Антропогенные воздействия на атмосферу

 

Крупнейшие глобальные экологические проблемы – “парниковый эффект”, нарушение озонового слоя, выпадение кислотных дождей связаны с антропогенным загрязнением атмосферы. Человек может находиться без пищи 5 недель, без воды – 5 дней, а без воздуха – всего лишь 5 минут.

Атмосферный воздух выполняет сложнейшую защитную экологическую функцию, предохраняя Землю от абсолютно холодного Космоса и потока солнечных излучений. В атмосфере идут глобальные метеорологические процессы, формируются климат и погода.

Атмосфера обладает способностью к самоочищению. Оно происходит при вымывании аэрозолей из атмосферы осадками, турбулентном перемешивании приземного слоя воздуха, отложении загрязненных веществ на поверхности земли и т.д. По причине загрязнения в настоящее время функции самоочищения нарушены.

Загрязнение атмосферы может быть естественным (природным) и антропогенным (техногенным).

Естественное загрязнение – вулканическая деятельность, выветривание горных пород, ветровая эрозия, массовое цветение растений, дым от лесных и степных пожаров.

Антропогенное загрязнение связано с выбросом загрязняющих веществ в процессе деятельности человека и превосходит по масштабам природное загрязнение.

По агрегатному состоянию выбросы вредных веществ в атмосферу классифицируются: 1) на газообразные (диоксид серы, оксид азота, оксид углерода, углеводороды); 2) жидкие (кислоты, щелочи, растворы солей); 3) твердые (канцерогенные вещества, свинец, органическая и неорганическая пыль, сажа, смолистые вещества).

При химическом загрязнении самыми распространенными веществами, загрязняющими атмосферу, являются CO (оксид углерода), SO₂ (диоксид серы), NO_x, C_nH_m и пыль (твердые частицы). На их долю приходится 98 % в общем объеме выбросов вредных веществ. Они образуются в результате сжигания топлива (как продукты полного (CO₂) и неполного сгорания) в промышленных и бытовых установках, дожигания отходов, испарения нефтепродуктов, осуществления технологических процессов на предприятиях машиностроения, приборостроения, металлургии, автотранспорта, теплоэнергетики, нефтепереработки, химической промышленности и др.

Помимо перечисленных загрязнителей в атмосфере городов и поселков наблюдается еще более 70 наименований вредных веществ, среди которых – формальдегид, фтористый водород, соединения свинца, аммиак, фенол, бензол, сероуглерод.

Суммарные мировые выбросы в атмосферу главных загрязнителей исчисляются сотнями миллионов тонн в год.

Наиболее опасное загрязнение атмосферы – радиоактивное, обусловленное глобально распределенными долгоживущими радиоактивными изотопами – продуктами испытания ядерного оружия, выбросами в атмосферу с действующих АЭС при нормальной эксплуатации.

Еще одна форма загрязнения – тепловое, т.е. локальное избыточное поступление тепла от антропогенных источников. Признаком теплового (термического) загрязнения атмосферы служат так называемые термические зоны, например, “остров тепла” в городах, потепление водоемов.

В целом, если судить по официальным данным, уровень загрязнения атмосферного воздуха в нашей стране, особенно в городах, остается высоким, несмотря на значительный спад производства.

Возможная причина – увеличение количества автомобилей, в том числе – неисправных.

Наибольшая загрязненность атмосферы в индустриальных регионах. Около 90 % выбросов приходятся на 10 % территории суши и сосредоточены в основном в Северной Америке, Европе и Восточной Азии. Особенно сильно загрязняется воздушный бассейн крупных промышленных городов, где техногенные потоки тепла и химических загрязнителей, особенно при неблагоприятных метеоусловиях, часто создают пылевые купола и явления смога - токсичных смесей тумана, дыма, углеводородов и вредных окислов.

Более 200 городов России, население которых составляет 65 млн человек, испытывают постоянные превышения ПДК. Жители 83 городов (48 млн человек) систематически сталкиваются с превышениями ПДК в 10 и более раз. Среди них такие крупнейшие города, как Москва, Санкт-Петербург, Екатеринбург, Челябинск, Новосибирск, Самара, Омск, Кемерово, Барнаул, Хабаровск и др. Лидером по валовым выбросам загрязняющих веществ в атмосферу является Уральский экономический район.

Наряду с этим Россия в целом не является основным поставщиком вредных выбросов в атмосферу. Поток загрязнителей в расчете на одного жителя и на единицу площади страны значительно ниже, чем в США и странах Западной Европы, но они заметно выше в расчете на единицу ВНП. Это свидетельствует о высокой ресурсоемкости производства, устаревших технологиях и недостаточном применении средств очистки выбросов.

Для интегральной оценки состояния воздушного бассейна приме­няют индекс суммарного загрязнения атмосферы (ИЗА):

,

где С_i — средняя за год концентрация в воздухе i-гo вещества;

ПДК - предельно допустимая концентрация i-гo вещества, обычно максимально разовая или среднесуточная;

S_i — коэффициент, зависящий от класса опасности вещества:

S_i = 1,5; 1,3; 1,0; или 0,85 соответственно для 1, 2, 3 и 4-го классов опасности.

ИЗА является упрощенным показателем и рассчитывается обыч­но для т = 5 — наиболее значимых концентраций веществ, опре­деляющих суммарное загрязнение воздуха. В эту пятерку чаще других попадают такие вещества, как бенз(а)пирен, формальдегид, фенол, аммиак, диоксид азота, сероуглерод, пыль. Индекс ИЗА из­меняется от долей единицы до 15 - 20 — чрезвычайно опасных уровней загрязнения (средний по РФ – 5) .

Под чистым воздухом будем понимать тот, в котором содержание основных компонентов находится в пределах норм, а концентрация вредных примесей не превышает допустимых пределов. Для каждой из таких примесей устанавливается ПДК – предельно допустимая концентрация, которая при действии на организм человека в течение заданного промежутка времени не вызывает необратимых (патологических) изменений в нем. Для воздуха различают максимально разовую концентрацию загрязнителя, при которой наблюдается отсутствие рефлекторных реакций организма человека при 20–минутном воздействии, и среднесуточную концентрацию вещества в атмосферном воздухе, при которой отсутствуют рефлекторные реакции при круглосуточном действии.

 

2.2.1. Нормирование выбросов в атмосферу

 

Научно обоснованные нормы ПДК в приземном слое атмосферы должны обеспечиваться контролем нормативов для всех источников выбросов – от стационарных (например, промышленных предприятий, котельных) до передвижных (например, автомобилей). Эти нормативы – предельно допустимые выбросы (ПДВ) – максимальные выбросы в единицу времени для данного природопользователя по данному компоненту, которые создают в приземном слое атмосферы концентрацию этого компонента (вещества) C_i, не превышающую ПДК, с учетом фонового (существующего) загрязнения C_фi, и эффекта суммации веществ однонаправленного действия. Условие их назначения:

.

Не назначаются ПДВ только для веществ, действие которые не изучено и для которых вместо ПДК временно вводятся ОБУВ - ориентировочно безопасные уровни.

 

2.2.2. Основные источники загрязнения атмосферы

Основной вклад в загрязнение атмосферного воздуха на территории Росси вносят следующие отрасли : теплоэнергетика (ТЭС, АЭС, промышленные и городские котельные), предприятия черной металлургии, нефтедобычи и нефтехимии, автотранспорт, предприятия цветной металлургии и производство стройматериалов. В развитых промышленных странах Запада и в США основное количество выбросов приходится на автотранспорт (50 - 60 %), тогда как на долю теплоэнергетики 16 – 20 %.

 

 

2.2.2.1. ТЭС и АЭС. Котельные установки

 

В процессе сжигания твердого или жидкого топлива в атмосферу выделяется дым, содержащий продукты полного (диоксид углерода и пары воды) и неполного сгорания (оксиды углерода, серы, азота, углеводороды). Современная ТЭС мощностью 2,4 млн кВт расходует до 20 тыс. т угля в сутки и выбрасывает в атмосферу в сутки 680 т SO₂ и SO₃, 120-140 т твердых частиц (зола, пыль, сажа), 200 т оксидов азота.

Перевод установок на жидкое топливо (мазут) снижает выбросы золы, но практически не уменьшает выброс оксидов серы и азота. Наиболее экологичное газовое топливо, которое в 3 раза меньше загрязняет атмосферный воздух, чем мазут и в 5 раз меньше, чем уголь.

Источники загрязнения воздуха токсичными веществами на АЭС – радиоактивный йод, радиоактивные инертные газы и аэрозоли. Крупный источник энергетического загрязнения атмосферы – отопительная система жилищ (котельные установки) дает мало оксидов азота, но много продуктов неполного сгорания, присутствующих в высоких концентрациях вблизи котельных установок из-за небольшой высоты дымовых труб.

 

2.2.2.2. Черная и цветная металлургия

При выплавке одной тонны стали в атмосферу выбрасывается 0,04 т твердых частиц, 0,03 т оксидов серы и до 0,05 т оксидов углерода, а также небольшие количества опасных загрязнителей – марганца, свинца, фосфора, мышьяка, паров ртути.

Значительные выбросы отходящих газов и пыли, содержащих токсичные вещества, отмечаются при доменном и ферросплавном производствах, на заводах цветной металлургии.

 

2.2.2.3. Химическое производство

Выбросы этой отрасли (SO₂, соединения фтора, аммиак, хлористые соединения, сероводород, неорганическая пыль). Хотя и невелики по объему (около 20 % всех промышленных выбросов), тем не менее из-за высокой токсичности, значительного разнообразия и концентрированности представляют значительную угрозу для человека и всей биоты.

 

2.2.2.4. Выбросы автотранспорта

В мире насчитывается несколько сот миллионов автомобилей, которые сжигают огромное количество нефтепродуктов, существенно загрязняя атмосферный воздух, прежде всего в крупных городах. Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания (особенно карбюраторных) содержат огромное количество токсичных соединений – бенз(а)пирена, альдегидов, оксидов азота и 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.

 

Кроме того, можно назвать следующие отрасли, способствующие загрязнению атмосферы : добыча и переработка минерального сырья, нефте- и газоперерабатывающие заводы, сжигание мусора и горение пород в отвалах; в сельском хозяйстве: животноводческие и птицеводческие фермы, распыление пестицидов и т.д.

 

 

2.2.2.5. Трансграничные загрязнения

"Каждый житель Земли – это и потенциальная жертва стратегических (трансграничных) загрязнений” (А. Гор).

Под трансграничными понимают загрязнения, перенесенные из одной страны на площадь другой. Только в 1994 г. на европейскую часть России из-за невыгодного ее географического положения выпало 1204 тыс. т соединений серы от Украины, Германии, Польши и др. В то же время в других странах от российских источников загрязнений выпало только 190 тыс. т серы, т.е. в 6,3 раза меньше.

Россия занимает невыгодное географическое положение по отношению к трансграничному переносу загрязнителей. В cвязи с преобладанием западных ветров значительную долю загрязнения воздушного бассейна европейской территории России дает аэрогенный перенос из стран западной и центральной Европы и ближнего зарубежья. Около 50 % заграничных соединений серы и окислов азота на европейскую территорию России поставляют Украина, Польша, ФРГ и Великобритания.

2.2.3. Глобальные экологические последствия

загрязнения атмосферы

 

1. Возможное потепление климата (“парниковый эффект”).

Техногенное загряз­нение атмосферы в определенной степени связано с изменениями климата.

С концаХIХ в. по настоящее время наблюдается отчетливая тенденция повышения средней глобальной температуры атмосфе­ры; за 100 лет она повысилась приблизительно на 0,6°С. Это немало, если учесть, что при этом валовое увеличение внут­ренней энергии (теплосодержания) атмосферы очень велико — порядка 3000 ЭДж (ЭксаДж = 10¹⁸ Дж). Оно не связано с увеличением солнечной постоянной и зависит только от свойств самой атмосферы. Главным фактором является уменьшение спектральной прозрачности атмосферы для длинноволнового обратного излучения от поверхности земли, т.е. усиление парникового эффекта.

Парниковый эффект создается увеличением концентрации ряда газов в основном таких, молекулы которых состоят из трех атомов и более - С0₂, СО, CН₄, NОх, ХФУ и др., названных парниковыми газами. В настоящее время значительная часть эмиссии парниковых газов имеет техногенное происхождение.

Тенденции глобального потепления придается очень большое значение. Вопрос о том, произойдет оно или нет, уже не стоит. По оценкам экспертов Всемирной метеорологической службы, при существующем уровне выбросов парниковых газов средняя глобальная температура в следующем столетии будет повышаться со скоростью 0,25°С за 10 лет. Ее рост к концу XXI в., по разным сценариям (в зависимости от принятия тех или иных мер), может составить от 1,5 до 4°С. В северных и средних широтах потепление скажется сильнее, чем на экваторе. Глобальное потепление вызовет существенное перераспределение осадков на планете. Уровень Мирового океана за счет таяния льдов может повыситься к 2050 г. на 30-40 см, а к концу столетия — на 60-100 см. Это создаст угрозу затопления значительных прибрежных территорий.

Для территории России общая тенденция изменения климата характеризуется слабым потеплением, среднегодовая температура воздуха с 1891 по 1994 гг. повысилась на 0,56°С. В последние три деся­тилетия заметна также тенденция к уменьшению осадков. Одним из тревожных для России последствий изменения климата может стать деструкция мерзлых грунтов. Повышение температуры в зо­не вечной мерзлоты на 2—3° приведет к изменению несущих свойств грунтов, что поставит под угрозу различные сооружения и коммуникации. Кроме того, содержащиеся в вечной мерзлоте за­пасы СO₂ и метана из оттаявших грунтов начнут поступать в атмо­сферу, усугубляя парниковый эффект.

2. Нарушение озонового слоя

В 70-х годах XX в. появились сообщения о региональных снижениях содержания озона (O₃) в стратосфере. Особенно заметной стала сезонно пульсирующая озоновая дыра над Антарктидой площадью более 10 млн км², где содержание О₃ за 80-е гг. уменьшилось почти на 50 %.

Позднее “блуждающие" озоновые дыры, правда, меньшие по размеру и не с таким значительным снижением, стали наблюдаться в зимнее время и в Северном Полушарии, в зонах стойких антициклонов — над Гренландией, Северной Канадой и Якутией. Средняя скорость глобального уменьшения за период с 1980 по 1995 г. оценена в 0,5 - 0,7 % в год.

Поскольку ослабление озонового экрана чрезвычайно опасно для всей наземной биоты и для здоровья людей, эти данные при­влекли пристальное внимание ученых, а затем и экологически озабоченных кругов общества. Был высказан ряд гипотез о причи­нах нарушения озонового слоя. Большинство специалистов скло­няется к мнению о техногенном происхождении озоновых дыр. Наиболее обосновано представление, согласно которому главной причиной является попадание в верхние слои атмосферы техногенного хлора и фтора, а также других атомов и радикалов, спо­собных чрезвычайно активно присоединять атомарный кислород, тем самым конкурируя с реакцией О + О₂ ® О₃ .

Занос активных галогенов в верхние слои атмосферы опосре­дован летучими хлорфторуглеродами (ХФУ) типа фреонов (сме­шанные фторохлориды метана и этана, например, фреон-12 — ди-хлордифторметан, CF₂Cl₂), которые, будучи в обычных условиях инертными и нетоксичными, под действием коротковолновых ультрафиолетовых лучей в стратосфере распадаются. Вырвавшись “на свободу”, каждый атом хлора способен разрушить или поме­шать образованию множества молекул озона. В последние десяти­летия появились и другие чисто технические пути заноса актив­ных разрушителей озона в стратосферу: ядерные взрывы в атмо­сфере, выбросы высотных сверхзвуковых самолетов, запуски ракет и космических кораблей многоразового использования.

Не исключено, однако, что часть наблюдаемого ослабления озонового экрана Земли связана не с техногенными выбросами, а с вековыми колебаниями аэрохимических свойств атмосферы и независимыми изменениями климата.

По результатам спутниковых наблюдений в 2002 г. площадь озоновой дыры достигала 20 млн км ² , а в сентябре 2003 г. озоновая дыра над Антарктидой увеличилась с 25 млн км ² до 28 млн км² в течение двух недель. Таким образом, в 2003 г. площадь озоновой дыры превысила размеры Северной Америки и стала в два раза больше площади самой Антарктиды. Содержание озона в эпицентре аномалии оказалось в три раза меньше нормального значения. Измерения, проведенные над Антарктидой и в ее окрестностях, показали, что в 2003 г. озон разрушался быстрее, чем в предыдущие годы и что размер озоновой дыры сравнялся с тем, который существовал в сентябре 2000 г. В последние годы озоновая дыра, как правило, приближается к своему максимальному размеру в середине сентября и продолжает расти до конца месяца. Позже она почти полностью заполняется озоном из остальной части озонового слоя.

3. Выпадение кислотных дождей

По ряду показателей, в первую очередь по массе и распро­страненности вредных эффектов, атмосферным загрязнителем но­мер один считают диоксид серы. Он образуется при окислении се­ры, содержащейся в топливе или в составе сульфидных руд. По­ступление в атмосферу больших количеств SO₂ и окислов азота приводит к заметному снижению рН атмосферных осадков. Это происходит из-за вторичных реакций в атмосфере, приводящих к образованию сильных кислот — серной и азотной. Растворение кислот в атмосферной влаге приводит к выпадению кислотных дождей. рН осадков в ряде случаев снижается на 2—2,5 единицы, т.е. вместо нормальных 5,6-5,7 до 3,2—3,7 (показатель pH = - lg H⁺ - отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов H⁺ в воде; если концентрация H⁺ в воде 10^-6 – 10^-5 г-ионов/л и ниже, то среда кислая, если 10^-7 – нейтральная (одинаковое содержание ионов H+ и OH- в воде), 10^-8 – щелочная).

Кислотные осадки особенно опасны в районах с кислыми почвами и низкой буферностью природных вод. В Америке и Ев­разии это обширные территории севернее 55° с.ш. Техногенная кислота, помимо прямого негативного действия на растения, жи­вотных и микрофлору увеличивает подвижность и вымывание почвенных катионов, вытесняет из карбонатов и органики почвы. Углекислый газ закисляет воду рек и озер. Это приводит к небла­гоприятным цепным изменениям в водных экосистемах. Природ­ные комплексы Южной Канады и Северной Европы уже давно ощущают действие кислых осадков. На больших пространствах наблюдается деградация хвойных лесов. Сходные явления происходят и в России, особенно на Северо-Западе, на Урале и в районе Норильска, где громадные площади тайги и лесотундры стали почти безжизненными из-за сернистых выбросов Норильского комбината.

Наибольшие плотности выпадений сульфатной серы на территории СНГ непосредственно приурочены к промышленным регионам.

 

ªВопросы для самопроверки

 

1. Назовите главные загрязнители атмосферного воздуха.

2. Сравните влияние различных отраслей хозяйства на загрязнение атмосферы.

3. Приведите примеры негативного влияния высокотоксичных загрязнителей на живые организмы.

4. Как называется ядовитая смесь дыма, тумана и пыли ?

5. Каковы причины выпадения кислотных дождей ?

6. Каковы глобальные экологические последствия загрязнения атмосферы ?

7. Какой загрязнитель атмосферы наиболее опасен для хвойных деревьев ?

8. Почему озоновый слой является необходимым условием существования биосферы и его истощение относят к числу серьезных экологических проблем ?

 

2.2.4. Общие сведения о расчетах выбросов

Основная задача расчетов — определение ко­личества вредных веществ, которые могут посту­пить от данного источника за единицу времени (в секунду, сутки, квартал и в год). Необходимо так­же определить предельно допустимые выбросы при данных условиях, сравнить их с ожидаемы­ми фактическими и оценить плату за загрязне­ние среды.

На основе этих расчетов делают вывод о необ­ходимости очистки выбросов и дают технико-эко­номическую оценку вариантов систем очистки, рассчитывают рассеивание выбросов в атмосфере, определяют концентрации вредных веществ в приземном слое и уточняют границы санитарно-защитной зоны.

Расчеты выбросов для каждого типа источни­ков достаточно специфичны, методики их излага­ются в специальной литературе. Подчеркнем лишь общие стороны.

Если речь идет о сжигании топлива, то исход­ными данными для расчета являются:

- вид топлива;

- его расход, В;

- теплотворность, Н_и;

- его поэлементный состав, Х_i, (т. е. процент­ное содержание С; Н; N; S; О и др.);

- параметры Y, характеризующие организацию процесса сжигания, и конструктивные ха­рактеристики агрегатов, Z.

Далее для каждого вещества расчет ведут по полуэмпирическим зависимостям, которые фун­кционально выглядят так:

M_i=f(B, H_и, X_i, Y, Z), г/с.

 

2.2.5. Распространение загрязнителей в атмосфере

 

Кратко рассмотрим факторы, влияющие на распространение загряз­няющих веществ в атмосфере.

Источники загрязнения атмосферы различаются по мощности, высоте и температуре выбросов. При постоянных параметрах выбросов уровень загрязнения атмосферы существенно зависит от климатических условий:

1) направления, условий переноса и распространения примесей в атмо­сфере; 2) интенсивности солнечного излучения, определяющего фото­химические превращения примесей и возникновение вторичных продук­тов загрязнения; 3) количества и продолжительности осадков, приво­дящих к вымыванию примесей из атмосферы.

Концентрация примесей в приземном слое атмосферы вблизи дымовых и вентиляционных труб изменяется в зависимости от расстоя­ния следующим образом. Около источника выбросов концентрация при­меси мала. Она увеличивается и достигает максимума на некотором расстоянии от трубы. Чем выше труба, тем больше рассеивается примесь в атмосфере, прежде чем достигнет приземного слоя. Наибольшего зна­чения концентрация обычно достигает на расстоянии от 10 до 40 высот труб.

Рассеивающая способность атмосферы зависит от вертикального распределения температуры и скорости ветра. Обычно температура с высотой падает, но иногда бывает обратная ситуация (инверсия темпе­ратуры). В этом случае теплый верхний слой воздуха является своеоб­разной «пробкой», препятствующей подъему примесей, и основная их часть скапливается вблизи поверхности земли.

Ветер влияет на рассеивание примесей двояко. С одной стороны, уси­ление ветра способствует переносу и рассеиванию примесей, а с другой — препятствует подъему и уносу их вверх.

Осадки способствуют удалению примесей из атмосферы, они как бы “промывают” ее. Прямо противоположно действуют туманы. При ту­манах, особенно в сочетании с инверсией температуры, концентрация примесей может сильно увеличиваться. С туманами связаны смоги «лон­донского» типа, при которых в течение продолжительного времени удер­живаются высокие концентрации вредных примесей.

На распространение примесей влияют вертикальные движения воздуха, обусловленные рельефом местности. В условиях пересеченной местности на наветренных склонах возникают восходящие, на подветренных — нисходящие потоки воздуха, над водоемами летом — нисходящие, а в при­брежных районах — восходящие. При нисходящих потоках приземные концентрации увеличиваются, а при восходящих — уменьшаются. В неко­торых формах рельефа, например в котловинах, воздух застаивается, что приводит к накоплению примесей. В холмистой местности приземная кон­центрация обычно больше, чем при ровном рельефе.

В условиях города на рассеивание примесей значительно влияют пла­нировка улиц и их ширина, водные объекты, образующие наземные пре­пятствия воздушному потоку и приводящие к возникновению особых метеоусловий в городе.

Наблюдения показывают, что при постоянных параметрах выбросов из-за влияния метеоусловий уровни загрязнения атмосферы могут разли­чаться в несколько раз.