –27, окислы азота (NO2) –1.1%, взвешенные твердые частицы –28.3%
Схема процессов выбросов веществ в атмосферу и трансформации исходных веществ
в продукты с последующим выпадением в виде осадков.
Из промышленных отраслей основными загрязнителями являются тепловые электростанции, черная и цветная металлургия, а также нефтепереработка. Химический состав всех видов топлива включает в себя углерод, водород, серу, азот и кислород, которые в процессе горения образуют вредные для человека и среды вредные газы и пыли.
Металлургические предприятия выделяют взвеси металлов и их соединения: меди, железа, свинца, цинка, олова, никеля, плавикового шпата, криолита, глинозема, Угля, сернистого ангидрида и др. Предприятия машиностроения – пыли и газы, содержащие двуокиси кремния, (литейные цеха), сажу (кузнечные цеха), свинец, окись углерода. Предприятия нефтепереработки выделяют сероводород. Предприятия химической промышленности выделяют окислы азота.
Автомобильный транспорт в мировом балансе загрязнителей занимает особое место. В мире насчитывается несколько сот миллионов автомобилей, которые сжигают огромное количество нефтепродуктов, существенно загрязняя атмосферный воздух, прежде всего в крупных городах. Ежегодно автомашины выбрасывают в атмосферу около 280 млн. т окиси углерода, 56 млн.т углеводородов, 28 млн.т. окислов азота и 3 млн. т особенно опасных соединений свинца (в случае применения этилированного бензина).
Основные загрязнители
Оксид углерода - СО. Бесцветный и не имеющий запаха газ. Воздействует на нервную и сердечнососудистую системы, вызывает удушье. Представляет опасность при содержании более 200-220 мг\куб.м.
Оксиды азота - NO, NO2, N2O5, N2O4. В атмосферу выбрасывается в основном диоксид азота – NO2 – бесцветный, не имеющий запаха ядовитый газ (воздействует на органы дыхания). Особенно опасны в городах, где они, взаимодействуя с углеводами выхлопных газов, образуют фотохимический туман – смог. При контакте с влажной поверхностью слизистой оболочки образуют кислоты HNO3 и HNO2, которые приводят к отеку легких.
Диоксид серы – SO2. Бесцветный газ с острым запахом, уже в малых концентрациях (20-30мг\куб.м) создает неприятный привкус во рту, раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательные пути.
Углеводороды (пары бензина, пентан, гексан и др.). Обладают наркотическим действием, в малых концентрациях вызывают головную боль, головокружение и т.д.
Альдегиды. При длительном воздействии на человека вызывают раздражение слизистых оболочек глаз и дыхательных путей.
Соединения свинца. В организм через органы дыхания поступает 50% соединений свинца, под действием которого нарушается синтез гемоглобина, возникают заболевания дыхательных путей, мочеполовых органов, нервной системы. В крупных городах содержание свинца в атмосфере достигает 5-38 мкм\ куб.м, что превышает естественный фон в 10 (4) раз.
Атмосферная пыль. В атмосфере постоянно присутствует пыль различного происхождения и химического состава. При неполном сгорании топлива образуется сажа (на 90-95% состоит из углерода), обладающая большой адсорбционной способностью по отношению к тяжелым углеводородам и в том числе к бенз(а)пирену, что делает ее весьма опасной для здоровья человека.
Основной экологической и санитарной проблемой остается проблема утилизации попутного газа при добыче нефти. В целом по республике ежегодно сжигается в факелах свыше 30% попутного нефтяного газа. За годы освоения месторождений нефти и газа сожжено в факелах и выброшено в атмосферу миллионы тонн загрязняющих веществ.
Анализ динамики по ингредиентного состава валовых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу указывает на преобладание углеводородов, которые составляют около 50-60 % от общего объема выбросов (диоксида серы около 20-30% и окиси углерода 30-40 %). мощностей, что привело к заметному увеличению выбросов.
Основной вклад в выбросы от стационарных источников вносят предприятия нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей отраслей - 89%. От общего среднегодового объёма выбросов в атмосферу на твердые вещества приходится 3,85%, на газообразные фракции - 94,15%.
По ингредиентному составу в выбросах газообразных фракций от стационарных источников преобладают диоксид серы (от 7,3% до 32,5%), оксид углерода (от 18,2% до 47%), углеводороды (от 13% до 44%) и оксиды азота (от 5,6% до 18,8%). Выброс прочих соединений варьирует в пределах от 5,6 до 18,3%.
Крупные нефтегазовые предприятия воздействуют на все компоненты окружающей среды — воздух, воду, почву, растительный животный мир и др. Технологические цепочки поставки потребителям газа и нефти включают: бурение нефтяных и газовых скважин, добычу нефти и газа, подготовку и переработку нефти, газа и газового конденсата и транспорт их на значительные расстояния.