АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ - Экологический информационно
advertisement
«Вятка – территория экологии» Департамент экологии и природопользования Кировской области ФГБОУ ВПО «Вятский государственный гуманитарный университет» Серия тематических сборников и DVD-дисков «Экологическая мозаика» Сборник 2 АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ Учебно -методическое пособие Киров 2012 УДК 502 ББК 26.231.2 А 92 Печатается по решению Координационно-методического совета по экологическому образованию, воспитанию и просвещению населения Кировской области Составитель – С.Ю. Огородникова Под общей редакцией Л.В. Кондаковой, Е.В. Рябовой Т.Я. Ашихминой, И.М. Зарубиной, А 92 Атмосферный воздух: учебно-методическое пособие / сост. С.Ю. Огородникова. – Киров: ООО «Типография «Старая Вятка», 2012. – 95 с.: ил. – (Серия тематических сборников и DVD-дисков «Экологическая мозаика». Сборник 2) ISBN 978-5-91061-303-8 (Сб. 2) ISBN 978-5-91061-301-4 Сборник посвящен атмосферному воздуху, строению и составу атмосферы, экологическим проблемам, связанным с загрязнением атмосферы, состоянию атмосферного воздуха в Кировской области, мероприятиям по охране атмосферного воздуха. Материалы, представленные в данном сборнике, могут быть использованы в образовательном и воспитательном процессе при обучении учащихся экологии, методам экологических исследований окружающей природной среды своей местности. Разработка серии тематических сборников и DVD-дисков «Экологическая мозаика» выполнена в рамках научно-исследовательской работы «Разработка современных технологий формирования экологической культуры населения» в процессе реализации пилотного проекта по развитию системы экологического образования и просвещения «Вятка – территория экологии». Пилотный проект был разработан по поручению Губернатора Кировской области Н.Ю. Белых департаментом экологии и природопользования Кировской области при активном участии Координационно-методического совета по экологическому образованию, воспитанию и просвещению населения Кировской области. Подготовка и издание сборника осуществлены за счет средств ведомственной целевой программы «Обеспечение охраны окружающей среды и рационального природопользования в Кировской области» на 2012–2014 годы. ISBN 978-5-91061-303-8 (Сб. 2) ISBN 978-5-91061-301-4 © Департамент экологии и природопользования Кировской области, 2012 © Вятский государственный гуманитарный университет (ВятГГУ), 2012 2 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ...................................................................................................................... 4 1. Атмосфера: состав и строение ............................................................................ 5 2. Качество атмосферного воздуха ......................................................................... 9 2.1. Показатели качества атмосферного воздуха ..................................................... 9 2.2. Качество атмосферного воздуха в Кировской области ................................. 11 3. Загрязнение атмосферы ..................................................................................... 17 3.1. Источники загрязнения атмосферы .................................................................. 17 3.2. Глобальные экологические проблемы, вызванные загрязнением атмосферы .................................................................................................................. 32 3.2.1. Разрушение озонового слоя............................................................................ 32 3.2.2. Смог .................................................................................................................. 36 3.2.3. Кислотные дожди ............................................................................................ 41 3.2.4. Парниковый эффект ........................................................................................ 47 4. Охрана атмосферного воздуха .......................................................................... 50 4.1. Мероприятия по охране и регулированию использования воздушного бассейна ...................................................................................................................... 50 4.2. Методы очистки атмосферы от примесей ....................................................... 51 4.3. Озеленение дорог ............................................................................................... 58 4.4. Циркуляция атмосферного воздуха и международный характер его защиты .................................................................................................................. 60 5. Экология автомобильного транспорта ........................................................... 63 5.1. Автотранспортная нагрузка на окружающую среду ...................................... 63 5.2. Методика определения автотранспортной нагрузки и расчетной оценки количества выбросов вредных веществ в воздух от автотранспорта .................. 64 5.3. Задания для расчета автотранспортной нагрузки ........................................... 68 6. Методические материалы в помощь учителю .............................................. 70 6.1. Цикл занятий «Берегите чистый воздух» ........................................................ 70 6.2. Методики определения показателей экологического состояния школы ..... 73 6.3. Урок по теме «Воздух – смесь различных газов» ........................................... 79 6.4. Тест «Химия атмосферы» .................................................................................. 83 6.5. Задачи ................................................................................................................. 89 6.6. Интересные факты.............................................................................................. 90 6.7. Акции в защиту атмосферы............................................................................... 92 Библиографический список .................................................................................. 94 3 ВВЕДЕНИЕ Атмосферный воздух является важнейшим компонентом природной среды, и от его состава во многом зависит функционирование биосферы. В отличие от других составляющих окружающей среды атмосфера является транзитной средой, характеризуется высокой подвижностью, что способствует быстрому распространению веществ на большие расстояния. В условиях активной промышленной деятельности в атмосферу выбрасываются большие количества загрязняющих веществ, которые ухудшают качество атмосферного воздуха как вблизи источника загрязнения, вызывая локальные экологические проблемы, так и влияют на процессы в биосфере, вызывая глобальное потепление климата, разрушение озонового слоя и др. Практически все экологические проблемы атмосферы – воздействие загрязняющих веществ, как первичных, так и вторичных, которые инициируют процессы образования кислотных дождей, смогов, разрушение озона в стратосфере и потепление климата. В данном сборнике детально рассмотрены химические реакции, лежащие в основе экологических проблем атмосферы. Особое внимание в сборнике уделено характеристике источников загрязнения атмосферного воздуха, приведен перечень предприятий России, являющихся крупнейшими загрязнителями воздуха, дана экотоксикологическая характеристика основных аэрополлютантов. Приведены результаты оценки качества атмосферного воздуха в Кировской области и г. Кирове. Кроме того, рассмотрены стандарты качества атмосферного воздуха: ПДК, ПДВ, индекс загрязнения атмосферы В условиях глобального загрязнения атмосферы важнейшим направлением снижения загрязнения является комплекс мер по ее охране, который включает как мероприятия по охране и регулированию использования воздушного бассейна, так и методы очистки атмосферы от примесей. В сборнике приведены схемы приборов и описан принцип работы систем по очистке воздуха и газовых потоков от примесей. В помощь учителю отдельным разделом приведены методические материалы, которые содержат разработки уроков, практических занятий, расчетные и тестовые задания. Материал данного сборника может быть использован для углубленного изучения экологии, химии и географии. Выражаем благодарность за помощь в подготовке сборника специалисту департамента экологии и природопользования Кировской области Л.Н. Шиховой. С.Ю. Огородникова, к андидат биологических наук, доцент кафедры экологии ВятГГУ, старший научный сотрудник лаборатории биомониторинга Института биологии Коми НЦ УрО РАН и ВятГГУ 4 1. АТМОСФЕРА: СОСТАВ И СТРОЕНИЕ Атмосфера – газовая оболочка Земли, связанная с ней силой тяжести и принимающая участие в ее суточном и годовом вращении. Объем атмосферы 13,2·1020 м3, масса атмосферы 5,14·1015 т (10–6% от массы Земли). Примерно 90% массы атмосферы находится на высоте до 15 км. В атмосфере различают несколько слоев. Наиболее распространенное деление атмосферы на слои основано на изменении температуры с высотой. По вертикальному разрезу атмосферу слагают следующие составляющие: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера, ионосфера. В табл. 1 представлены сведения, характеризующие температурные границы слоев атмосферы 1, 2. Таблица 1 Характеристика изменения температуры в основных слоях, выделяемых в атмосфере Температура, °С Высота верхней и Температурный Слой нижней границ нижняя верхняя градиент, атмосферы слоя над уровнем граница граница °С/км моря, км слоя слоя Тропосфера 15 –56 –6,45 0–11 Стратосфера –56 –2 +1,38 11–50 Мезосфера –2 –92 –2,56 50–85 Термосфера –92 1200 +3,11 85–500 На рис. 1 приведено строение и состав атмосферы, видно, что верхние слои атмосферы (ионосфера) представлены в основном атомами и ионами. Тропосфера – нижний слой атмосферы, его толщина 8–10 км в полярных областях и 16–18 км у экватора. На тропосферу приходится 80% всей массы атмосферы. В тропосфере образуются ветры, облака и происходят другие процессы, которые определяют погоду. Температура здесь снижается с высотой на 6 С на каждый километр. Верхняя граница тропосферы слой тропопауза, температура в ней имеет минимальное значение – 56 С. Стратосфера – расположена на расстоянии 20–50 км от поверхности Земли, подразделяется на 2 зоны: нижнюю, – до высоты 25 км, и верхнюю – с высоты 25 км до 50 км (область инверсии). В этой области температура начинает возрастать до –2 С. Верхняя граница характеризуется наличием постоянной температуры и называется стратопаузой. На высоте 25 км находится озоновый слой, который задерживает вредную коротковолновую ультрафиолетовую радиацию Солнца (180–200 нм) и определяет верхний предел жизни в биосфере. Под влиянием этих лучей изменяются магнитные поля, распадаются молекулы, происходит ионизация газов. Эти процессы можно наблюдать в виде северных сияний, зарниц, различных свечений. 5 Рис . 1. Строение и состав атмосферы Мезосф ера – ее толщина около 30 км, достигает высоты 80 км. Температура в мезосфере понижается до –92 С. Верхней границей является мезопауза. На высоте 60 км начинается ионосфера, которая простирается на несколько сотен километров вверх, атомы этого слоя ионизированы. Благодаря наличию свободных электронов ионосфера способна отражать радиоволны, обеспечивая возможность дальней радиосвязи на нашей планете. Термосфера – начинается в 80 км и простирается до 1000 км от поверхности Земли. Атомы и молекулы разгоняются до огромных скоростей и, сталкиваясь с заряженными солнечными частицами, разогреваются до очень высоких температур. Температура в этом слое достигает 1200 С. Экзосфера – верхняя оболочка атмосферы, начинается с высоты 1000 км и простирается на огромные расстояния, постепенно переходя в межпланетное пространство. Экзосфера является областью диссипации атмосферных газов. Диссипация – процесс преодоления атомами и ионами поля притяжения Земли. Состав атмосферы претерпевал серьезные изменения в различные геологические эпохи. Образование современной атмосферы проходило в несколько этапов. Состав первичной атмосферы был представлен молекулами водорода и гелия, рассеянными в космическом пространстве. Вторичная атмосфера образовалась в результате активного вулканизма на первых этапах формирования Земли. Состав вторичной атмосферы был представлен газами: метан, аммиак, вода, водород. На восстановительную вторичную атмосферу воздействовали: коротковолновое УФ излучение, ионизирующее излучение 6 Солнца (сейчас экранируется озоновым экраном), электрические разряды. В этих условиях мог идти активный химический синтез, при котором через промежуточные соединения образовывались аминокислоты, сахара, пуриновые и пиримидиновые основания – образовался «первичный бульон». По мере возрастающей потери водорода в космическое пространство создавалась третичная атмосфера, содержащая большие количества азота (из аммиака), углекислого газа (из вулканических газов и метана) и паров воды. Около 3,5 млрд лет назад появились хлорофиллоносные организмы (цианобактерии), способные осуществлять фотосинтез. Благодаря фотосинтезу произошло повышение содержания кислорода в атмосфере и формирование четвертичной атмосферы. Постепенно возникла современная атмосфера, к тому же кислород в стратосфере претерпел фотохимические реакции, приведшие к образованию озона. В настоящее время состав атмосферы находится в состоянии динамического равновесия, поддерживаемого в результате действия живых организмов, геохимических явлений и хозяйственной деятельности человека. Газовый состав современной атмосферы представлен постоянными и переменными компонентами (табл. 2). Объемные концентрации постоянно содержащихся в атмосфере компонентов (N2, O2, Ar, He, Xe, Kr, H2) остаются практически неизменными вплоть до высоты 100 км. Содержание переменных компонентов существенно меняется в зависимости от сезона, географического положения и высоты над уровнем моря. Антропогенное влияние на состав атмосферы ограничено в основном изменениями концентрации переменных компонентов. Таблица 2 Состав атмосферы вблизи земной поверхности Постоянные компоненты Переменные компоненты компонент концентрация, % (об.) компонент концентрация, % (об.) N2 78,11 Н2О 0–7 O2 20,95 СО2 0,01–0,1 Ar 0,93 О3 0–10–4 Ne 1,8·10–4 SО2 0–10–4 He 5,24·10–4 СН4 1,6·10–4 Kr 1,14·10–4 NО2 2·10–6 Xe 0,087·10–4 Н2 0,5·10–4 Атмосфера является важнейшим компонентом окружающей природной среды, обеспечивающей жизнь на Земле. Экологическая роль атмосферы определяется ее составом, высокой подвижностью, своеобразием физикохимических процессов. К наиболее важным функциям относятся следующие 3. 7 1. Обеспечение благоприятного режима дыхания растений и животных, питания растений. Первичная атмосфера не содержала свободного кислорода, около 3,5 млрд лет назад появились первые фототрофные организмы, способные к фотосинтезу. В результате процессов фотосинтеза произошло накопление кислорода в атмосфере. Около 600 млн лет назад, когда содержание кислорода составляло 1% от сегодняшнего уровня, была достигнута точка Пастера, и организмы перешли к открытому дыханию, как наиболее эффективному способу окисления. Сейчас годовое «производство» О2 составляет 100–150 млрд тонн, и все тратится на процессы дыхания, окисления горных пород и сжигания топлива. 2. Поддержание температурного баланса. Основная роль выполняется углекислым газом, парами воды, метаном и озоном. Молекулы этих веществ поглощают инфракрасное тепловое излучение Земли. 3. Поддержание благоприятного радиационного баланса. За счет рассеивания, отражения и переизлучения в атмосфере до Земли доходит лишь видимое и радиоизлучение, безвредное для живых организмов. 4. Атмосфера также воспринимает газообразные продукты обмена веществ, переносит водяные пары, загрязняющие вещества, является транзитной средой. 5. В атмосфере образуются облака, осадки и другие метеорологические процессы. 6. Наземно-воздушная среда является средой жизни. 8 2. КАЧЕСТВО АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА 2.1. Показатели качества атмосферного воздуха Согласно ГОСТу 17.2.1.04–77 4 загрязнением атмосферы называется изменение состава атмосферы в результате наличия в ней примесей. Загрязнение, обусловленное деятельностью человека, называется антропогенным загрязнением. Под примесью тот же ГОСТ понимает рассеянное в атмосфере вещество, не содержащееся в ее постоянном составе. Таким образом, к примесям могут относиться не только токсичные, но и нетоксичные вещества. Качество атмосферного воздуха считается удовлетворительным, если содержание примесей не превышает предельно допустимой концентрации (ПДК) 3, 5. Предельно допустимая концентрация – максимальная концентрация вредного вещества в атмосфере, которая при периодическом воздействии или на протяжении всей жизни человека не оказывает на него и на окружающую среду в целом прямого или косвенного воздействия, включая отдаленные последствия. Для оценки качества атмосферного воздуха установлены две категории ПДК: максимально разовая (ПДКм.р.) и среднесуточная (ПДКс.с.). Для каждого вещества, загрязняющего атмосферный воздух, установлены два норматива: 1) максимальная разовая предельно допустимая концентрация за 20 минут измерения (осреднения) – ПДКм.р., мг/м3; 2) среднесуточная предельно допустимая концентрация, осредненная за длительный промежуток времени (вплоть до года), – ПДКс.с., мг/м3. К началу 1999 г. по нормативам ПДК оценивалось около 1000 веществ, однако к этому количеству ежегодно прибавляются десятки новых, малоизученных веществ, большинство из которых вредны для человека, животных и растений. Следовательно, перечень веществ, содержание которых нормируется, постоянно пополняется. Для каждого источника загрязнения разрабатывается и утверждается предельно допустимый выброс (ПДВ). ПДВ – научно-технический норматив, устанавливаемый из условия, что содержание загрязняющих веществ в приземном слое воздуха от источника или их совокупности не превышало нормативов качества воздуха для населения, животного и растительного мира (ПДК). При невозможности сразу обеспечить предельно допустимый выброс допускается поэтапное во времени его достижение предприятием через установление временно согласованных выбросов с обязательным выполнением воздухоохранных мероприятий. 9 Для отражения уровня загрязнения атмосферного воздуха с учетом суммы загрязняющих веществ и их класса опасности применяется разработанный в Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова Росгидромета «Индекс загрязнения атмосферного воздуха (ИЗА) в городах». Этот показатель свидетельствует о наличии такого уровня загрязнения атмосферного воздуха, которое ведет к негативным последствиям для здоровья. Он используется для оценки качества атмосферного воздуха; установления связей между уровнем загрязнения и состоянием здоровья; оценки риска с возможными последствиями для здоровья; разработки методики оценки последствий загрязнения для здоровья; разработки стратегии уменьшения загрязнения, нацеленной на эффективную защиту общественного здоровья; принятия эффективных мер в области управления качеством атмосферного воздуха. ИЗА является интегральным показателем, на основании которого определяется степень загрязнения воздуха путем учета измеряемых загрязняющих веществ с наибольшими превышениями среднесуточных предельно допустимых концентраций (ПДКс.с.). ИЗА применяется для сравнительной оценки загрязненности городов и отдельных районов города, выявления веществ, которые вносят наибольший вклад загрязненность атмосферы. ИЗА рассчитывается по формуле: ci q J x ic , i ПДК ic где qic – средняя концентрация вещества i, ПДКic – среднесуточная предельно допустимая концентрация вещества i, с – безразмерная константа степени вредности вещества i, приведенная к классу его опасности: 1-й класс опасности – 1,5; 2-й класс опасности – 1,3; 3-й класс опасности – 1,0; 4-й класс опасности – 0,85. В конкретном городе не на всех станциях измеряются концентрации одинакового набора веществ, их количество также различается. При такой ситуации данные расчета суммарного ИЗВ не могут сравниваться между собой. Чтобы значения ИЗВ были сопоставимы для разных городов или за разные интервалы времени в одном городе, необходимо рассчитывать из одинакового количества веществ. Обычно выбирается пять веществ с наибольшими значениями индексов, по которым рассчитывается ИЗА. Используемый в России индекс суммарного загрязнения атмосферы позволяет учитывать несколько значений разных концентраций примесей, измеренных в городе, и представить интегральный уровень загрязнения воздуха в городе за одним числом. Значение ИЗА показывает, какому уровню загрязнения в единицах ПДК диоксида серы соответствуют фактически наблюдаемые уровни, т. е. во сколько раз суммарный уровень загрязнения воздуха превышает ПДК диоксида серы. Вследствие того, что ИЗА рассчитывается по среднегодовым значениям концентраций вредных примесей, он может быть показателем хронического m 10 воздействия загрязнения воздуха города на здоровье населения. Показатель ИЗА применяется для изучения связи между уровнем загрязнения и заболеваемостью населения Установлены четыре категории качества воздуха в зависимости от уровня загрязнения. Уровень загрязнения воздуха считается очень высоким, если суммарный ИЗА пятью веществами превышает 14; высоким, когда ИЗА находится в интервале между 14 и 7; повышенным – при ИЗА между 7 и 5, низким – при ИЗА менее 5. Расчет комплексного индекса загрязнения атмосферы дает возможность ранжировать населенные пункты по уровню загрязнения атмосферного воздуха. Выделяют 4 класса экологического состояния атмосферы: Норма – ИЗА 5 Риск – ИЗА 5–8 Кризис – ИЗА 8–15 Бедствие – ИЗА 15 Ежегодно проводится мониторинг качества атмосферного воздуха в Кировской области, оценивается индекс загрязнения атмосферы. ИЗА рассчитывается по пяти приоритетным примесям: формальдегид, бенз(а)пирен, фенол, оксид азота (IV), взвешенные вещества. По данным 2010 г., ИЗА в г. Кирове был равен 7, в г. Кирово-Чепецке – 8, что свидетельствует о высоком уровне загрязнения воздуха 6. Данные о состоянии атмосферного воздуха ежегодно публикуются в Региональном докладе «О состоянии окружающей среды Кировской области», электронную версию доклада можно найти на сайте 7. 2.2. Качество атмосферного воздуха в Кировской области Данные о состоянии атмосферного воздуха в Кировской области ежегодно представляются в региональных докладах «О состоянии окружающей среды в Кировской области». Состояние атмосферного воздуха на территории Кировской области на протяжении ряда лет остается стабильным 8. Следует отметить, что с 2009 г. наблюдается некоторое снижение массы выбросов загрязняющих веществ от стационарных источников, что в первую очередь связано с кризисными явлениями в экономике. Проблемными остаются населённые пункты, в которых сконцентрированы основные промышленные объекты, транспортные потоки, а также проживает более половины населения области. Это города Киров, Кирово-Чепецк, Омутнинск, Слободской, Вятские Поляны. Валовый выброс загрязняющих веществ в атмосферу области в 2011 г. составил в 217,219 тыс. т, в том числе: – от стационарных источников (табл. 3) 100,103 тыс. т (46,1% валового объёма выбросов), – от передвижных источников (табл. 4) 117,116 тыс. т (53,9% валового объёма выбросов). 11 Состав общей массы выбросов загрязняющих веществ от стационарных источников приведен в табл. 3. Таблица 3 Выбросы загрязняющих веществ от стационарных источников в Кировской области за 2011 г. Вещества Масса, тыс. т Твёрдые 21,163 Газообразные и жидкие, всего 78,94 – сернистый ангидрид 16,091 – оксид углерода 29,677 – оксиды азота 10,963 – летучие органические соединения (ЛОС) 5,314 – углеводороды (без ЛОС) 11,153 – прочие газообразные и жидкие вещества 5,741 Всего 100,103 За последние 5 лет (2007–2011 гг.) выброс загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных источников уменьшился на 8,896 тыс. т. По данным Территориального органа Федеральной службы государственной статистики по Кировской области (Кировстата), наибольшая часть выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух поступила от организаций, осуществляющих свою деятельность в производстве и распределении электроэнергии, газа и воды (рис. 2). К наиболее крупным загрязнителям атмосферного воздуха выбросами от стационарных источников относятся: ОСП ТЭЦ-3, ТЭЦ-4, ТЭЦ-5 Кировского филиала ОАО «ТГК-5»; ООО «ГалоПолимер Кирово-Чепецк», ОАО «ЗМУ КЧХК», а также ОАО «Омутнинский металлургический завод», ОАО «Красный якорь», ООО «Вятский фанерный комбинат», ОАО «Нововятский лыжный комбинат», предприятия жилищно-коммунального хозяйства, предприятия котельных и тепловых сетей по всей области. По-прежнему значительный вклад в загрязнение атмосферного воздуха вносится передвижными источниками выбросов: автомобильным и железнодорожным транспортом. Выброс загрязняющих веществ от транспортных средств происходит в зоне дыхания человека, что, соответственно, оказывает влияние на его здоровье. Состав общей массы выбросов загрязняющих веществ от передвижных источников за 2011 г. представлен в табл. 4. От всех видов автомобильного транспорта в 2011 г. в атмосферу выброшено 115,4 тыс. т загрязняющих веществ, в том числе сажа – 0,4 тыс. т, диоксид серы – 1,0 тыс. т, оксид углерода – 86,3 тыс. т, оксиды азота – 15,2 тыс. т, метан – 0,5 тыс. т, аммиак – 0,2 тыс. т, ЛОС – 11,8 тыс. т. 12 Здравоохранение и предоставление услуг; 2.1% Операции с недвижимым имуществом, аренда и предоставление услуг; 0.9% Предоставление Прочие виды прочих экономической коммунальных, деятельности; 9.2% социальных и персональных услуг; 5.7% Сельское хозяйство, охота и лесное хозяйство; 4.8% Добыча полезных ископаемых; 0.3% Обрабатывающие производства; 23.3% Транспорт и связь; 7.4% Производство и распределение электроэнергии, газа и воды; 46.3% Рис . 2. Структура выбросов загрязняющих атмосферу веществ, отходящих от стационарных источников, по видам экономической деятельности Таблица 4 Выбросы загрязняющих веществ от передвижных источников в Кировской области за 2011 г. Вещества Масса, тыс. т Твёрдые 0,531 Газообразные и жидкие, всего 116,585 – сернистый ангидрид 1,004 – оксид углерода 86,607 – оксиды азота 16,336 – углеводороды 12,638 Всего 117,116 По данным ГИБДД, на 01.01.2012 г. в области на учёте состояло 372,081 тыс. единиц автотранспорта. Парк автотранспорта по сравнению с 2010 г. увеличился на 48611 единиц. По данным Эксплуатационного локомотивного депо Лянгасово, структурного подразделения Горьковской дирекции тяги – структурного подразделения Дирекции тяги – филиала ОАО «РЖД», парк тепловозов в 2011 г. увеличился на 1 единицу и составил 125 тепловозов. Выброс загрязняющих веществ от железнодорожного транспорта составляет 1,7 тыс. т. Незначительное увеличение выброса от железнодорожного транспорта по 13 сравнению с 2010 г. обусловлено увеличением расхода топлива на 2,09 тыс. т и улучшением качества используемого топлива. Состояние атмосферного воздуха в г. Кирове и г. Кирово-Чепецке По данным регионального доклада «О состоянии окружающей среды Кировской области в 2011 г.», валовый выброс ЗВ по г. Кирову составил 98,898 тыс. т, или 45,5% от массы выбросов в целом по области, в том числе: – от стационарных источников – 26,398 тыс. т; – от автотранспорта – 72,5 тыс. т. Уровень загрязнения воздуха г. Кирове высокий. В общем индексе загрязнения атмосферы (ИЗА) в 2011 г., равном 6,9, приоритетными примесями являются формальдегид (ИЗА – 3,43), бенз(а)пирен (ИЗА – 1,84), взвешенные вещества (ИЗА – 0,64), диоксид азота (ИЗА – 0,56), фенол (ИЗА – 0,40). За последние 5 лет (2007–2011 гг.) стабилизировался уровень загрязнения воздуха взвешенными веществами, оксидом азота. Наметилась тенденция к снижению уровня загрязнения диоксидом азота и бенз(а)пиреном, к росту – формальдегидом и оксидом углерода. Валовый выброс загрязняющих веществ по г. Кирово-Чепецку составил 26,83 тыс. т, или 12,4% от массы выбросов в целом по области, в том числе: – от стационарных источников – 13,33 тыс. т; – от автотранспорта – 13,5 тыс. т. Уровень загрязнения воздуха: повышенный. ИЗА, рассчитанный по пяти приоритетным примесям, составил 5,1. В число приоритетных примесей вошли: бенз(а)пирен (ИЗА – 2,62), взвешенные вещества (ИЗА – 1,10), фенол (ИЗА – 0,56), оксид углерода (ИЗА – 0,47), диоксид азота (ИЗА – 0,33). За последние 5 лет (2007–2011 гг.) намечается тенденция к росту загрязнения воздуха взвешенными веществами и оксидом углерода, к снижению – диоксидом азота. Содержание в воздухе диоксида серы остаётся стабильным. Мероприятия, направленные на снижение выбросов загрязняющих веществ. В целях снижения антропогенной нагрузки на атмосферный воздух стационарные источники выбросов оснащены пылегазоулавливающими установками. Основную долю улавливающих веществ составляют твёрдые частицы загрязняющих веществ. Всего за 2011 г. на предприятиях области уловлено 106,73 тыс. т загрязняющих веществ (51,6% от массы отходящих), из них утилизировано 24,96 тыс. т. Высокая степень улавливания загрязняющих веществ зафиксирована на предприятиях в химической промышленности – 61,4, при производстве резиновых и пластмассовых изделий – 70,4%, строительстве – 81,9%, на предприятиях энергетического комплекса – 64,0%, при производстве машин и оборудования – 54,3%, при производстве мебели – 41,5%, в металлургическом производстве и при деревообработке – по 25%. Самая низкая степень улавливания – на объектах сельского и лесного хозяйства – по 6,0% и предприятиях сухопутного транспорта – 0,27%. Из специфических веществ улавливаются аммиак, хлор, бензин, серная, соляная и азотная кислоты. 14 В качестве мер, направленных на снижение выбросов от передвижных источников, общепринятыми являются установка нейтрализаторов газов на автомобильном транспорте и регулирование основных транспортных потоков в периоды наиболее интенсивной нагрузки. В 2011 г. при проведении государственного технического осмотра осуществлялся контроль за соблюдением нормативов предельно допустимых выбросов загрязняющих веществ от автомобильного транспорта. Проверка транспортных средств с использованием средств технического диагностирования проводилась на всей территории области путем организации сети пунктов технического осмотра, представляющих собой производственнотехническую базу юридических лиц и индивидуальных предпринимателей, привлеченных ГИБДД на конкурсной основе. Всего в области действовало 53 пункта технического осмотра. Для проверки соблюдения нормативов предельно допустимых выбросов загрязняющих веществ от автомобильного транспорта использовались газоанализаторы и дымомеры, которыми были оснащены все пункты технического осмотра. Транспортные средства, не прошедшие в установленном порядке государственный технический осмотр и, соответственно, не прошедшие проверку по нормативам выбросов загрязняющих и вредных веществ в атмосферный воздух, к участию в дорожном движении не допускались. В 2011 г. по заданию департамента СИАК КОГБУ «Областной природоохранный центр» проводил мониторинг загрязнения атмосферного воздуха в зоне наиболее интенсивных автотранспортных потоков и экологически значимых объектов, оказывающих негативное воздействие на атмосферный воздух г. Кирова. По последним данным, самый загруженный и загрязнённый – перекрёсток ул. Производственной и Щорса (2500–3500 машин в час). Здесь наблюдается превышение ПДКм.р. по формальдегиду (в среднем в 2 раза) и взвешенным веществам (в 1,8 раза). Примерно одинаковы по загруженности перекрёстки ул. Ленина – Блюхера и ул. Ленина – Профсоюзной (1700–2700 машин в час). Превышение по формальдегиду и взвешенным веществам – в 1,6 и 2 раза соответственно. В санитарно-защитной зоне станкостроительного завода превышения ПДК по фенолу, формальдегиду, диоксиду серы, оксиду углерода ни разу не обнаружено. В районе биохимзавода в июле и октябре зафиксировано превышение ПДКм.р. по сероводороду в 2,6 раз и в 3,9 раз. По остальным загрязняющим веществам превышений не установлено. Данные о загрязнении атмосферного воздуха на перекрестках улиц г. Кирова свидетельствуют о нарастающей опасности для здоровья населения от загрязнения атмосферного воздуха выбросами отработавших газов автотранспорта. В связи с этим для снижения негативного воздействия на окружающую среду и здоровье населения Кировской области необходимо активизировать деятельность, направленную на оптимальную организацию движения 15 автомобилей в городе (значительная часть выбросов происходит в автомобильных пробках и на светофорах), снижение числа старых автомобилей, уменьшение транзитного потока грузовых автомобилей (создание объездных магистралей), увеличение доли транспорта, использующего альтернативные виды топлива, а также на усиление контроля соответствия выбросов автотранспортных средств требованиям экологических стандартов. 16 3. ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ 3.1. Источники загрязнения атмосферы Загрязнение атмосферного воздуха – поступление в атмосферный воздух или образование в нем вредных (загрязняющих) веществ в концентрациях, превышающих установленные государством гигиенические и экологические нормативы качества атмосферного воздуха 9. В зависимости от природы загрязняющего агента выделяют несколько видов загрязнения атмосферы: 1. Физическое загрязнение: радиоактивное (привнесение радиоактивных изотопов в атмосферу); электромагнитное (электрические и магнитные поля, создаваемые электрическими зарядами); тепловое (поступление тепла в атмосферу), шумовое (превышение естественного уровня шума). 2. Физико-химическое (образование в атмосфере аэрозолей – дисперсных систем, состоящих из мелких частиц, взвешенных в воздухе). 3. Химическое загрязнение – поступление в атмосферный воздух или образование в нем вредных (загрязняющих) веществ в концентрациях, превышающих установленные государством гигиенические и экологические нормативы качества атмосферного воздуха. 4. Биологическое загрязнение связано с появлением в экосистеме чуждых ей организмов. Выделяют два вида биологического загрязнения: биотическое (биогенное) и микробиологическое (микробное) – загрязнение атмосферы штаммами болезнетворных микроорганизмов. Можно выделить два вида загрязнений атмосферы: естественное и антропогенное, каждый обусловлен соответствующими источниками (рис. 3). К естественным источникам загрязнения атмосферы относятся: морские соли, процессы выветривания горных пород (миллиарды т/год), пыль от пылевых бурь (120 млн т/год), космическая пыль, вулканические извержения (150–160 тыс. т/год). Пыль – это в основном почва аридных регионов Земли. Если эта пыль достаточно тонка, то она может распространяться на большие площади и играть важную роль в перераспределении материала. Однако часто химическое влияние пыли в атмосфере не столь очевидно из-за ее слабой химической активности. Переносимые ветром в виде частиц соли морские брызги, наоборот, более реакционноспособны в атмосфере. Частицы соли из океанов гигроскопичны, во влажных условиях эти крошечные кристаллы NaCl притягивают воду и образуют аэрозоль. В результате этот процесс принимает участие в образовании облаков. 17 Естественное Внеземное (космическая пыль) Прочие Земное континентальное Радиоактивное атомные взрывы морское эксплуатация реактора аварии АЭС выветривание неорганическое Антропогенное Загрязнение воздуха вулканизм урановая руда добыча растения переработка органическое животные транспортиро вка дым расщепленный материал промышленность жилища сжигание транспорт нерасщепленный материал бытовое пыль промышленное копоть природное выхлопные газы Рис . 3. Источники загрязнения атмосферы 10 Наземные вулканы представляют собой наибольший источник пыли, которая в результате особенно сильных извержений может выноситься в стратосферу. Издавна известно, что вулканические частицы могут влиять на глобальную температуру, задерживая солнечный свет. Они также могут нарушать химические процессы на больших высотах. Вулканы служат источником газов, таких как SO2, СО2, НСl, НF. Однако вулканы – весьма непостоянный источник частиц как во времени, так и в пространстве. Сильные вулканические извержения редки. На долю естественных факторов в конце ХХ в. приходилось 75% общего загрязнения атмосферы. В настоящее время объемы антропогенных выбросов загрязняющих веществ (ЗВ) в атмосферу составляют около 10% от природных источников (общего загрязнения) и стремительно увеличиваются. Вещества, загрязняющие атмосферу, поступают от антропогенных источников в твердом, жидком или 18 газообразном состоянии, при этом на долю газообразных веществ приходится около 90%, твердые и жидкие загрязнители составляют 10%. Источники загрязнения атмосферы различаются также по мощности выброса (мощные, крупные, мелкие), высоте выброса (низкие, средней высоты и высокие), температуре выходящих газов (нагретые и холодные). При подготовке исходных данных для расчета предельно допустимых выбросов (ПДВ) предприятия для каждого источника по каждому показателю требуется классификация не только источников загрязнений, но также классификация и характеристика выбросов, степень изученности и учет в расчетах. При этом учитывают организованные и неорганизованные источники выбросов (рис. 4). Организованные выбросы обычно производятся из стационарных источников. Их характеризует большая высота труб (50–100 м), а также значительные концентрации и объемы. Неорганизованные выбросы проявляются в виде поступлений токсикантов в атмосферу из производственных помещений предприятий. Концентрация и объем загрязняющих веществ меньше, высота выброса небольшая. ХАРАКТЕРИСТИКА ИСТОЧНИКОВ ОРГАНИЗОВАННЫЕ ВЫБРОСЫ Точечные: трубы, крышные вентиляторы, вытяжные шкафы. Линейные: аэрационные фонари, точечные источники, расположенные на расстоянии менее 200 м НЕОРГАНИЗОВАННЫЕ ВЫБРОСЫ Открытые склады; транспортные участки; погрузка; разгрузка; аварийные проливы ХАРАКТЕРИСТИКА ВЫБРОСОВ Низкие: в зоне аэродинамической тени. Высокие: фиксированы координаты, известны размеры; определенный, относительно постоянный объем и состав Наземные, плоскостные; известны координаты и размеры при отсутствии четких границ; определенный, но непостоянный объем и состав Рис . 4. Классификация источников, выбросов и степени изученности загрязняющих веществ 19 Состав, количество и источники аэрополлютантов Техногенные выбросы в воздушную среду насчитывают десятки тысяч индивидуальных веществ. Однако наиболее распространенные, «многотоннажные» загрязнители сравнительно немногочисленны. Это различные твердые частицы (пыль, дым, сажа), угарный газ (СО), сернистый газ (SO2), оксиды азота (NO и NO2), различные летучие углеводороды (СхНу), соединения фосфора, сероводород (H2S), аммиак (NH3), хлор (Сl2), фтористый водород (HF). Общая масса выбросов от всех организованных источников, эмиссии которых можно измерить, составляет около 800 млн т. В эти количества не входят загрязнения воздуха при ветровой эрозии, лесных пожарах и вулканических извержениях, а также та часть вредных веществ, которая улавливается с помощью различных средств очистки отходящих газов. Объемы пяти главных загрязнителей в мире, измеряемые десятками миллионов тонн и выбрасываемые в воздушную среду всего мира и России, приведены в табл. 5. Таблица 5 Выбросы в атмосферу пяти главных загрязнителей в мире и в России, млн т 12 Весь мир Россия Вещества стационарные стационарные транспорт транспорт источники источники Твердые вещества 52 38 2,85 0,05 Оксид углерода 178 212 6,77 11,3 Диоксид серы 93 10 4,76 0,9 Оксиды азота 60 26 1,62 1,93 Углеводороды 14 54 2,78 1,67 Наибольшая загрязненность атмосферы характерна для индустриальных регионов. 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 аэрополлютантов, особенно при неблагоприятных метеоусловиях (высоком атмосферном давлении и термоинверсиях), часто создают пылевые купола и явления смога. Такие ситуации сопровождаются сильными превышениями ПДК многих аэрополлютантов. Основные загрязнители атмосферного воздуха и их промышленные источники приведены в табл. 6. 20 Таблица 6 Источники антропогенного загрязнения воздуха 13 Источник загрязнения Загрязняющие вещества Сельское хозяйство Пестициды; взвешенные частицы; аммиак; сероводород Производство Оксиды углерода; оксиды азота; оксиды серы; электроэнергии полиароматические углеводороды; радионуклиды; взвешенные частицы (в том числе тяжелые металлы – бериллий, ванадий, кадмий, кобальт, марганец, медь, молибден, мышьяк, никель, селен, сурьма, хром, ртуть, свинец); диоксины; полихлорированные бифенилы; метан Добыча руд и Взвешенные частицы (в том числе тяжелые металлургическая металлы – свинец, кадмий, мышьяк, ртуть, никель, промышленность титан, хром, медь, марганец, цинк); оксиды серы; оксиды углерода; диоксины; полиароматические углеводороды; фтористый водород Химическая Взвешенные частицы (в том числе тяжелые промышленность и металлы – ртуть, кадмий, мышьяк, хром, ванадий); электроника оксиды серы; оксиды углерода; оксиды азота; диоксины: нитриты, нитраты и нитрозосоединения; полиароматические углеводороды Химическая сероуглерод; сероводород; аммиак; толуол, ацетон, промышленность и дихлорэтан; бензол, ксилол, этилацетат электроника Промышленные и Взвешенные частицы (в том числе тяжелые бытовые отходы металлы – кадмий, ртуть, свинец, цинк, медь, олово, хром, сурьма); оксиды серы; оксиды углерода; оксиды азота; диоксины; полиароматические углеводороды; полихлорированные дибензофураны; сероводород; аммиак; метан Транспорт Взвешенные частицы (в том числе тяжелые металлы – свинец, ванадий, молибден, кадмий, ртуть); оксиды серы; оксиды углерода; оксиды азота; диоксины; полиароматические углеводороды; пероксиацетилнитрат; озон В табл. 7 приведены объемы выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух. 21 Таблица 7 Основные загрязнители атмосферного воздуха в России 12 Среднегодовая Основные Воздействие концентрация Загрязнители искусственные на окружающую среду в воздухе, источники и здоровье человека мг/м3 Твердые Сжигание 0,04–0,4 Снижение солнечного частицы (пыль, топлива (около освещения и видимости, 6 зола и др.) 240·10 т/год) увеличение облачности, туманности. Разрушение и загрязнение материков. Возможное снижение температуры земли в результате длительного воздействия Сернистый Сжигание 0,5–1 Хроническое поражение ангидрид SO2 топлива растений, снижение 6 (150–175·10 урожайности в сельском т/год) хозяйстве, уничтожение лесов, заболевание дыхательных путей Оксиды азота Окисление 0,05–0,2 Поглощение солнечного NOх атмосферного света NO2, образование азота и азота фотохимических туманов – топлива при смогов. Разрушение ряда высокой материалов, снижение температуре урожайности, уничтожение 6 (55·10 т/год) лесов, уменьшение содержания гемоглобина в крови Оксид Неполное 1–50 Уменьшение содержания углерода СО сгорание гемоглобина в крови топлива (250– 350·106 т/год) Летучие Неполное до 3 Поражение растений при углеводороды и сжигание концентрации выше их продукты топлива 0,02 мг/м3, раздражающее (80·106 т/год) действие на глаза Выделяют 2 группы источников загрязнения атмосферного воздуха: стационарные и передвижные. К стационарным источникам загрязнения атмосферы относятся заводы, фабрики, комбинаты. Сравнение объемов выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух от стационарных источников по видам экономической деятельности представлено на рис. 5. 22 Рис . 5. Вклад основных видов экономической деятельности в суммарные выбросы вредных веществ в атмосферу стационарными источниками Российской Федерации в 2006 г. 12 Наибольший вклад в загрязнение атмосферного воздуха вносят обрабатывающие производства, которые за счет выбросов металлургических производства обеспечивают более трети всех выбросов. Сопоставимое с обрабатывающими производствами количество выбросов приходится на предприятия по добыче полезных ископаемых, в первую очередь – добыче нефти и природного газа. Около 20% всех выбросов приходится на деятельность по производству и распределению электроэнергии, газа и воды. И почти 10% выбросов происходит при транспортировании газа и продуктов его переработки по трубопроводам. Предприятия – крупнейшие источники загрязнения атмосферного воздуха в Российской Федерации: 1. Заполярный филиал ОАО «ГМК Норильский никель», г. Норильск, Красноярский край. 2. ОАО «Северсталь», г. Череповец, Вологодская область. 3. ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат», Липецкая область. 4. Рефтинская ГРЭС, г. Асбест, Свердловская область. 5. ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», Челябинская область. 6. ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат», г. Новокузнецк, Кемеровская область. 7. ОАО «Варъеганнефтегаз» (НГДУ «Бахиловнефть»), г. Радужный, Ханты-Мансийский АО. 8. Троицкая ГРЭС, г. Троицк-5, Челябинская область. 9. ОАО «Кольская ГМК», Мурманская область. 10. ОАО «Южуралникель», г. Орск, Оренбургская область. 11. ООО «Медногорский медно-серный комбинат», Оренбургская область. 12. ООО «Астраханьгазпром», пос. Аксарайский, Астраханская область. 23 13. ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат», Свердловская область. 14. АО «Качканарский ГОК», г. Качканар, Свердловская область. 15. АООТ «Высокогорский ГОК», Свердловская область. К передвижным источникам загрязнения атмосферного воздуха относятся легковые и грузовые автомобили, автобусы, тепловозы, самолеты, речные и морские суда. Из всего многообразия передвижных источников автомобильный транспорт остается главным загрязнителем атмосферного воздуха в стране. На его долю приходится около 42% суммарных по России выбросов загрязняющих веществ в атмосферу и 94,5% – от транспортного комплекса. Интенсивный рост численности автомобильного парка с 22 млн ед. в 1997 г. до 32,6 млн ед. в 2006 г. обусловил повышение выбросов. Наиболее быстрыми темпами расширяется парк легковых автомобилей и автобусов. При увеличении количества единиц автомобильного транспорта за десятилетие в 1,5 раза почти на такую же величину (в 1,4 раза) увеличились и его выбросы. Основными веществами, попадающими в атмосферу с выхлопными газами, являются оксиды азота, серы и углерода. В общем количестве выбросов от автотранспорта почти три четверти приходится на оксид углерода – угарный газ (СО). Одними из наиболее токсичных веществ, загрязняющих атмосферный воздух, являются соединения свинца. Присутствие соединений свинца в выбросах от автотранспорта обусловлено применением в моторных топливах тетраэтилсвинца, который служит антидетонирующей присадкой, повышающей эффективность сгорания моторного топлива. Учитывая серьезную опасность применения этилированного бензина как для здоровья населения, так и для объектов окружающей среды, были приняты меры для поэтапного его исключения в качестве моторного топлива. Сначала это касалось исключения применения этилированного бензина в крупных и курортных городах. 1 марта 2003 г. Президент Российской Федерации подписал федеральный Закон № 34-ФЗ «О запрете производства и оборота этилированного бензина в Российской Федерации». Этот закон, направленный на предотвращение «вредного воздействия на здоровье человека и окружающую среду этилированного бензина, вступил в действие с 1 июля 2003 г. Загрязнение атмосферного воздуха в городах России 14 В 2010 г. в Приоритетный список городов с наибольшим уровнем загрязнения атмосферного воздуха вошли 36 городов (ИЗА>14) (табл. 8). В 2009 г. такой список насчитывал 34 города. По сравнению с прошлым годом в этот перечень включены города: Азов, Барнаул, Волгоград, Волжский, Москва (после нескольких лет отсутствия в перечне), Набережные Челны, Ростов-наДону, Соликамск, Тверь. 24 Таблица 8 Приоритетный список городов Российской Федерации с наибольшим уровнем загрязнения атмосферного воздуха в 2010 г. и вещества, его определяющие № п/п Город 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 Азов Ачинск Барнаул Белоярский Благовещенск Братск Волгоград Волжский Дзержинск Екатеринбург Зима Иркутск Красноярск Курган Кызыл Лесосибирск Магнитогорск Минусинск Москва Набережные Челны Нерюнгри Нижнекамск Нижний Тагил Новокузнецк Новочеркасск Норильск Ростов-на-Дону Селенгинск (пгт) Соликамск Ставрополь Стерлитамак Тверь Уссурийск Черногорск Чита Южно-Сахалинск Вещества, определяющие высокий уровень загрязнения атмосферы Ростовская область NO2, БП, Ф Красноярский край ВВ, NO2, БП, Ф Алтайский Край ВВ, NO2, БП, Ф Ханты-Мансийский АО – Югра Ф Амурская область БП, Ф Иркутская область ВВ, NO2, БП, Ф, НF Волгоградская область БП, фенол, Ф, НF Волгоградская область NO2, NH3, БП, Ф Нижегородская область ВВ, NH3, БП, фенол, Ф Свердловская область NO2, NH3, БП, Ф Иркутская область NO2, БП, Ф Иркутская область ВВ, NO2, БП, сажа, Ф Красноярский край ВВ, NO2, БП,Ф Курганская область БП, сажа, Ф Республика Тыва ВВ, БП, сажа, Ф Красноярский край ВВ, БП, фенол, Ф Челябинская область ВВ, NO2, БП, Ф Красноярский край БП, Ф NO2, БП, фенол, Ф Республика Татарстан БП, фенол, Ф Республика Саха (Якутия) ВВ, NO2, БП, Ф Республика Татарстан ВВ, БП, Ф Свердловская область NH3, БП, Ф, Кемеровская область ВВ, NO2, БП, Ф, НF Ростовская область ВВ, БП, фенол, Ф, СО Красноярский край Выбросы SO2 и NO2 Ростовская область ВВ, NO2, БП, фенол, Ф Республика Бурятия ВВ, NO2, БП, фенол, Ф Пермский край NH3, БП, Ф Ставропольский край БП, Ф Республика Башкортостан NO2, БП, Ф Тверская область ВВ, БП, Ф Приморский край ВВ, NO2,БП Республика Хакасия БП, Ф Забайкальский край ВВ, NO2, БП, Ф Сахалинская область ВВ, NO2, БП, сажа, Ф Субъект Российской Федерации Примечание: Ф – формальдегид, ВВ – взвешенные вещества, БП – бенз(а)пирен, HF – фторид водорода, СO – оксид углерода, NO2 – диоксид азота, NH3 – аммиак, SO2 – диоксид серы. Города Приоритетного списка не ранжируются по степени загрязнения атмосферы. 25 В 36 городах, входящих в Приоритетный список, проживают 23,4 млн человек. Почти во всех этих городах очень высокий уровень загрязнения связан со значительными концентрациями бенз(а)пирена и формальдегида, в 19 – с концентрациями диоксида азота и взвешенных веществ, в 8 – фенола. В 2010 г. высокий уровень загрязнения воздуха был обусловлен сложившимися в июле – августе аномально жаркими погодными условиями, а также воздействием очагов горения лесных и торфяных пожаров. Высокая интенсивность солнечной радиации, слабые ветры, застои атмосферного воздуха способствовали протеканию фотохимических реакций с образованием загрязняющих веществ и их последующим накоплением в приземном слое атмосферы. В Приоритетный список вошли 6 городов с предприятиями нефтехимической промышленности, 8 городов – с предприятиями металлургии, 11 городов – с предприятиями химической промышленности; во многих городах определяющий вклад в загрязнение вносят предприятия ТЭК и автотранспорт. Наиболее высокий уровень загрязнения воздуха из городов Приоритетного списка в течение длительного периода отмечается в Братске. Средние концентрации бенз(а)пирена и формальдегида в этом городе составили 5–9 ПДК, диоксида азота – 1,6 ПДК. Характеристика загрязняющих веществ 15, 16 Оксид углерода (СО) – самая распространенная и наиболее значительная примесь атмосферы, называемая в быту угарным газом. Содержание СО в естественных условиях от 0,01 до 0,2 мг/м3. Основная масса выбросов СО образуется в процессе сжигания органического топлива, прежде всего в двигателях внутреннего сгорания. ПДКм.р. 5,0 мг/м3. Наиболее высокая концентрация СО наблюдается на улицах и площадях городов с интенсивным движением, особенно у перекрестков. Высокая концентрация СО в воздухе приводит к физиологическим изменениям в организме человека, а концентрация более 750 мг/м3 – к смерти. СО – исключительно агрессивный газ, легко соединяющийся с гемоглобином крови, образуя карбоксигемоглобин. Время пребывания СО в атмосфере составляет 2–4 месяца. Диоксид серы – сернистый газ (SО 2) – бесцветный газ с острым запахом. На его долю приходится до 95% от общего объема сернистых соединений, поступающих в атмосферу от антропогенных источников. До 70% выбросов SО2 образуется при сжигании угля, мазута – порядка 15%. ПДКм.р. 0,5 мг/м3. Весьма чувствительны к SО2 хвойные леса. При концентрации SО2 в воздухе 0,23–0,32 мг/м3 в результате нарушения фотосинтеза происходит усыхание хвои в течение 2–3 лет. Аналогичные изменения у лиственных деревьев происходят при концентрациях SО2 0,5–1 мг/м3. Угле водороды (CхHy). Основной техногенный источник выбросов – автотранспорт, в виде паров бензина, метана, пентана, гексана. Его удельный вес составляет более 50% от общего объема выбросов. При неполном сгорании топлива происходит также выброс циклических углеводородов, обладающих канцерогенными свойствами. Особенно много канцерогенных веществ 26 содержится в саже, выбрасываемой дизельными двигателями. Из углеводородов в атмосферном воздухе наиболее часто встречается метан, что является следствием его низкой реакционной способности. Углеводороды обладают наркотическим действием, вызывают головную боль, головокружение. При вдыхании в течение 8 часов паров бензина с концентрацией более 600 мг/м3 возникают головные боли, кашель, неприятные ощущения в горле. Оксиды азота (NOx) образуются в процессе горения при высокой температуре путем окисления части азота, находящегося в атмосферном воздухе. Под общей формулой NOx обычно подразумевают сумму NO и NО2. Основные источники выбросов NOx: двигатели внутреннего сгорания, топки промышленных котлов, печи. Оксид азота IV (NО 2) – газ желтого цвета, придающий воздуху в городах коричневатый оттенок. ПДКм.р. 0,2 мг/м3. Отравляющее действие NOx начинается с легкого кашля. При повышении концентрации кашель усиливается, начинается головная боль, возникает рвота. При контакте NOx с водяным паром, поверхностью слизистой оболочки образуются кислоты HNО3 и HNО2, что может привести к отеку легких. Продолжительность нахождения NО2 в атмосфере – около 3 суток. в большом количестве может содержаться в атмосфере, особенно в больших городах и промышленных центрах. ПДКм.р. 0,035 мг/м3. Источниками формальдегида в атмосфере являются: – фотохимические реакции превращения метана (и, возможно, других углеводородов) в атмосферных слоях; – лесные, торфяные и городские пожары; свалки бытовых и промышленных отходов; – выбросы автотранспорта и топочные газы энергетических установок; – выбросы промышленных предприятий, использующих формальдегид в своей деятельности; – выделение формальдегида из содержащих его материалов (древесные плиты, фенопластики). Например, в молоке содержание формальдегида достигает 1 мг/кг, в грушах – 60 мг/кг, во влажных салфетках для детей – 100 мг/кг, в сале – 267 мг/кг, в тканях, одежде – 3500 мг/кг. В быту формальдегид может выделяться из мебели, строительных и отделочных материалов, утеплителей, текстильных материалов, косметических средств и дезинфектантов. Формальдегид содержится в табачном дыму, а также в некоторых видах овощей, фруктов и напитков (натуральные вина, коньяки, пиво). Например, из фенопластиков, древесностружечных и древесноволокнистых плит может выделяться не полностью прореагировавший формальдегид, а также формальдегид, получающийся в ходе деструкции фенолоформальдегидной смолы, например, при эксплуатации мебели и строительных конструкций во влажном состоянии. Загрязнение окружающей среды фенолом (С 6Н 5ОН), ПДКм.р. 0,01 мг/м3, связано с интенсивным ростом в последние полвека производств, где фенол и 27 его аналоги включаются в технологический процесс. Отличительной особенностью является сравнительно узкий спектр источников поступления фенола в окружающую среду, что в конечном итоге определяет локальность загрязнения воздушного бассейна этим веществом. Существуют естественные и антропогенные источники поступления фенола в окружающую среду. К естественным источникам относится поступление фенола с частицами пыли, в особенности торфяной и грунтовой. Воздушные миграционные потоки включают фенолы, которые поступают с испарениями из водных поверхностей. Фенолы выделяются в атмосферу древесными, травянистыми и низшими растениями. Значительное загрязнение атмосферы фенолами происходит также при лесных пожарах. Фенол является токсичным веществом, которое при определенном превышении ПДК приводят к гибели живых существ или угнетает их жизнедеятельность. Отравление человека фенолом происходит при вдыхании его паров и аэрозоля, образующегося при конденсации паров, попадании вещества в желудочно-кишечный тракт и при всасывании через кожу. В случае поступления яда в организм человека возникают тошнота, рвота, боли в полости рта, головные боли, боли в глотке, животе, понос, сильная одышка, жажда. Взвешенные вещества (пыль). Средний размер частиц пыли в атмосферном воздухе – 7–8 мкм. ПДК м.р. 0,5 мг/м3. Пыль оказывает вредное воздействие на человека, растительный и животный мир, поглощает солнечную радиацию и тем самым влияет на термический режим атмосферы и земной поверхности. Частицы пыли служат ядрами конденсации при образовании облаков и туманов. Основные источники образования пыли: производство строительных материалов, черная и цветная металлургия (оксиды железа, частицы Al, Сu, Zn), автотранспорт, пылящие и тлеющие места складирования бытовых и производственных отходов. Основная масса пыли вымывается из атмосферы осадками. Бенз(а)пирен является наиболее типичным химическим канцерогеном окружающей среды. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) рекомендовала среднегодовое значение (1·10–6 мг/м3) как величину, выше которой могут наблюдаться неблагоприятные последствия для здоровья человека. Антропогенные источники бенз(а)пирена могут быть стационарными (промышленные предприятия, ТЭЦ, крупные и мелкие отопительные системы), загрязняющими атмосферу в относительно ограниченных районах, и передвижными (транспорт), выбросы которых распространяются на значительно большие пространства. Одним из широко распространённых источников 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. Бенз(а)пирен находят и в местах стихийно возникающих лесных пожаров, он появляется в атмосфере также в результате извержения вулканов. 28 Процесс горения не обязателен для возникновения бенз(а)пирена, он образуется в результате протекания процессов полимеризации относительно простых по структуре осколков молекул (в основном свободно радикального характера), которые образуются из исходного топлива вследствие действия высоких температур, при неблагоприятных условиях горения. Одним из наиболее распространённых источников образования бенз(а)пирена является также пиролиз. Пиролиз используется исключительно для получения продукции для народного хозяйства, которая зачастую становится вторичным источником поступления ПАУ в окружающую среду. В молекулярно-дисперсном состоянии бенз(а)пирен может находиться лишь в ничтожно малых количествах. В воздухе он преимущественно связан с твердыми частицами атмосферной пыли. Твердые частицы, содержащие бенз(а)пирен, довольно быстро выпадают из воздуха вследствие седиментации (разрушение коллоида и выпадение осадка), а также с атмосферными осадками и переходят в почву, растения, почвенные воды и водоемы. Это обусловливает довольно большую изменчивость концентрации бенз(а)пирена в атмосферном воздухе, которая зависит не только от интенсивности выброса его из источника загрязнения, но и от метеорологических условий. Будучи химически сравнительно устойчивым, бенз(а)пирен может долго мигрировать из одних объектов в другие. В результате многие объекты и процессы окружающей среды, сами не обладающие способностью синтезировать бенз(а)пирен, становятся его вторичными источниками. Многочисленность и рассеянность источников бенз(а)пирена, а также способность к дальнейшему распространению выбросов создают предпосылки к повсеместному загрязнению атмосферы. Тем не менее наблюдаемые концентрации бенз(а)пирена в атмосфере очень различны – от практически нулевых уровней в некоторых местностях до многократного превышения ПДК на отдельных участках. По приближенным оценкам, количество бенз(а)пирена, выбрасываемое ежегодно в окружающую среду различными антропогенными источниками, составляет во всём мире 5000 тонн. Международная группа экспертов отнесла бенз(а)пирен к числу агентов, для которых имеются ограниченные доказательства их канцерогенного действия на людей и достоверные доказательства их канцерогенного действия на животных. В экспериментальных исследованиях бенз(а)пирен был испытан на девяти видах животных, включая обезьян. В организм бенз(а)пирен может поступать через кожу, органы дыхания, пищеварительный тракт и трансплацентарным путём. При всех этих способах воздействия удавалось вызвать злокачественные опухоли у животных. Имеются прямые или косвенные данные о реальности поступления бенз(а)пирена всеми этими путями в организм людей. Рассеивание загрязняющих веществ в атмосфере Рассеивающая способность – одно из важных свойств атмосферы. Она зависит от состояния атмосферы, определяемого скоростью ветра, вертикальным градиентом температуры (температурной стратификацией 29 атмосферы); характером движения воздушных масс, зависящим от рельефа и различных наземных препятствий [3]. Имеют место 4 основных механизма рассеивания: 1) горизонтальный градиент давления, обусловливающий силу ветра; 2) молекулярная диффузия, вызванная градиентом концентрации ЗВ в струе дыма и окружающей среде; 3) атмосферная турбулентная диффузия, обусловленная характером средне- и мелкомасштабных пульсаций скорости потока; 4) температурная стратификация атмосферы, вызванная вертикальным градиентом температуры (изменением температуры на 100 м высоты). Типичным случаем рассеивания является движение газовоздушной смеси в подвижной среде при горизонтальном перемещении воздуха. При этом турбулентные вихри изгибают и разрывают поток, перемешивают его с окружающим воздухом, вызывают диффузию струй, извивают в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Особый случай, когда масса газовоздушной смеси поднимается без теплообмена с окружающей средой так, что она имеет одинаковую плотность с воздухом и не испытывает ускорения или торможения в своем движении. Типичные профили скорости ветра, ходы, температуры и формы дымовых струй приведены на рис. 6. В случае неустойчивой атмосферы примесь быстро перемешивается. Максимальная концентрация наблюдается сравнительно недалеко от источника. Она является неблагоприятной для высоких источников, т. е. тех, выброс которых осуществляется выше аэродинамических теней зданий и сооружений (более 2,5 высот зданий). Устойчивая атмосфера формирует веерообразную струю. Максимальная концентрация наблюдается дальше от источника, чем при неустойчивой атмосфере, и она меньше по величине. Устойчивая атмосфера неблагоприятна для следующих случаев: – выброс осуществляется на уровне земли; – высота трубы ниже высоты здания; – выброс осуществляется в глубокой узкой долине, препятствующей рассеиванию примеси. Таким образом, последствия выброса одного и того же количества загрязняющих веществ зависят от следующих факторов: 1) состояния атмосферы и сочетания метеопараметров (температура, давление, градиент температуры, влажность), определяющих это состояние; 2) осадков, способствующих самоочищению; 3) туманов, в которых концентрация примеси выше на 80–90% по сравнению с ситуацией, когда они отсутствуют; 4) рельефа местности. Препятствия, резкие перепады высот вносят серьезные изменения в характер движения дымовых струй. 30 Рис . 6. Состояние атмосферы и виды дымовых струй 31 3.2. Глобальные экологические проблемы, вызванные загрязнением атмосферы 3.2.1. Разрушение озонового слоя 1, 2 Озон (О3) – аллотропная модификация кислорода. Общая масса озона в атмосфере оценивается примерно в 3,3 млрд т. Если собрать весь озон из атмосферы к поверхности Земли, то он мог бы покрыть ее слоем, толщина которого в среднем составила бы 2,9 мм. Важной особенностью озона является его способность поглощать излучение: O 3 + h = О 2 + О Озон поглощает ультрафиолетовое излучение в тысячи раз лучше, чем кислород, и количества озона в стратосфере, где концентрация его достигает максимальных значений, в десятки и сотни раз превышающих среднее его содержание в тропосфере, достаточна для практически полного поглощения жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Поэтому озон стратосферы выполняет защитную функцию, и уменьшение его количества в этой области атмосферы может представлять опасность для биоты, и, прежде всего, для человека. Зона с максимальными значениями концентрации озона находится на высотах от 15 до 35 км. На больших высотах концентрация озона резко снижается, и на высоте более 85 км озон практически отсутствует. Поэтому озон стратосферы вносит наибольший вклад в поглощение ультрафиолетовых лучей. На рис. 7 приведены процессы распада и синтеза озона. 32 Рис . 7. Озоновый экран. А – Озон (О3) в стратосфере поглощает ультрафиолетовые (УФ) лучи солонца. Б – Озон формируется в стратосфере, когда под действием УФ-лучей молекулы кислорода распадаются на свободные атомы, которые могут присоединяться к другим его молекулам 17 Реа кции, лежащие в основе разрушения озона Значительный вклад в процесс разрушения озона вносят цепные процессы, протекающие с участием гидроксидных радикалов (водородный цикл), оксидов азота (азотный цикл), соединений хлора и брома (хлорный и бромный циклы). Водородный цикл. При поглощении кванта света с длиной волны менее 240 нм молекулы воды могут распадаться с образованием гидроксидного радикала и атомарного водорода: Н2О + h = ОН• + Н Гидроксидные радикалы образуются и при взаимодействии молекул воды или метана с возбужденным атомом кислорода. Образовавшийся в этих процессах гидроксидный радикал может вступить в реакцию с озоном. Продуктами этого взаимодействия являются 33 гидропероксидный радикал и молекула кислорода. Гидропероксидный радикал при взаимодействии с атомарным кислородом в основном состоянии образует молекулу кислорода и гидроксидный радикал. Водородный цикл замыкается, при этом разрушается озон: ОН• + О3 = •НО2 + О2 НО2•+ О = ОН• + О2 О + О3 = О2 + О2 Азотный цикл. Оксид азота (II) при взаимодействии с озоном окисляется до оксида азота (IV), но при взаимодействии NO2 с атомарным кислородом в невозбужденном состоянии вновь образуется оксид азота. Азотный цикл замыкается, но при этом идут процессы разрушения озона: NO + О3 = NО2 + О2 NО2 + О = NO + О2 О + О3 = О2 + О2 Необходимо отметить, что опасность для озонового слоя представляют только образующиеся непосредственно в стратосфере оксиды азота – NO и NO2. Образующиеся в воздухе тропосферы оксиды азота имеют малое время жизни и не успевают достигнуть стратосферы. Среди оксидов азота, образующихся на поверхности Земли, опасность для озонового слоя представляет лишь имеющий достаточно большое время жизни и поэтому способный преодолеть глобальный инверсионный барьер и достичь зоны максимальной концентрации озона оксид азота (I) – N2О. Этот газ, образующийся в процессах денитрификации в почве, при взаимодействии с возбужденным атомом кислорода превращается в оксид азота (II), инициирующий азотный цикл гибели озона: N2O + O* = 2NO. Хлорный цик л. Атом хлора при взаимодействии с молекулой озона образует радикал оксида хлора и молекулу кислорода. Оксид хлора способен взаимодействовать с атомарным кислородом, находящимся в невозбужденном состоянии, с образованием атомарного хлора и молекулы кислорода. Хлорный цикл замыкается, происходит разрушение озона: Cl + О3 = ClO• + О2 ClO• + О = Cl + О2 О + О3 = О2 + О2 Атомарный хлор появляется в стратосфере при фотохимическом разложении ряда хлорфторуглеводородов, которые благодаря малой химической активности и большому времени жизни успевают достигнуть зоны максимального содержания озона в стратосфере. Наибольшую опасность среди хлорфторуглеводородов представляют некоторые из производившихся до последнего времени в больших количествах фреонов (техническое название группы насыщенных алифатических галогенсодержащих углеводородов). Эти 34 нетоксичные, пожаро-взрывобезопасные соединения, обладающие низкой реакционной способностью, широко использовались в холодильной технике, при производстве пенопластов и каучука, в изготовлении различных бытовых товаров в аэрозольных упаковках. Попадая в стратосферу, эти соединения могут взаимодействовать с излучением с длиной волны менее 240 нм, при этом происходит образование атомарного хлора, как, например, в случае фреона Ф-П (CFC13) и может начаться разрушение озонового слоя: CFC13 + hv = CFC12• + Cl В настоящее время в соответствии с Монреальским протоколом и рядом дополнительных международных протоколов, подписанных в последние годы, производство озоноопасных фреонов практически прекращено. Бромный цикл. Атом брома подобно атому хлора способен при взаимодействии с озоном образовывать радикал оксида брома (ВгО•) и молекулу кислорода. Однако в отличие от оксида хлора радикал ВгО• может вступить в реакцию с другой молекулой оксида брома или с оксидом хлора, при этом образуются два атома соответствующего галогена и молекула кислорода: Вг + О3 = ВгО• +О2 BrO• + BrO• = 2Br + О2 BrO• + ClO• = Br + Cl + О2 Во всех рассмотренных до этого циклах нарушения озонового слоя реакция с участием атомарного кислорода является наиболее медленной, и ее скорость лимитирует соответствующие циклы. В случае бромного цикла процесс значительно ускоряется, и бром потенциально наиболее опасен для озонового слоя. Однако влияние этого цикла на озоновый слой в настоящее время меньше, чем влияние других рассмотренных циклов. Это связано с меньшими концентрациями брома в стратосфере. Основными источниками брома в стратосфере являются бромсодержащие органические соединения, используемые для тушения пожаров (галоны). Эти соединения, как и фреоны, устойчивы в тропосфере, имеют большое время жизни и, попадая в стратосферу, разлагаются под действием жесткого ультрафиолетового излучения. Образующийся при этом атом брома может вступить во взаимодействие с молекулой озона. «Озоновая дыра» над Антарктидой . Понятие «озоновой дыры» связывают с уменьшением общего содержания озона во всех областях атмосферы над определенной территорией. Наиболее часто это явление ассоциируется с уменьшением общего количества озона над Антарктидой, где такой процесс, протекающий с разной интенсивностью, в последние десятилетия наблюдается практически ежегодно и где он был зафиксирован впервые. Над Антарктидой явление «озоновой дыры» носит ярко выраженный сезонный характер и проявляется лишь в весенний период. В соответствии с современными представлениями, причина образования «озоновой дыры» над Антарктидой является комплексной и связана как с 35 совокупностью природных явлений (полярный вихрь), так и с антропогенным влиянием на состояние атмосферного воздуха. Так, систематическое увеличение поступления хлорфторуглеводородов в атмосферу, наблюдавшееся во второй половине прошлого века, и специфика движения воздушных масс в стратосфере высоких широт привели к тому, что в период возникновения «озоновой дыры» концентрация озоноразрушающих веществ в воздухе над Антарктидой резко возрастала. Устойчивый антициклон, так называемый полярный вихрь, или полярный вортекс, возникающий каждой зимой над Антарктидой, приводит к временному прекращению обмена воздухом с другими областями стратосферы и стоку озона в тропосферу. Поступление озона, образующегося в тропической или среднеширотной зонах стратосферы, в этот период прекращается. Однако возникающий дефицит озона в условиях полярной ночи не представляет опасности для биоты. Температура воздуха внутри вихря резко снижается до – 70 или – 80 °С. В стратосфере появляются устойчивые аэрозольные образования – «серебристые» облака, состоящие из кристаллов льда и капель переохлажденной жидкости. В состав этих аэрозолей входят димеры оксида хлора (СlO)2, хлористый нитрозил (ClONO2) и другие соединения азота (HNO3, HNO2). В зимний период эти соединения, связанные с аэрозолями, не взаимодействуют с озоном. Весной циркумполярный вихрь распадается, и при повышении температуры на поверхности кристаллов льда начинают протекать гетерогенные химические процессы. Таким образом, с наступлением весны в стратосфере над Антарктидой появляется ряд озоноразрушающих веществ, и начинаются цепные процессы разрушения озона на фоне природного дефицита озона, содержание которого не успевает восстановиться после окончания полярной ночи и разрушения вортекса. Протекание химических реакций вызывает разрушение озона над Антарктидой в весенний период и приводит к образованию «озоновой дыры». В дальнейшем кристаллики льда растают, гетерогенные процессы прекратятся, озоноразрушающие вещества израсходуются, благодаря динамическим процессам стратосферной циркуляции в полярную область поступит озон из других областей атмосферы, и «дыра» постепенно, в течение одного-двух месяцев закроется. 3.2.2. Смог 2, 18, 19 Смог – комплексное загрязнение атмосферы, обусловленное застаиванием масс воздуха в крупных городах. Смог возникает при определенных условиях: большом количестве пыли и газов в воздухе и длительном существовании антициклонных условий (отсутствие ветра и осадков), когда загрязнители скапливаются в приземном слое атмосферы. Смог вызывает удушье, приступы астмы, аллергические реакции, раздражение глаз, повреждение растительности. 36 Термин смог (smog) произошел от английских слов smoke – дым и fog – туман. Термин смог был впервые употреблен применительно к смеси дыма и тумана, образующейся над Лондоном в периоды длительного антициклона. Смог усиливается при определенных погодных условиях, особенно – при температурной инверсии. Обычно на высоте температура воздуха ниже. В этом случае теплый воздух поднимается от земли, унося с собой загрязняющие вещества и рассеивая их на высоте (рис. 8, А). При температурной инверсии слой холодного воздуха над землей перекрыт теплым. Это происходит, когда холодный воздух «подтекает» под теплый. В результате восходящее движение воздуха, уносящее загрязняющие вещества, блокируется, и они накапливаются над землей (рис. 8, Б). Рельеф местности может усиливать эффект температурной инверсии, например в Мехико и Лос-Анджелесе, где окружающие горы препятствуют горизонтальному оттоку загрязнителей. Рис . 8. Температурные инверсии могут привести к высоким концентрациям загрязняющих веществ. А. Обычно температура приземных слоев воздуха выше, чем над ними. Теплый воздух поднимается, унося загрязняющие вещества вверх, где они рассеиваются. Б. Температурная инверсия – это ситуация, когда слой теплого воздуха перекрывает более холодный приземный. Таким образом, восходящие потоки воздуха блокируются, и загрязняющие вещества накапливаются, как сигаретный дым в закрытой комнате 17 Выделяют 3 типа смога: 1. Влажный смог (классический смог), смог Лондонского типа. 2. Сухой смог (фотохимический смог), смог Лос-Анджелесского типа. 3. Ледяной смог, смог Аляскинского типа. Ледяной смог. Возникает при очень низких температурах в антициклоне. В этом случае даже небольшие выбросы загрязняющих веществ приводят к возникновению густого тумана, состоящего из мельчайших кристалликов льда и, например, серной кислоты. Классический Лондонский смог . Классический смог характерен для мест с повышенной влажностью воздуха и частыми туманами, обычно он образуется в зимний отопительный сезон (при сжигании большого числа серосодержащего топлива). 37 Главными токсичными веществами классического (Лондонского) смога являются первичные загрязнители СО, оксиды серы, твердые частички, которые образуются при сжигании топлив. Топливо обычно состоит из углеводородов, при обычных условиях идет полное сгорание с образованием углекислого газа (CO2): СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О Этот процесс не является опасным, так как продукты реакции не являются токсичными. Однако в случае недостатка кислорода идут процессы с образованием более токсичного угарного газа (СО): 2СН4 + 3О2 = 2СО + 4Н2О Если кислорода еще меньше, то образуется сажа: СН4 + О2 = С + 2Н2О При низких температурах и небольшом количестве кислорода идет реакция пиролиза. Пиролиз – разложение органических соединений при высокой температуре (несколько сотен градусов) без доступа воздуха. При пиролизе происходит расщепление связей С–С, дегидрогенизация, полимеризация, изомеризация, конденсация. При пиролизе образуются полициклические ароматические углеводороды. Наиболее опасен бенз(а)пирен, вызывающий рак. Таким образом, несмотря на то, что сжигание топлива первоначально кажется безвредным, оно может привести к образованию ряда загрязняющих соединений углерода. Кроме того, загрязнение воздуха могут вызывать вещества, входящие в состав топлива. Наиболее распространенной примесью в ископаемом топливе является сера, частично представленная в виде пирита FeS2. В некоторых углях может содержаться до 6% серы, которая превращается при сжигании в сернистый газ (SO2): 4FeS2 +11О2 = 8SO2 + 2Fe2О3 Таким образом, составляющие Лондонского тумана являются первичными загрязнителями, которые образуются прямым путем при сжигании топлива. Однако присутствие SO2 и воды в воздухе приводит к растворению сернистого газа в воде, которая конденсируется вокруг частиц дыма: SO2 (г) + Н2О(ж) = Н+(водн) + НSO3–(водн) Следы металлов загрязнителей (железа, марганца) катализируют переход растворенного SO2 в серную кислоту: 2НSO3–(водн) + О2 (водн) + Катализаторы (Fe, Mn) = 2Н+(водн) + 2SO42–(водн) Серная кислота обладает большим сродством к воде, поэтому образовавшаяся капелька дополнительно адсорбирует воду. Капельки постепенно растут, и туман сгущается, достигая очень низких значений рН. Считается, что главными действующими компонентами смога является сернистый газ в сочетании с аэрозолем серной кислоты. При вдыхании такой смеси сернистый газ достигает легочных альвеол и, являясь сильным раздражителем дыхательных путей, вызывает воспалительные процессы и рост заболеваний со смертельным исходом. 38 Лондонский смог 1952 г., который начался 5 декабря и продолжался 3–4 суток погубил более 4 тыс. человек. Специалисты определили, что в этом смоге содержалось несколько сотен тонн дыма и сернистого газа. 26 октября 1948 г. г. Донору (США) окутал густой туман. Эта была такая густая смесь тумана с дымом и копотью, что из нее началось выпадение сажи. Сажа покрыла слоем дома, тротуары и мостовые. Двое суток видимость была очень плохой, жители с трудом находили дорогу домой. Врачей начали осаждать кашляющие и задыхающиеся пациенты, которые жаловались на нехватку воздуха для дыхания, насморк, резь в глазах и боль в горле, тошноту. В течение следующих четырех суток, пока сильный дождь не смыл этот опасный покров, заболели 5910 человек из 14 тыс. жителей города, 20 человек умерли. -Анджелесского типа. Переход в ХХ в. к топливам, получаемым из нефти, привел к возникновению совершенно нового вида загрязнения атмосферы, связанного с более высокой летучестью жидких топлив. Автотранспорт как важнейший потребитель жидкого топлива стал основным источником современного загрязнения воздуха. Однако загрязнители, которые действительно вызывают проблемы, сами по себе не выбрасываются автотранспортом. Они образуются в результате реакций первичных загрязнителей, таких как NO, с несгоревшим топливом, поступающим непосредственно из автомобилей. Химические реакции, приводящие к образованию вторичных загрязнителей, протекают наиболее эффективно при солнечном свете, поэтому возникающее загрязнение воздуха называется фотохимическим смогом. В цилиндрах двигателей при высоких температурах и давлениях образуются оксиды азота (NO и NO2, вместе обозначающиеся как NOx): N2 + O2 = 2NO 2NO + O2 = 2NO2 Оксид азота (IV) NO2 фотохимически активен и вызывает образование фотохимического смога, реакции в котором и производят действующие загрязняющие вещества (вторичные загрязнители). NO2 + hν → O + NO O + O2 + M → O3 + M*, где М – молекулы газов, которые поглощают избыток энергии, образующейся при реакции, тем самым происходит стабилизация молекулы озона). O3 + NO → O2 + NO2 Реакции в фотохимическом смоге приводят к образованию озона – главного индикатора фотохимического смога. Озон не выбрасывается в составе отходящих газов автомобилей, он образуется в ходе фотохимических реакций первичных загрязнителей с компонентами атмосферного воздуха и является вторичным загрязнителем. Как правило, озон не разрушается в ходе последней описанной реакции, а накапливается, поскольку присутствующие в смоге продукты неполного сгорания топлива (в качестве примера взят метан) и радикалы гидроксила направляют реакцию по пути, 39 OH• + CH4 → CH3• + H2O CH3• + O2+ М → CH3O2• + M* CH3O2• + NO → CH3O• + NO2 CH3O• + O2 → HCHO + HO2• HO2• + NO → NO2 + OH• приводящему к дальнейшему росту концентрации NO2 (следовательно, к продолжению фотохимических процессов) и образованию альдегидов, которые в ходе дальнейших реакций могут превращаться в другие раздражающие глаза вещества, например в пероксиацетилнитрат (ПАН) – CH3COO2NO2. Озон и двуокись азота затрудняют дыхание, озон и альдегиды раздражают слизистые оболочки, вызывают головную боль. Состав фотохимического смога приведен в табл. 9. Таблица 9 Концентрация загрязнителей в фотохимическом смоге 20 Концентрация, Концентрация, Загрязнитель Загрязнитель –1 млн (ppm) млн–1 (ppm) NOx 0,2 C2H4 0,5 NH3 0,02 высшие олефины 0,25 CO 40 C2H2 0,25 O3 0,5 альдегиды 0,6 CH4 2 SO2 0,2 Сравнительная характеристика смогов Лондона и Лос-Анджелеса, типичных случаев первичного и вторичного загрязнения воздуха представлена в табл. 10. Таблица 10 Сравнение смогов Лос-Анджелеса и Лондона 18 Характеристика Лос-Анджелес Лондон Температура воздуха От 24 до 32 °С От –1 до 4 °С Относительная влажность <70% 85% –1 Скорость ветра <3 м с Безветрие Видимость 0,8–16 км <30 м Месяцы наиболее частого Август-сентябрь Декабрь-январь появления Основные топлива Бензин Уголь и бензин Источники загрязнения Передвижные Стационарные Основные составляющие O3, NO, NO2, CO, Частички вещества, органические вещества СО, соединения S Тип химической реакции Окислительная Восстановительная Время максимального Полдень Раннее утро сгущения Основные воздействия на Временное Раздражение бронхов здоровье раздражение глаз Повреждающиеся материалы Резина Железо, бетон 40 3.2.3. Кислотные дожди 2, 17, 21 Кислотные дожди – атмосферные осадки, имеющие рН ниже 5 из-за повышенного содержания в воздухе промышленных выбросов, главным образом SO2, NO2, HCl и др. Сама по себе дождевая вода, образующаяся при конденсации водяного пара должна иметь нейтральную реакцию (рН = 7). Однако в воздухе присутствует углекислый газ, который растворяясь в водных каплях, образует угольную кислоту: CO2 + Н2О ↔ Н2СО3 Поэтому условия равновесия углекислого газа с влагой атмосферы определяют значение рН дождевой воды, которое составляет 5,6 для концентрации СО2 в атмосферном воздухе 0,035% и является естественным показателем чистой воды. Если рН осадков меньше 5, то осадки считаются кислыми. Они характерны для районов земного шара с высокой концентрацией промышленности. В основном, веществами, определяющими кислотные свойства осадков, являются серная и азотная кислоты. 10 апреля 1974 г. в шотландском городе Питлохри выпал дождь с рН = 2,4, такой рН имеет столовый уксус. Причиной образования кислотных осадков является антропогенная деятельность, а именно загрязнение атмосферы продуктами сгорания топлива, отходами промышленного производства, применение минеральных удобрений и пестицидов, автотранспорт определяют большие потоки первичных кислых примесей, которые вносят существенный вклад в кислотность атмосферы. Пути поступления кислотообразующих с оединений в атмосферу Естественными поставщиками сернистого газа (SO2) в атмосферу служат вулканы, а также процессы сжигания угля и других серосодержащих топлив, окисления сероводорода (Н2S) при разложении органики. Суммарное количество SO2, ежегодно поступающее в атмосферу из естественных источников, составляет в среднем 10–12 млн т. Концентрация SO2 в воздухе в значительной мере определяется характером местности, плотностью населения и уровнем урбанизации. В чистом воздухе сельской местности содержание SO2 достигает нескольких десятков мкг/м3. В воздухе над океаном оно составляет 0–4 мкг/м3, а в воздухе индустриальных центров концентрации SO2 могут быть в сотни раз выше, отмечены значения 30 ПДК в г. Норильске (поставщик – предприятия Норильск-никеля). Большое количество сернистого газа образуется при работе теплоэлектростанций, котельных и других предприятий, использующих в качестве топлива мазут и уголь. Присутствующий в вулканических газах сероводород образуется в паровой фазе при высоких температурах вулканической деятельности из сернистого газа: 2SO2 + 2H2O = 2H2S + 3O2 41 Образование сероводорода, меркаптанов может происходить в анаэробных условиях, когда отдельные виды микроорганизмов восстанавливают сульфат-ионы, входящие в состав донных отложений, в реакциях брожения: 2СН2О + SO42– = H2S + 2HCO3– Предприятия нефтепереработки и газовой промышленности в технологических процессах выбрасывают в тропосферу миллионы тонн сероводорода, меркаптанов, сероуглерода (СS2) и других серосодержащих веществ. Основным природным источником поступления оксидов азота в атмосферу является деятельность живых организмов в почве, а также химические процессы, протекающие в условиях грозы. Оксиды азота антропогенного происхождения образуются в основном в результате сгорания топлива в ходе высокотемпературных реакций атмосферного азота и кислорода. Механизмы образования кислотных дождей 21. Скорость окисления SO2 кислородом воздуха при обычных температурах атмосферы очень мала, поэтому образование оксида серы (VI) SO3 из SO2 инициируют радикалы гидроксила, концентрация которых в атмосфере достаточно велика 5·10 5 – 1·106 частиц в 1 см3. Процессы, приводящие к образованию Н2SO4 в газовой фазе, представлены следующими реакциями: НО• + SO2 = HSO3• HSO3• + O2 = SO3 + НО2• SO3 + H2O = H2SO4 Молекулы серной кислоты, появляющиеся по этому механизму в газовой фазе, в дальнейшем абсорбируются каплями воды с образованием слабокислого раствора, который выпадает в виде кислотного дождя либо нейтрализуется аммиаком или другими основными веществами и выпадает на поверхность Земли в виде соответствующих солей. Другой механизм образования серной кислоты в атмосфере связан с окислением SO2 , абсорбированного облачными каплями и находящегося в виде ионов сернистой кислоты: SO32– и НSO32–. Окислителем являются пероксид водорода и озон. Некоторые исследователи считают, что в присутствии света SO2 окисляется при наличии оксидов некоторых металлов (алюминия, кальция, железа). По-видимому, данный тип окисления связан с присутствием катализатора (соединения металлов) и достигает высокого уровня только в загрязненном воздухе. Реакции, лежащие в основе образования серной кислоты в каплях воды: НSO3– + H2O2 + H3O+ = H2SO4 + 2H2O НSO3– + O3 + H3O+ = H2SO4 + H2O + O2 НSO3– + 2FeO + O2 = HSO4– + Fe2O3 Заслуживают внимания процессы адсорбции SO2 на атмосферных частицах с последующим превращением в сульфат. Превращение в сульфат протекает быстро на щелочной пыли, не идет на нейтральной или кислой пыли, если вещество не проявляет каталитических свойств за счет присутствия в ней 42 аэрозолей солей металлов. Особую роль играет влажность, увеличение которой способствует большей степени превращения в сульфат. Рассмотренные механизмы окисления и пути вывода SO2 исходят из продолжительности пребывания его в атмосфере (2–74 дня), и при этом полагается равноценность вклада каждого механизма в итоговый результат образования кислотных дождей. Основные количества азотной кислоты в атмосфере образуются в результате взаимодействия радикала гидроксила с оксидом азота (IV) NO2: ОН• + NO2 = HNO3 Данная реакция идет в условиях светового дня, что обусловлено нахождением ОН• в атмосфере только в дневное время. Поэтому данный процесс называется «дневным» механизмом образования азотной кислоты. Альтернативным этому является «ночной» механизм получения азотной кислоты. В его основе лежит взаимодействие NO2 с озоном с образованием радикала NO3•: NO2 + O3 = NO3• + O2 NO3• + NO2 = N2O5 N2O5 + H2O = 2HNO3 Образующийся в ходе реакций радикал NO3• неустойчив и быстро разлагается под действием солнечной радиации, поэтому данный механизм в дневное время не работает. Образовавшиеся кислоты выводятся из атмосферы дождями примерно через 7 суток. Влияние кислотных осадков на природные объекты, здания, памятники и технику. Кислотные дожди наносят существенный урон объектам биосферы. Это касается в равной степени водных объектов, состояния почв, растительного и животного мира (рис. 9). 43 Рис . 9. Вредное воздействие кислотных осадков на почву и растительность Влияние на водные объекты. Вода любого пресноводного водоема чаще всего имеет щелочную реакцию – (рН от 6,5 до 8,0), так как всегда содержит катионы щелочных и щелочноземельных металлов. Они вымываются водными потоками из почвы и подстилающих горных пород, а также образуются при разложении органических остатков. Этот состав воды благоприятен для жизнедеятельности всех обитателей рек и озер от бактерий и водорослей до рыб. При систематическом выпадении кислых осадков вода первое время сохраняет слабощелочную реакцию благодаря своим естественным буферным свойствам. Однако постепенно пресноводные водоемы начинают понемногу подкисляться, что сразу же сказывается на условиях обитания всех населяющих эти воды биологических объектов – растениях, бактериях, водорослях, рыбах, земноводных и т. п. Так, при значениях рН от 6 до 5,5 быстро сокращается численность и видовое разнообразие живых существ, при снижении рН до 4,5 происходит массовая гибель рыбы и теряется способность их к размножению. При этих же значениях рН бурно развиваются кислотолюбивые мхи, грибы и нитчатые водоросли, которые заглушают всю остальную водную растительность. Нарушенное кальциевое равновесие у одних рыб затрудняет перенос ионов через жаберные мембраны, у других приводит к потере способности образовывать икру. При снижении рН ниже 4,5 рыбы в озере уже 44 не остается, наблюдается гибель лягушек, насекомых. Из силикатов и донных осадков выщелачиваются алюминий и другие металлы, которые сами по себе более опасны для окружающей биоты, чем наблюдающаяся высокая кислотность. отных дождей на растения. Вредному воздействию кислых дождей в сильной степени подвержена растительность. В Швеции в 70-х гг. прошлого столетия продуктивность лесов неуклонно падала из-за кислых осадков (примерно на 1% в год). Присутствующие в составе кислых дождей сульфит-ионы (SO32–) разрушают в значительной мере клеточные мембраны, что вызывает сбои и нарушение деятельности ряда ферментов, обеспечивающих нормальные условия существования растений. Это приводит к отмиранию целых участков листьев из-за нарушения процессов фотосинтеза. Действие кислотных дождей ярче всего проявляется в угнетении и уменьшении видового разнообразия у низших растений по сравнению с высшими. Повреждения растений кислотными дождями приведены на цветной вкладке. Кислотные дожди и п очва. Негативное влияние кислотных дождей ощущают не только пресные воды и растения, но и почвы. В них при повышении кислотности ускоряется вымывание питательных веществ – выщелачивание биогенных элементов. Ионы водорода легко вытесняют их ионы с частиц почвы и гумуса (рис. 10). Рис . 10. Кислотные осадки вымывают биогены из почвы. А. Частички гумуса и глины обычно заряжены отрицательно и удерживают такие положительные биогенные ионы, как К+, NH4+, Са2+. Сила притяжения достаточно велика, чтобы удерживать ионы, несмотря на просачивание воды. Б . Просачивающаяся кислота уносит биогенные ионы, так как их вытесняет Н+ 17 45 При повышении кислотности почв гибнут полезные микроорганизмы, в том числе азотфиксирующие: среднее число клубеньков на корнях бобовых при уменьшении рН почвенного раствора с 6,0 до 3,2 снижается почти втрое. Особенно сильное отрицательное влияние понижения рН почв наблюдается вблизи крупных промышленных центров, которое проявляется в усыхании и гибели деревьев и травяного покрова на большой территории. Воздействие кислотных дождей на строения и технику. Осадки, формирующиеся в дождевых облаках и находящиеся в контакте с атмосферой, содержащей значительное количество углекислого газа, обладают слабокислой реакцией и разрушающе действуют на строения с известковой кладкой: СаСО3 + СО2 + Н2О = Са2+ + 2НСО3– Этот эффект значительно усиливается при подкислении влаги дождевых облаков кислыми газами антропогенного происхождения при абсорбции водяными парами. Сернокислотные осадки необратимо разрушают строения на основе известняка: СаСО3 + H2SO4 = Са2+ + SO42– + СО2 + Н2О Наиболее ярко и наглядно это иллюстрируется состоянием таких исторических памятников и сооружений, как Акрополь в Афинах, Колизей в Риме, Кельнский собор и др., которые разрушаются под действием кислотных дождей. Подобное разрушающее действие атмосферных осадков с низкими значениями рН сказывается на прочностных свойствах бетона, стекол, сложных силикатов, из которых выщелачивается алюминий, входящий в состав решетки алюмосиликатного каркаса. Еще более разрушительное воздействие оказывают кислотные дожди на изделия и механизмы из металла. Жидкая пленка на поверхности металла, содержащая кислоты, является средой, в которой осуществляются процессы коррозии металла. Так, на поверхности изделий из железа при взаимодействии с влагой, содержащей серную кислоту, образуется корка гигроскопичного сульфата закисного железа (FeSO4), который на воздухе окисляется с образованием ржавчины: 2FeSO4 + Н2О + 1/2О2 = 2Fe(OH)SO4 Памятники, выполненные из бронзы, покрываются так называемой патиной, представляющей собой пористую корку из карбонатов, сульфатов, иногда из хлоридов, пропитанную водой и адсорбирующую кислые газы. Образующаяся кислота продолжает свою разрушительную работу и разъедает металл, переводя его в раствор в виде ионов. Следствием этого является нарушение целостности изделия. Разрушающее действие кислотных дождей проявляется и в ухудшении свойств многих органических материалов – кожи, бумаги, резины, тканей, ряда пластических масс. Изделия из этих веществ становятся хрупкими, теряют свою эластичность, форму. 46 3.2.4. Парниковый эффект 17–19 Парниковый эффект – эффект разогрева приземного слоя воздуха, вызванный тем, что атмосфера поглощает тепловое излучение земной поверхности, в которое превращается большая часть достигшей Земли световой энергии Солнца.Известно, как нагревается изнутри автомобиль, когда он стоит на солнце с закрытыми окнами. Причина в том, что солнечный свет (световая энергия) проникает через окна и поглощается сиденьями и другими предметами в салоне. При этом световая энергия переходит в тепловую, предметы нагреваются и выделяют тепло. В отличие от света тепло не проникает сквозь стекла наружу, т. е. улавливается внутри автомобиля. За счет этого повышается температура. То же самое происходит в парниках, откуда и произошел термин «парниковый эффект». Аналогично нагревается атмосфера Земли: свет сквозь нее проникает, а тепловое излучение поглощается парниковыми газами (СО2, Н2О, СН4 и др.). Чем выше концентрация этих газов, тем чувствительнее такой парниковый эффект. Улавливание тепла парниковыми газами . Световая энергия проникает сквозь атмосферу, поглощается поверхностью земли, преобразуется в ее тепловую энергию и выделяется в виде тепла (инфракрасного излучения). Компоненты атмосферы, молекулы которых содержат 3 и более атомов в своем составе – СО2, Н2О, СН4 и др., интенсивно поглощают тепловое излучение (излучение в инфракрасном диапазоне), на которое приходится максимальное количество энергии, излучаемой Землей. При этом они нагревается и в свою очередь нагревают атмосферу в целом. Значит, чем больше в атмосфере парниковых газов, тем больше инфракрасных лучей будет поглощено, тем теплее она станет. Парниковый эффект обеспечивает достаточно комфортные условия существования на нашей планете. Благодаря наличию парниковых газов средняя температура Земли (нижней границы тропосферы) составляет +15 °С. При отсутствии парниковых газов температура на планете была бы –18 °С. В таких условиях существование биосферы было бы невозможно. В табл. 11 приведены сведения о вкладе атмосферных газов в парниковый эффект. 47 Таблица 11 Вклад атмосферных газов в парниковый эффект № Компоненты атмосферного воздуха Увеличение температуры, п/п °С название формула 1 Пары воды Н2О 20,6 2 Углекислый газ СО2 7,2 3 Озон О3 2,4 4 Оксиды азота NxOy 1,4 5 Метан CH4 0,8 6 Другие газы 0,8 Итого 33,2 Увеличение парникового эффекта в ходе хозяйственной деятельности Основная причина возрастания парникового эффекта – использование традиционных энергоносителей в промышленности и автомобилистами. К менее очевидным причинам можно отнести вырубку лесов, переработку отходов, и добычу угля. Значительно способствуют увеличению парникового эффекта хлорфторуглеводороды, углекислый газ (СО2), метан (СН4), оксиды азота и другие газы. Однако наибольшую роль в этом процессе играет всё же углекислый газ, поскольку у него относительно длинный жизненный цикл в атмосфере и во всех странах его объёмы непрестанно возрастают. Каждый год сжигается около 2 млрд т ископаемого топлива, значит, в атмосферу попадает почти 5,5 млрд т углекислого газа. Еще приблизительно 1,7 млрд т его поступает туда же за счет сведения и выжигания тропических лесов и окисления органического вещества почвы (гумуса). В результате концентрация углекислого газа в атмосфере, составлявшая в начале XX в. около 0,029%, к настоящему времени достигла 0,035%, т. е. выросла на 20%. Чем дальше, тем быстрее это увеличение, так как растущее население планеты сжигает все больше топлива и вырубает все больше лесов. Увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере, особенно интенсивное в последние 200 лет, приводит к росту эффективности поглощения теплового излучения. В результате этого температура Земли может возрастать. К повышению температуры может привести и увеличение концентрации в тропосфере таких газов, как О3, СН4, N2О, NO2, SO2, фреонов. Эти газы, способные улавливать инфракрасное излучение и частично перекрывать «окна прозрачности» атмосферы, как и диоксид углерода, называют парниковыми газами. Если допустить сохранение существующих тенденций, к 2050 г. концентрация углекислого газа в атмосфере удвоится. В свою очередь компьютерные модели различных климатических параметров показывают, что это повлечет за собой повсеместное потепление на 1,5–4,5 °С. Вероятно, оно будет более выражено в полярных районах (до 10 °С) и менее – в экваториальных (1–2 °С). 48 На первый взгляд оно кажется умеренным. Однако рост температуры на 4,5–5,5 °С выше ее пиков, достигающих 38 °С, может оказаться катастрофическим. Более того, такое потепление вызовет таяние горных ледников и полярных льдов, достаточное для поднятия уровня мирового океана на 1,5 м. Это приведет к затоплению и гораздо большей подверженности обширных прибрежных зон влиянию штормов, т. е. заставит людей покинуть обжитые места и мигрировать в глубь суши. Влияние глобального потепления на осадки и сельское хозяйство, вероятно, окажется еще более сильным. Различная температура на полюсах и экваторе – основная движущая сила циркуляции атмосферы. Более сильное потепление на полюсах приведет к ее ослаблению. Это изменит картину циркуляции атмосферы, а значит, и распределение осадков. В некоторых районах их количество, вероятно, увеличится, в других уменьшится. 49 4. ОХРАНА АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА 4.1. Мероприятия по охране и регулированию использования воздушного бассейна В связи со значительными количествами выбросов загрязняющих веществ в атмосферу качество атмосферного воздуха, особенно в городах, резко ухудшается. Это приводит к различным неблагоприятным последствиям: увеличению заболеваемости, угнетению растительности, разрушению инженерных конструкций, объектов культуры. Это предопределяет необходимость мер по снижению и ограничению выбросов. Различают следующие группы мероприятий по охране воздушного бассейна 5: 1. Инженерно-технические и планировочные мероприятия Мероприятия по охране атмосферы можно условно разделить на консервативные и активные: – к консервативным относятся такие мероприятия, когда приемники загрязнений – реципиенты – удаляются от источников загрязнения во времени и пространстве. К ним относятся: а) создание санитарно-защитных зон – зоны особого режима природопользования с запрещением постоянного проживания людей и ограничением хозяйственной деятельности; б) озеленение территорий санитарно-защитных зон, а также городской застройки; в) строительство высоких труб, позволяющих лучше рассеивать выбросы загрязняющих веществ. Применяется в качестве исключения, так как рассеивание на значительные расстояния, не уменьшая объема выбросов, способствует загрязнению компонентов окружающей среды на больших территориях; – к активным относятся меры, направленные на ограничение, сокращение или ликвидацию выбросов: а) совершенствование технологических процессов направлено на снижение образования вредных выделений в источнике их образования либо их исключение. Особенно значительную роль играет этот способ при сжигании органических топлив. Поддержание оптимального режима горения способствует значительному сокращению выбросов окиси углерода, 3,4 бенз(а)пирена, углеводородов, экономии топлива; б) очистка выбросов – это наиболее широко применяемое мероприятие. Осуществляется путем оснащения источников выбросов газоочистным и пылеулавливающим оборудованием. В целях снижения антропогенной нагрузки на атмосферный воздух стационарные источники оснащены пылегазоулавливающими установками. 2. Меры государственного регулирования использования атмосферного воздуха: 50 – Информационные методы. К ним относятся ведение государственного учета вредных воздействий на атмосферный воздух, мониторинг атмосферы, экологическая паспортизация. – Административные меры – законодательные меры, нормирование, лицензирование экологическая экспертиза, государственный контроль и аудит. Экономические меры – установление платы за выброс ЗВ в атмосферу, величина которой зависит от токсичности и объема выброса ЗВ. Нормативное правовое регулирование по вопросам взимания платы за негативное воздействие на окружающую среду осуществляет Управление по технологическому надзору Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору по Кировской области. Управление по технологическому надзору Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору по Кировской области является специально уполномоченным органом в области охраны атмосферного воздуха, осуществляет контроль и надзор за соблюдением в пределах своей компетенции требований законодательства Российской Федерации в области охраны атмосферного воздуха; осуществляет лицензирование деятельности на выбросы и сбросы загрязняющих веществ в окружающую среду и на вредные физические воздействия на атмосферный воздух, на трансграничное перемещение озоноразрушающих веществ и содержащей их продукции; выдает разрешение на выбросы и сбросы загрязняющих веществ в окружающую среду и на вредные физические воздействия на атмосферный воздух; ведет государственный учет объектов, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду и вредное воздействие на атмосферный воздух. 4.2. Методы очистки атмосферы от примесей 3, 22, 23 Все известные методы и средства защиты атмосферы от химических примесей можно объединить в три группы: – мероприятия, направленные на снижение мощности выбросов, т. е. уменьшение количества выбрасываемого вещества в единицу времени; – мероприятия, направленные на защиту атмосферы путём обработки и нейтрализации вредных выбросов специальными системами очистки; – мероприятия по нормированию выбросов как на отдельных предприятиях и устройствах, так и в регионе в целом. 1. Мероприят ия, направленные на снижение мощности выбросов Для снижения мощности выбросов химических примесей в атмосферу широко используют: Замену менее экологичных видов топлива экологичными. Применяют топливо с низким баллом загрязнения атмосферы. При сжигании различных видов топлив такие показатели, как зольность, количество диоксида серы и оксидов азота в выбросах, могут сильно различаться между собой, поэтому введен суммарный показатель загрязнения атмосферы в баллах, который отражает степень вредного воздействия на человека. Так, для сланцев он равен 51 3,16; Подмосковного угля – 2,2; Березовского угля – 0,5; природного газа – 0,04. В Кировской области на ТЭЦ ведется замена угля на природный газ. Сжигание топлива по специальной технологии. Топливо сжигают либо в кипящем (псевдосжиженном) слое, либо используют предварительную газификацию. Для уменьшения мощности выброса серы твёрдое, порошкообразное или жидкое топливо сжигают в кипящем слое. Твёрдые частицы вдуваются в проходящие газы, где они завихряются, интенсивно перемешиваются и образуют принудительно равновесный поток, который обладает свойствами жидкости. Предварительной газификации подвергаются уголь и нефтяные топлива, но в практике чаще применяют газификацию угля. Газификация – превращение органической части твердых горючих ископаемых (уголь, торф, сланцы) в горючие газы при высокотемпературном (1000–2000 °С) взаимодействии с окислителем (кислород, вода). При газификации в газ превращаются примерно 80% горючих компонентов. Например, при газификации твёрдых горючих ископаемых часть топлива сгорает, обеспечивая весь процесс теплом: С + О2 = СО2 + 408,9 МДж/моль 2С + О2 = 2СО + 246,3 МДж/моль другая часть реагирует с СО2 и Н2О С + СО2 = 2СО – 161,5 МДж/моль С + Н2О = СО + Н2 – 136,9 МДж/моль Создание замкнутых пр оизводственных циклов является одним из перспективных способов защиты атмосферы от химических примесей. Замкнутые циклы сводят к минимуму выбрасываемые в атмосферу отходы, вторично используя их и потребляя, т. е. превращая их в новые продукты. 2. Мероприят ия, направленные на защиту атмосферы путём обработки и нейтрализации вредных выбросов специальными системами очистки По агрегатному состоянию загрязнители воздуха подразделяются на пыли, туманы и газопарообразные примеси. Показатель дисперсности пыли играет важную роль при выборе средств и устройств пылеулавливания. В зависимости от особенностей отделения твёрдых частиц от газовой фазы всё пылеулавливающее оборудование можно разделить на классы. Очистку воздуха можно проводить двумя способами: сухим и мокрым (табл. 12). Таблица 12 Классификация пылеулавливающего оборудования Сухой способ Мокрый способ Пылеосадочные камеры Форсуночные скрубберы Циклоны Скрубберы Вентури Электрофильтры Пенные аппараты 52 Методы и системы очистки от пыли . В сухих пылеуловителях взвешенные частицы отделяются от воздушного потока за счет сил тяжести, инерции или центробежных сил. В пылеосадительных камерах очистка осуществляется за счет выпадения частиц пыли под действием силы тяжести из потока воздуха. Пылеосадительные камеры используются для очистки от крупнодисперсных пылей, применяются в основном для предварительной очистки воздуха (рис. 11). Рис . 11. Пылеосадительная камера. 1 – корпус, 2 – бункер для сбора пыли Методы и системы очистки от газообразных примесей . Мето д абсорбции заключается в разделении газовоздушной смеси на составные части путём поглощения одного или нескольких газовых компонентов поглотителем (абсорбентом) с образованием раствора. Состав абсорбента выбирается из условия растворения в нём поглощаемого газа. Например, для удаления из технологических выбросов таких газов, как аммиак, хлористый водород, целесообразно применять в качестве поглотительной жидкости воду. Для улавливания водяных паров используют серную кислоту, ароматических углеводородов – вязкие масла. Очистку методом абсорбции проводят в абсорберах. В абсорберах жидкость дробится на мелкие капли для обеспечения более высокого контакта с газовой средой. В качестве насадки в абсорбере используют кольца с перфорированными стенками, изготовленными из металла, керамики, пластмассы и других материалов с максимальной коррозионной устойчивостью. Орошение колонн абсорбентом осуществляется из разбрызгивателя. Загрязнённый воздух поступает снизу верх, подвергаясь непрерывной очистке. На рис. 12 приведена схема форсуночного скруббера. 53 Рис . 12. Полый форсуночный скруббер Метод хемосорбции основан на поглощении газов и паров твердыми или жидкими поглотителями с образованием химических соединений. Реакции хемосорбции экзотермические. Например, очистка от сероводорода мышьякощелочным методом. Na4As2S5O2 + H2S = Na4As2S6O + H2O + Q Установки для хемосорбции внешне напоминают используемые при методе абсорбции. Оба эти метода называются мокрыми, и в зависимости от очищаемого компонента и применяемого растворителя или поглотителя их эффективность может достигать 75–92%. Основной недостаток состоит в том, что при их реализации понижается температура газов, что уменьшает их эффективность. Метод адсорбции основан на физических свойствах некоторых пористых материалов селективно извлекать из газовоздушной смеси отдельные её компоненты. Широко известный адсорбент с ультрамикроскопической структурой – активированный уголь. Метод адсорбции позволяет проводить очистку вредных выбросов при повышенных температурах. Адсорберы представляют собой вертикальные или горизонтальные ёмкости, заполненные адсорбентом, через который проходит поток очищаемых газов. Каталитический метод – токсичные компоненты газовоздушной смеси, взаимодействуя с катализатором, превращаются в безвредные вещества. В качестве катализаторов используются металлы и их соединения (платина, оксиды марганца, меди и др.). Катализатор в виде шаров, колец, спиральной проволоки играет роль ускорителя химического процесса. Например, система очистки выхлопных газов автомобиля – двухступенчатый каталитический нейтрализатор. Установка состоит из восстановительного (верхнего) и окислительного (нижнего) катализаторов. Отработавшие газы через патрубок поступают к восстановительному катализатору, где нейтрализуется оксид азота. 54 После восстановительного катализатора для создания окислительной среды к отработавшим газам подаётся воздух через патрубок. На окислительном катализаторе происходит нейтрализация оксида углерода и углеводородов. Представленный каталитический нейтрализатор снижает концентрацию оксида углерода в 10 раз, а углеводородов – в 8 раз. Термический метод, или высокотемпературное дожигание, который иногда называют термической нейтрализацией. Он требует поддержания высоких температур очищаемого газа и наличия достаточного количества кислорода. В термических катализаторах сжигаются углеводороды, оксид углерода, выбросы лакокрасочного производства. Эффективность этих систем очистки достигает 90–99%, температура в зоне горения 500–750 °С. Биохимические методы очистки. Для удаления неприятных запахов биологического происхождения, организации газоочистки в процессах нанесения лаковых покрытий в автомобильной промышленности и литейных цехах применяют биохимические методы. Они основаны на способности микроорганизмов разрушать и преобразовывать различные соединения. Разложение веществ происходит под действием ферментов, вырабатываемых микроорганизмами под влиянием отдельных соединений, присутствующих в очищаемых газах. Наиболее перспективна биохимическая очистка газов постоянного состава, так как при частом изменении состава газа микроорганизмы не успевают адаптироваться к новым веществам и вырабатывают недостаточное количество фермента для их разложения. В результате биологическая система будет обладать слабой разрушающей способностью по отношению к вредным компонентам газов. Высокий эффект газоочистки достигается при условии, что скорость биохимического окисления уловленных веществ больше скорости их поступления из газовой фазы. Различают две группы аппаратов биохимической очистки: 1. Биоскрубберы – абсорбционные аппараты, в которых орошающей жидкостью (абсорбентом) служит водяная суспензия активного ила. Содержащиеся в очищаемых газах вредные вещества улавливаются абсорбентом и расщепляются компонентами активного ила. Так как биохимические реакции протекают с относительно небольшой скоростью, для обеспечения высокой эффективности работы газоочистки установки требуется промежуточная ёмкость, которая может быть выполнена в виде отдельного реактора или встроена в основание абсорбера. 2. В биофильтрах очищаемый газ пропускают через слой фильтранасадки, орошаемой водой для создания необходимой влажности, достаточной для поддержания жизнедеятельности микроорганизмов. Насадкой служат природные или искусственные материалы. 55 Растения спасают от загрязнения атмосферы Растения благотворно влияют на состав атмосферного воздуха, являясь главным потребителем углекислого газа и основным производителем кислорода. В процессе фотосинтеза растения ежегодно поглощают из атмосферы 170 млрд т углекислого газа. Таинство преобразования его в органическое вещество происходит в живых клетках с помощью хлорофилла и света. Главнейшим составляющим данного процесса является фотолиз воды, в ходе которого из водной молекулы под действием энергии солнечных лучей высвобождается кислород, а водород идет на восстановление углекислоты. На образование тонны органики уходит 1,5–1,8 т углекислого газа и высвобождается 1,1–1,3 т кислорода. Растительность земного шара ежегодно усваивает около 600 млрд т углекислого газа и выделяет в атмосферу 400 млрд т кислорода. Гектар картофельного поля при благоприятных условиях усваивает ежедневно до 300 кг углекислого газа, зерновые культуры – до 100 кг. Главными производителями кислорода являются леса планеты, на их долю приходится 60% кислорода. Лесные деревья поглощают из атмосферы не только углекислоту, но и другие вредные примеси, осаждают пыль. Установлено, что каждый гектар леса в среднем очищает до 18 млн м3 воздуха. Летом зеленые древесные насаждения на площади 1 га за один час усваивают около 8 кг углекислого газа, то есть столько, сколько его выделяют 200 человек в процессе дыхания. Человек после пребывания на природе, под сенью зеленых насаждений всегда испытывает прилив физических и творческих сил. Под влиянием фитонцидов, физиологически активных веществ, вырабатываемых растениями и убивающих вредные микробы, и ультрафиолетовых лучей кислород ионизируется, приобретает отрицательный заряд, становится химически и биологически более активным. На озелененных участках плотность кислорода в воздухе на 3...5,5% выше, чем на открытой местности. Защитные посадки растений снижают запыленность атмосферы (рис. 13). Растения задерживают твердые взвешенные частицы и очищают атмосферный воздух, выступая в качестве «зеленых фильтров». Посадка деревьев в городах позволяет улучшить качество атмосферного воздуха вблизи дорог. Среди разнообразных пород деревьев, используемых для озеленения городов, особыми свойствами отличается каштан. Одно взрослое дерево каштана очищает от поступающих выхлопных газов пространство объемом до 20 тыс. м3. При этом, в отличие от многих других деревьев, каштан разлагает ядовитые вещества почти без ущерба для своего здоровья. 56 Рис . 13. Задержка пыли растениями при загущенной (а) и разреженной (б) посадках Устойчив к загрязнению воздуха и тополь. По количеству поглощаемого углекислого газа и выделяемого кислорода 25-летний тополь превосходит ель в 7 раз, а по степени увлажнения воздуха – почти в 10 раз. Так что для оздоровления воздуха вместо семи елей (трех лип или четырех сосен) можно посадить один тополь, который к тому же хорошо улавливает пыль. Листва деревьев активно улавливает пыль и снижает концентрацию вредных газов, причем эти свойства у разных пород проявляются в разной степени. Хорошо задерживает пыль листва вяза и сирени (лучше, чем листья тополя). Так, посадка из 400 молодых тополей за летний сезон улавливает до 340 кг пыли, а вяза – в 6 раз больше. Акация, неприхотливый быстрорастущий шиповник и ряд других растений тоже обладают подобными свойствами. В жаркий летний день над нагретым асфальтом и раскаленными железными крышами домов образуются восходящие потоки горячего воздуха, увлекающие с собой мельчайшие частицы пыли, которые долго держатся в воздухе. В то же время над парком, расположенным где-нибудь в центре города, возникают нисходящие потоки воздуха, потому что поверхность листьев значительно прохладнее асфальта и железа. Пыль, увлекаемая этими нисходящими потоками, оседает на листьях деревьев парка. Один гектар насаждений деревьев хвойных пород задерживает за год до 40 т пыли, а лиственных – около 100 т. 57 4.3. Озеленение дорог 24, 25 Защитные полосы лесов вдоль автомобильных дорог предназначены для защиты от снежных и песчаных заносов, селей, лавин, оползней, обвалов, ветровой и водной эрозии прилегающих к дорогам земель, снижения уровня шума, выполнения санитарно-гигиенических и эстетических функций, ограждения движущихся транспортных средств от неблагоприятных аэродинамических воздействий. Ширина защитных полос лесов вдоль автомобильных дорог должна составлять не менее 250 м с каждой стороны дороги. Ширину защитных полос исчисляют от границы полосы отвода земель, но не менее 15 м от оси дороги. Внешние границы защитных полос лесов вдоль дорог должны быть ограждены водными объектами, складками рельефа и другими естественными рубежами, каналами, просеками и т. д. Придорожные насаждения способствуют также сохранению устойчивости откосов, защите дороги от отработавших газов и света фар автомобилей. Впитавшуюся в грунт воду могут «перекачивать» в атмосферу деревья влаголюбивых пород (ива, тополь, лиственница и береза). За год 1 га леса испаряет в атмосферу 1–3,5 млн кг влаги, что составляет от 20 до 70% атмосферных осадков. Грунт с растительным покровом теряет за счет испарений на 10–30% больше влаги, чем без покрова. Асфальтобетонные покрытия дорог сильно нагреваются и медленно остывают, длительное время поддерживая высокую температуру окружающего воздуха. Деревья нагреваются незначительно, так как часть солнечной радиации отражает поверхность крон. Ослабляя летнюю жару, зеленые насаждения одновременно увеличивают относительную влажность воздуха, примерно на 15–30%. Такой воздух более пригоден для дыхания людей, а увеличение влажности воспринимается как понижение температуры воздуха. Растения не только производят кислород – они играют важную роль в очистке воздуха от твердых частиц, которые осаждаются на листьях под действием силы тяжести, ветра и атмосферных осадков. В течение вегетационного периода содержание осевших на листьях частиц алюминия, железа, марганца и свинца у дорог весной и летом увеличивается, а затем под действием ветра и осадков снижается, переходя в почву. Устойчивые против воздействия газа и солей дикие розы (шиповник) предохраняют грунт от оползания на крутых склонах, обладают почвозащитными свойствами, являются хорошим убежищем для птиц и мелких зверей, ценны для пчел. Эти качества учитываются при выборе растений для узких разделительных полос, посадок на транспортных развязках, на островах пересечений и примыканий. Растения подбирают исходя из местных условий таким образом, чтобы они не выпадали из общего природного ассортимента зоны. Практически всегда мы имеем три основных зеленых яруса; травяной покров, кустарник, деревья. Поэтому следует по возможности максимально использовать все три яруса. 58 Поперечный профиль защитной полосы должен иметь форму треугольника с более пологой стороной, обращенной к источнику загрязнения (т. е. к проезжей части дороги). В конструкции зеленых насаждений одна или две породы деревьев являются основными, образующими костяк полосы и ее верхний ярус. Остальные дополнительные породы обеспечивают быстрый рост основных пород путем затемнения почвы, образуя нижний ярус. Пространственная конфигурация защитных насаждений оказывает определенное влияние и на степень снижения шума лесополосой. Максимальное снижение шума дает шахматная посадка деревьев, обеспечивающая фронтальную сомкнутость лесополосы. Улучшить ситуацию помогает создание газонов между полотном дороги и тротуарами, так как они меньше отражают звук, чем асфальтобетон и открытый грунт. При правильной посадке шумозащитная способность деревьев проявляется и зимой за счет сохранения снега на ветвях. Хорошо поглощает шум вертикальное озеленение зданий, которое сокращает поверхность отражения звука, одновременно увеличивая звукопоглощение стен в 6–7 раз. В результате неправильной планировки зеленых насаждений (отсутствия нормальной освещенности) может происходить деформация кроны и стволов деревьев (при затенении улиц домами в районах с многоэтажной тесной застройкой). Мало света достается растениям и на теневой стороне улиц, идущих в широтном направлении (с запада на восток). При высаживании зеленых насаждений максимально допустимое расстояние от здания до линии посадки должно составлять не менее 1,5 м для кустарников и 5 м для деревьев; высокорастущие деревья и густые кустарники должны обеспечивать оптимальный инсоляционный режим придомового пространства. Так же как и любой строительный материал, «зеленый материал» обладает собственными неповторимыми качествами. Форма кроны, высота ствола, окраска листвы и коры, плотность кроны – все эти характеристики прямо связаны с декоративными свойствами зеленых насаждений и влияют на их подбор при архитектурно-ландшафтной организации. Эти особенности сказываются на композиционных построениях групп озеленения. Предпочтительны группы с контрастными визуальными свойствами деревьев и кустарников: по высоте, форме кроны, окраске и т. д. Наиболее простой способ – применение смешанных групп с хвойными и лиственными породами, которые сами по себе обладают контрастными внешними признаками. Включение в группы вечнозеленых растений обогащает их восприятие в зимнее время года. Кроме внешних декоративных свойств, при подборе пород озеленения в дорожной среде имеет значение такое свойство, как газоустойчивость дерева или кустарника. Практически породы деревьев и кустарников подбирают, используя специальную литературу по озеленению. Во всех случаях целесообразно создавать композиционные формы, приближающиеся к естественным. Исключается посадка в виде геометрических фигур, равномерных рядов с постоянным ритмом, симметричными линиями и группами. Посадки должны создавать ощущение природных групп, 59 характерных для пейзажных качеств данного места. Отдельные деревья или небольшие группы малоприемлемы, так как при динамичном восприятии они будут играть незначительную роль, и создавать эффект «дробления» ландшафта. Целесообразны протяженные (40–50 м и более) плотные группы с выраженной ярусностью. При прохождении дороги непосредственно по лесному участку, если требуются дополнительные посадки, следует использовать только породы, встречающиеся в данном лесу. Компоновка таких групп должна быть увязана с общей композицией лесного ландшафта. Компоновка групп озеленения в качестве пространственных акцентов допускает использование более выразительных форм (например, чередование деревьев с шаровидной и конусовидной кронами), растений ярких декоративных свойств (например, таких кустарников, как можжевельник казацкий, калина обыкновенная и др.). Здесь мы исходим не из принципа «пейзажной» реконструкции, а пользуемся приемом «зеленого строительства», когда не воспроизводится утраченный придорожный ландшафт, а компонуется новый искусственный ландшафт с использованием природных материалов. 4.4. Циркуляция атмосферного воздуха и международный характер его защиты 26 Как особое направление охрана атмосферного воздуха началась в 70-е гг. XX в. До этого международно-правовое регулирование отношений государств по поводу трансграничного загрязнения атмосферного воздуха основывалось на международном обычае и ряде судебных прецедентов, а также внесудебной практике государств при решении конкретных спорных ситуаций. Принцип непричинения ущерба окружающей среде другого государства был впервые применен в конце XIX в. в отношении трансграничного загрязнения воздуха международным арбитражем при решении спора между США и Канадой, который возник в результате деятельности канадской плавильной компании, расположенной в г. Трейле (Британская Колумбия), недалеко от границы с США. Со времени сооружения завода в 1896 г. американские фермеры штата Вашингтон несли существенные убытки в результате выброса в воздух канадскими заводами дыма и копоти, содержащих значительное количество двуокиси серы. Так, в 1903 г. эти выбросы достигали 10 тыс. т ежемесячно. По мере расширения масштабов производства увеличивался и объем загрязнения воздуха. Конфликт затянулся. Начиная с 1925 г. ущерб посевам и лесам в штате Вашингтон стал настолько серьезным, что спор, который на начальном этапе пытались решить с использованием местных средств правовой защиты, был перенесен на уровень межгосударственных отношений. В 1935 г. между США и Канадой было подписано соглашение, предусматривающее создание международного арбитража для установления размера ущерба и суммы компенсации, а также решения вопроса о будущем режиме деятельности компании. 60 В своем решении от 11 марта 1941 г. арбитраж постановил, что в соответствии с принципами международного права ни одно государство не должно использовать свою территорию или разрешать ее использование таким образом, чтобы это причиняло ущерб дымом территории другого государства, или собственности, или лицам на ней. Определяющую роль в международном праве и в правовой охране атмосферного воздуха сыграла Организация Объединенных Наций. В системе ООН с 1947 г. действует Всемирная метеорологическая организация, ее членами являются 183 государства и 6 территорий. Высший орган ВМО – Всемирный метеорологический конгресс, созываемый раз в 4 года. Постоянно действующий Секретариат ВМО находится в Женеве (Швейцария). Авторитет гидрометеорологической службы России и ее вклад в деятельность международного метеорологического сообщества велики. Признанием этого является вторичное избрание в 2007 г. Александра Ивановича Бедрицкого президентом ВМО на второй четырехлетний срок. Международные усилия по защите атмосферного воздуха предпринимаются как в рамках ООН, так и Европейского Союза. Объединенная Европа также создает институты в области охраны окружающей среды. Да и в усилиях ООН по вопросам правовой охраны атмосферного воздуха в настоящее время решающая роль принадлежит странам Европейского Союза. Со времени подписания Маастрихтского договора в 1992 г. Евросоюз постепенно превращается также и в «экологический союз». Государства-члены ЕС обязаны интегрировать задачи охраны окружающей среды в нормативноправовые акты, действующие во всех сферах политики. ЕС принимает многочисленные директивы об охране окружающей среды, которые его государства-члены должны инкорпорировать в национальное право. Экологические проблемы объединенной Европы исследует и решает Европейское агентство по окружающей среде. Ко второй половине 1970-х гг. развитые страны сумели приостановить нарастание экологической опасности на своей территории и хотя в мировом масштабе проблема далека от своего разрешения, на территории постиндустриальных государств исторический перелом можно считать свершившимся. Правда, иногда они решают эти проблемы путем вывода экологически вредных предприятий за свои пределы, перекладывая таким образом вредное воздействие на окружающую среду других стран. Некоторые исследователи считают, что исторически международноправовое регулирование охраны атмосферы началось с мер по предотвращению радиоактивного заражения в результате использования атомной энергии, в первую очередь, в военных целях. Однако правовое регулирование в этой области представляет совершенно особое направление. Особенности циркуляции атмосферы и природные особенности России обусловливают ее положительную роль в мировой экологической ситуации. Территория нашей страны является своего рода фильтром, через который механизм общей циркуляции атмосферы «прогоняет» воздушные массы. Если такие природные ресурсы, как нефть и газ, различные страны у нас покупают за 61 деньги, то пользование некоторыми природными ресурсами происходит совершенно бесплатно. Наши леса называют «легкими планеты». Например, на территории РФ проходит очистку поступающий с западным переносом умеренных широт атмосферный воздух из европейских стран, где антропогенные выбросы парниковых газов превышают возможности их природной очистки над собственными территориями. И в мире таких стран большинство, исключение составляют лишь Россия, Бразилия, Австралия и Канада. В климатической доктрине Российской Федерации, утвержденной Президентом РФ 17 декабря 2009 г., подчеркивается необходимость учета изменений климата в качестве одного из ключевых долговременных факторов безопасности нашей страны. Проблема глобального изменения климата в ее национальном и международном измерениях выдвигается в число приоритетов политики РФ. В связи с этим Росгидромет при участии Минобрнауки РФ, Российской академии наук, Минэкономразвития РФ, МЧС и других заинтересованных органов государственной власти разработал комплексный план научных исследований погоды и климата до 2020 г. Циркуляция атмосферы «вынуждает» страны с разным уровнем развития, с разным общественным устройством, с разными цивилизационными подходами находить общий язык и сотрудничать в деле защиты атмосферного воздуха и предотвращения изменений климата. Задача защиты атмосферного воздуха не может решаться изолированно от задачи обеспечения мира и международной безопасности. 62 5. ЭКОЛОГИЯ АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА 5.1. Автотранспортная нагрузка на окружающую среду Сохранение здоровья человека – одна из основных задач, возникших в результате загрязнения окружающей среды. Специалисты-экологи, оценивая степень влияния различных факторов на здоровье людей, на первое место ставят загрязнение воздушного бассейна. Жизнь на Земле возможна до тех пор, пока существует земная атмосфера, защищающая живые организмы от вредного воздействия космических излучений и резких колебаний температуры. Атмосферным воздухом дышат все аэробные организмы. Например, если без пищи человек может прожить несколько недель, без воды – несколько суток, то без воздуха – всего четыре-пять минут. Несмотря на это, атмосфера подвергается огромному антропогенному влиянию. Человек портит то, что является для него жизненно необходимым, не думая о последствиях. Развитие городского транспорта, промышленности и других видов антропогенного воздействия ведет к загрязнению атмосферного воздуха. Автотранспорт является одним из основных загрязнителей воздуха. Высокий уровень загрязнения атмосферного воздуха пылью, СО, NO2, формальдегидом практически во всех городах обусловлен в первую очередь приоритетным влиянием передвижных источников (70–80% загрязнения происходит за счет выбросов от автотранспорта). Такая огромная роль автотранспорта в загрязнении атмосферного воздуха может стать главным аргументом в выборе объекта исследований. В выхлопных (отработанных) газах двигателей содержится более 200 химических соединений и элементов; наибольший вклад в структуру загрязняющих веществ вносят оксиды углерода и азота, углеводороды, сернистые соединения, сажа [27]. По данным ГИБДД Кировской области, на 01.01.2011 г. в области на учете состояло 323,47 тыс. единиц автотранспорта, из которых 91,0 тыс. автомобилей принадлежит индивидуальным владельцам. Из общего числа автомобилей 5,7% – дизельные. От всех автомобилей в 2010 г. в атмосферный воздух выброшено 151,19 тыс. т загрязняющих веществ [6]. Автотранспортная нагрузка и расчет количества выбросов вредных веществ, поступающих от автотранспорта в атмосферу, могут быть определены расчетным путем по методике С.В. Алексеева [28]. 63 5.2. Методика определения автотранспортной нагрузки и расчетной оценки количества выбросов вредных веществ в воздух от автотранспорта Автотранспорт является одним из основных загрязнителей атмосферы оксидами азота NOx (смесью оксидов азота NO и NO2), угарным газом (оксидом углерода (II) CO) и углеводородами (от С5 до С11, для расчета берется пентан), содержащихся в выхлопных газах. Доля транспортного загрязнения воздуха составляет более 60% по CO и более 50% по NOx от общего загрязнения атмосферы этими газами. Повышенное содержание CO и NOx можно обнаружить в выхлопных газах неотрегулированного двигателя, а также двигателя в режиме прогрева. Выбросы вредных веществ от автотранспорта характеризуются количеством основных загрязнителей воздуха, попадающих в атмосферу из выхлопных (отработанных) газов, за определенный промежуток времени. К выбрасываемым вредным веществам относятся угарный газ (концентрация в выхлопных газах 0,3–10% об.), углеводороды – несгоревшее топливо (до 3% об.) и оксиды азота (до 0,8% об.), сажа. Количество выбросов вредных веществ, поступающих в атмосферу, может быть оценено расчетным методом. Исходными данными для расчета количества выбросов являются: количество единиц автотранспорта разных типов (рис. 14), проезжающих по выделенному участку автотрассы в единицу времени; нормы расхода топлива автотранспортом (средние нормы расхода топлива автотранспортом при движении в условиях города приведены в табл. 13); Таблица 13 Нормы расхода топлива автотранспортом Средние нормы Удельный расход Тип транспорта расхода топлива, топлива Yi, л/км л/100км Легковой автомобиль 11–13 0,11–0,13 Грузовой автомобиль 29–33 0,29–0,33 Автобус 41–44 0,41–0,44 Дизельный грузовой автомобиль 31–34 0,31–0,34 Значения эмпирических коэффициентов, определяющих выброс вредных веществ от автотранспорта в зависимости от вида горючего (табл. 14). Таблица 14 Значения коэффициентов в зависимости от вида топлива Значение коэффициента К Вид топлива Угарный газ Углеводороды Диоксид азота Бензин 0,6 0,1 0,04 Дизельное топливо 0,1 0,03 0,04 64 Коэффициент К численно равен количеству вредных выбросов соответствующего компонента при сгорании в двигателе автомашины количества топлива (также в литрах), необходимого для проезда 1 км (т. е. равного удельному расходу). ГАЗ Ml – ГР УЗ ОВ Ы Е АВ Т О МОБ И ЛИ С Б ЕНЗ ИН О В ЫМ И ДВ ИГ АТ Е Л ЯМ И М2 – ГР УЗОВ ЫЕ АВ Т О МОБ И ЛИ С Д ИЗЕ ЛЬ Н ЫМ И Д В И Г АТ ЕЛ Я МИ М 3 – ГР УЗ ОВ ЫЕ АВ Т ОМОБИ Л И С Г АЗ ОВ ЫМ И ДВ И Г АТ ЕЛЯ МИ. Автомобили этой группы легко узнать по газовым баллонам, расположенным, как правило, внизу между кузовом и кабиной. Часто эти баллоны окрашены в голубой цвет. М4 – АВ Т ОБ У С Ы С БЕ НЗИ НОВ Ы МИ ДВ ИГ А Т ЕЛЯ МИ К этой группе относятся почти все отечественные автобусы, такие как КаВЗ (с "носиком"), ПАЗ, ЛАЗ, ПАЗ М5 – АВТОБУСЫ С ДИЗЕЛЬНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ К автобусам этой группы относятся всем известные "Икарусы" – рейсовые и экскурсионные. М6 – МИКР О АВ Т ОБУ С Ы Машины скорой помощи, милиции, "рафики". М7 – ЛЕГ КОВ ЫЕ М АШ ИН Ы Все легковые машины – отечественные и зарубежные. Рис . 14. Группы автомобилей Для определения автотранспортной нагрузки необходимо оборудование: пишущие принадлежности, микрокалькулятор. 65 Этапы работы: 1. Выберите участок автотрассы длиной 0,5–1 км, имеющий хороший обзор. 2. Измерьте шагами длину участка (l м), предварительно определив среднюю длину своего шага. 3. Определите количество единиц автотранспорта, проходящего по участку в какой-либо период времени в течение 20 минут (подсчет транспорта следует проводить в присутствии учителя, находясь на удалении от транспорта). При этом заполняйте табл. 15 (для примера в табл. 15 заполнена первая строка). Таблица 15 Количество единиц автотранспорта, проходящего по участку Тип Всего за 20 За 1 час, Общий путь за Количество, шт. транспорта минут Np, шт. 1 час, L, км Легковой 11111111111111 14 42 автомобиль Грузовой автомобиль Автобус Дизельный грузовой автомобиль Количество единиц автотранспорта за 1 час рассчитывают, умножая на 3 количество, полученное за 20 минут. Общий путь, пройденный выявленным количеством автомобилей каждого типа за 1 час (L, км), рассчитывают по формуле: Li = Ni l , где Ni – количество автомобилей каждого типа за 1 час; i – обозначение типа транспорта; l – длина участка, км. Полученный результат заносят в табл. 15. Количество топлива (Qi, л) разного вида, сжигаемого при этом двигателями автомашин, рассчитывают по формуле: Qi = Li Yi , Значение Yi возьмите из табл. 13. Полученный результат занесите в табл. 16. Определите общее количество сожженного топлива каждого вида (∑Q) и занесите результат в табл. 16. 66 Таблица 16 Общее количество сожженного топлива Qр, в том числе Тип автомобиля Ni Бензин Дизельное топливо Легковой автомобиль Грузовой автомобиль Автобус Дизельный грузовой автомобиль Всего: ∑Q Рассчитывается количество выделившихся вредных веществ в литрах при нормальных условиях по каждому виду топлива и всего по табл. 17. Таблица 17 Количество выделившихся вредных веществ в литрах при нормальных условиях по каждому виду топлива Количество вредных веществ Вид топлива ∑Q, л Угарный газ Углеводороды Диоксид азота Бензин Дизельное топливо Всего: V, л Массу выделившихся вредных веществ (m, г) рассчитывают по формуле: m = VM/22,4; где М – молярная масса вредного вещества (для углеводородов берется молярная масса пентана – С5Н10). Далее с учетом предельно допустимых выбросов (ПДВ) загрязняющих веществ рассчитывается количество воздуха, необходимое для разбавления выделившихся вредных веществ для обеспечения санитарно-допустимых условий окружающей среды. Результаты запишите в табл. 18. Таблица 18 Количество воздуха, необходимого для разбавления вредных веществ Вид вредного Количество, Количество воздуха Значение Масса, г 3 вещества л для разбавления, м ПДВ, мг/м3 Угарный газ 3,0 Углеводороды 25 Диоксид азота 0,04 Полученные результаты сопоставьте с количеством выбросов вредных веществ, производимых находящимися в вашем районе предприятиями. Данные можно взять в ежегодно издаваемых Региональных докладах по охране окружающей среды Кировской области. При проведении мониторинга можно 67 использовать только данные по автотранспортной нагрузке и превышении ее по сравнению с улицами, где нагрузка машин не превышает 200 в час (цифра взята на основе данных многолетних исследований с учетом экологического состояния улиц). 5.3. Задания для расчета автотранспортной нагрузки 29 Задание 1 Подсчитать количество машин, проезжающих в час по двум улицам города с разной интенсивностью движения автотранспорта, поделив их на следующие типы: легковые, грузовые, автобусы, работающие на бензине, автобусы, работающие на газе. Подсчет проводить два раза в день: с 10 до 11 часов (время затишья), и с 17 до 18 часов (час пик). Оформить результаты в виде таблицы: Тип автомобиля Грузовые автомобили Легковые автомобили Автобусы с бензиновым двигателем Автобусы, работающие на газе Название улицы m 89 24,7 n M n M 82,6 25 Всего Всего Формула: M = m n, Где M – масса угарного газа, выбрасываемого автомобилями определенного типа на протяжении одного километра пути; m – количество угарного газа, выбрасываемого одним автомобилем определенного типа, в граммах на километр; n – среднее количество автомобилей определенного типа, проехавших мимо наблюдателя за один час. Задание 2 Используя данные таблицы, нарисовать сравнительные диаграммы. Задание 3 Произведите расчеты, ответьте на вопросы: 1. На какой из обследованных улиц состояние воздушной среды более благополучно? Объясните почему? 2. Во сколько раз выброс угарного газа на одной улице больше, чем на другой? 3. Если модернизировать все автобусы, работающие на бензине, и перевести их на сжатый газ, то во сколько раз уменьшится выброс угарного газа на каждой улице? 68 4. Предположим, что весь автотранспорт перевели на газ, и любой тип автомобиля выбрасывает в среднем 25 г/км угарного газа. Как изменится состояние воздушной среды? Рассмотрите на примере наиболее загрязненной улицы. Составьте сравнительную диаграмму. Сделайте выводы об использовании сжатого газа в виде топлива и внесите свои предложения по экологизации автотранспорта. 69 6. МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ В ПОМОЩЬ УЧИТЕЛЮ 6.1. Цикл занятий «Берегите чистый воздух» 30 Конспект из цикла занятий по экологическим проблемам города Берегите чистый воздух (№ 1) Программное содержание. Объяснить детям необходимость бережного отношения к первозданной чистоте природы ради блага всего живого на Земле. Привлечь внимание к тому, что хозяйственная деятельность людей влияет на качество воздуха. Показать, что природа – основной источник здоровья и благополучия людей. Воспитывать интерес и бережное, заботливое отношение к природе. Материал к занятию: модель глобуса, карточки-символы для обозначения экологических проблем мира. Фотографии с изображением дыма из труб фабрик и заводов. ХОД ЗАНЯТИЯ Дети сидят на стульчиках. Воспитатель читает отрывок из стихотворения С. Викулова: Три клада у природы есть: Вода, земля и воздух – Три ее основы. Какая бы не грянула беда – Целы они – Все возродится снова! Ребята, про какие три клада природы говорится в этом стихотворении? Подумайте, если бы хоть один клад нарушен, например ВОЗДУХ, была бы возможна жизнь на Земле? Почему? Кому нужен воздух? Воспитатель обобщает: Действительно, без воды, почвы, воздуха жизнь на Земле невозможна. Трудно представить, если все вдруг совершенно исчезло, как, например, случилось с некоторыми видами растений и животных. Но нужно всем помнить, что вода, почва и воздух могут менять свое качество. Люди в результате своей производственной деятельности способны сильно ухудшить состояние всех этих важнейших составных природы. Сегодня я хочу обратить ваше внимание на воздух, на его состояние, приносимую пользу и на опасность, которая ему грозит. Скажите, для чего нужен воздух? Кому он необходим? Конечно, всему живому необходимо дышать, даже рыбам, всегда находящимся в воде, даже растениям, и мы это знаем из проведенного опыта. А уж человеку чистый воздух просто необходим! Так что же происходит с нашим воздухом? Достаточно ли он чистый, чтобы им можно было дышать, не опасаясь нанести себе вред? Что же происходит с нашей большой и красивой планетой? Сейчас я быстро раскручу глобус, а вы скажете, какого цвета она вам показалась. ГОЛУБОГО. Ребята, наша планета очень большая, а откуда можно сделать 70 фотографию, чтобы было ее видно всю? Из космоса. Я предлагаю вам посмотреть в видеофильме вид нашей планеты из космоса (просмотр). Правда, очень красива наша Земля? Я с вами согласна. А вы помните, кто первым в мире полетел в космос? Конечно, Ю. А. Гагарин. Он был самым первым человеком, кто увидел нашу Землю из космоса. Он назвал нашу планету «голубой». Но прошло немного времени и наша планета далеко не везде голубого цвета. Например: над Японией она серого цвета от дымки промышленных отходов, Африка видится теперь в коричневом цвете, так как земля высохла от засухи без дождей. Настоящая голубизна сохранилась только над Индийским океаном, где воздух пока еще чист. Весь рассказ сопровождается показом на карте или глобусе. Так что же влияет на загрязнение воздуха? Как вы думаете? (Ответы детей.) Воспитатель подводит итог: К сожалению, люди не всегда задумываются о том, как они поступают, часто заботятся лишь о своей выгоде, не думая, что природа когда-нибудь повернется с угрозой к человеку. Множество заводов и предприятий загрязняют своими выбросами воздух. Как вы думаете, куда попадают все выхлопные газы и сажа, которые вылетают из труб заводов и фабрик? (Ответы детей.) А что может произойти, если люди будут дышать этим загрязненным воздухом? (Ответы детей.) Правильно, эти частицы гари и копоти оседают на наших легких (показ иллюстрации). Легкие начинают плохо работать, и человек заболевает. А кроме человека, кто еще страдает от загрязненного воздуха? Верно, и животные и растения. Если рассмотреть листья деревьев и кустарников вблизи заводов, что можно увидеть на них, как вы думаете? (Ответы детей.) Да, верно, часто на листьях деревьев и кустарников видим черный налет, сажу. В результате деревья уже не могут дышать и очищать воздух. Посмотрите вот на эту фотографию (показ). Видите, из этих огромных труб выходит много дыма, который несет с собой вред всему живому. А у нас в городе вы когда-нибудь видели такие трубы? Конечно, и в нашем городе также загрязняется воздух. Что же делать? Есть ли какой-то выход? (Предположения.) Конечно, ребята, прежде чем выпускать такой дым, он должен пройти через фильтры, которые задержат вредные вещества. Такие фильтры есть, но они недостаточно хорошо очищают дым. Иногда они уже устарели или сломались, а руководители не хотят их заменить, так как это требует много денег. Что же вы можете посоветовать таким руководителям? (Выводы детей.) Конечно, надо напомнить всем, что они вредят и себе, и природе, страдают все. Необходимо чаще задумываться о последствиях своей деятельности. Можно, например, использовать на предприятиях такие материалы, которые как можно меньше вредили бы воздуху. Это мы поговорили о влиянии заводов и фабрик. А если взять каждого человека в отдельности, всегда ли мы правильно поступаем, думаем о чистоте воздуха? Выхлопные газы не только от заводов и фабрик загрязняют воздух. А как вы думаете, откуда еще они появляются? (Предположения детей.) 71 Действительно, в нашем городе очень много личных автомобилей, выхлопные газы которых очень загрязняют воздух. А можно ли совсем обойтись без машин? Конечно, обойтись без машин нельзя, но поменьше их использовать можно. Часто можно увидеть людей, которые живут рядом с магазином, а едут туда на машине, хотя можно было пройтись пешком. А вот так решили эту проблему люди, живущие в одном небольшом городе в Германии. Люди любят свой город и свое здоровье, и поэтому их автомобили чаще стоят в гаражах, а все ездят на велосипедах. В каждой семье есть несколько велосипедов, и никто не поедет на машине, если можно ехать на велосипеде. И от этого чище городской воздух, а здоровье у людей крепче. Как вы думаете, это хорошее решение? Можно это посоветовать людям? (Ответы детей.) Все вы знаете такой вид транспорта, как троллейбусы. Что это за транспорт? Вы правы. Он использует электроэнергию, и поэтому выхлопные газы не загрязняют воздух. Можно ли сделать такой транспорт у нас в городе? Конечно, если этого захотят руководители нашего города. Как вы думаете, могло бы это сохранить чистый воздух? Подводя итог, воспитатель спрашивает, о чем дети узнали и какие сделали для себя выводы. Ребята, мне бы очень хотелось, чтобы вы поговорили со своими родителями о том, что в домашних условиях вредно влияет на чистоту воздуха. На следующем занятии мы поделимся своими размышлениями и подумаем, что мы сможем сделать, чтобы сохранить воздух чистым. Конспект из цикла занятий по экологическим проблемам города Берегите чистый воздух (№ 2) Как мы можем помочь сохранить чистый воздух? Программное содержание. Показать детям, что каждый человек в отдельности может как помочь природе, так и навредить ей. Уточнить предметы обихода, пагубно влияющие на состояние воздуха. Развивать у детей мыслительные операции, умение делать умозаключения. Воспитывать бережное отношение к природе, вызвать желание участвовать в природоохранной деятельности. Материал к занятию: фотоматериалы, материал для рисования. ХОД ЗАНЯТИЯ Ребята, на прошлом занятии мы с вами договорились, что вы дома узнаете у родителей, какие вредные для воздуха предметы есть в нашем хозяйстве. Что вы можете нам рассказать? (Дети высказываются, что им рассказали родители, воспитатель, подводя итог, обобщает полученные знания.) Посмотрите на эту фотографию. Чем заняты люди? Что они делают? Курят. Кому они вредят? Да, верно. Конечно, курить – здоровью вредить. Но только ли сами себе вредят люди, которые курят? Верно, дым от сигарет загрязняет воздух. Что вы пожелаете нашим людям? (Ответы детей.) А сейчас я покажу вам эти предметы. Что это? Верно, это пустые баллончики от дезодорантов. Зачем они нужны людям? Как вы думаете, вредят 72 ли они воздуху? (Ответы детей.) Оказывается, они тоже вредят воздуху. В их состав входят очень вредные вещества, которые, попадая в атмосферу, разрушают защитный слой, его называют озоновый слой. Вы, наверное, слышали это название. Это специальная оболочка, которая не пропускает вредную энергию от других планет и от Солнца на Землю. Поэтому люди, зная об этом, создают новые вещества, которые не вредили бы воздуху. И теперь на таких баллончиках есть специальный знак, вот посмотрите (показ), который говорит о том, что этот состав не вредит озоновому слою. Как вы думаете, как мы можем помочь сохранить чистый воздух, не разрушая защитный озоновый слой? (Высказывания детей.) Верно, мы можем пользоваться только теми предметами, которые не вредят воздуху. Так как вы считаете, каждый человек в отдельности может помочь природе? (Ответы детей.) Таким образом, наша жизнь на Земле зависит прежде всего от воздуха, которым мы дышим, пищи, которую мы едим, и воды, которую мы пьем. Но эти жизненно важные природные ресурсы безжалостно загрязняются или растрачиваются самим человеком. В некоторых странах загрязнение воздуха уже угрожает жизни людей. Но сейчас много людей хорошо знают, что наша Земля истощается и отравляется, и понимают, что нужно что-то с этим делать. Поэтому сейчас есть специальные организации охраны природы, которые стараются предотвратить страшную угрозу. Да и мы с вами очень хорошо делаем, когда изучаем природу, не губим ее и помогаем, как можем, сажая деревья, очищая от мусора поляны в лесу и т. д. Поэтому люди ввели специальные символы, обозначения природной беды (показ). Давайте рассмотрим их. Некоторые нам уже известны, а с некоторыми мы познакомимся позже. Ребята, как мы можем своими силами обратиться к людям с просьбой о более разумном отношении к природным богатствам? С помощью рисунков, писем и т. д. Попробуйте изобразить на рисунке необходимость охраны воздуха, что вы предложите людям сделать для нашей общей пользы. Изготовление плакатов, написание писем. 6.2. Методики определения показателей экологического состояния школы 31 Экологический паспорт школы I. Месторасположение школы и его краткая характеристика: 1. Адрес школы (город, район, микрорайон и т. д.). 2. Год основания школы. 3. Современная характеристика микрорайона с учетом расположения школы (тип застройки, удаление от дорог, предприятий, жилых домов, транспорт, наличие лесопарковых зон и т. п.); 4. Природно-климатическая характеристика школы (рельеф, ветер, освещенность участка, почва). 73 II. Характеристика пришкольного участка: 1. Площадь пришкольной территории. 2. Планировка пришкольной территории (с указанием соотношения площадей, занимаемых школьными зданиями, зелеными насаждениями, хозяйственными постройками и спортивным комплексом, площадь асфальтированных дорог и открытых зеленных участков. Необходима картасхема пришкольной территории). 3. Озелененность пришкольной территории (разнообразие видов растений, их функциональность – наличие фитонцидных и пылеулавливающих видов, количественный учет зеленых насаждений, оценка состояния растительности, эстетическая оценка пришкольного участка, запыленность и шумовая нагрузка на различные зоны пришкольного участка). 4. Возможные рекомендации по благоустройству пришкольного участка (оборудование места отдыха, посадка растений и уход за ними, планирование микроландшафта и т. п.). III. Характеристика школьного здания и внутришкольного помещения: 1. Технические данные о здании по документам БТИ (количество классных комнат; наличие спортзала, актового зала, столовой, мастерских, раздевалки, учительской, мед. кабинета и др.; основной строительный материал (кирпич, бетон, дерево); школьные коммуникации, их протяженность и состояние (водопровод, отопление, вентиляция и канализация). Санитарно-гигиеническая оценка школьного помещения Воздушная среда Воздушная среда влияет на здоровье, общее самочувствие учащихся, их работоспособность на уроках. Изменение химического состава воздуха в помещении вызвано прежде всего дыханием. Во время пребывания учащихся в классных помещениях уменьшается количество кислорода, увеличивается количество углекислого газа (от 0,03 до 1, 84%), водяных паров, положительных ионов, количество бактерий, повышается температура, запыленность, в нем появляются органические примеси, аммиак, сероводород. О качестве воздуха в помещениях принято судить по содержанию в нем углекислого газа (табл. 19). Установлено, что человек чувствует себя комфортно, если оно не превышает 0,1%. Скопление вредных газов происходит преимущественно в верхней части помещения. При высоте помещения 3,5 м на одного учащегося приходится около 4,4 кубических метров воздуха. За 45 минут через легкие ребенка 10–12 лет проходит 12,5 кубических метров воздуха. Необходимая троекратная смена объема воздуха в классе достигается благодаря естественной и искусственной вентиляции, а также проветриванию. 74 Таблица 19 Состав атмосферного и выдыхаемого воздуха, % об. Составные части Атмосферный воздух Выдыхаемый воздух Кислород 20,7 15,4 Азот 78,8 79,2 Углекислый газ 0,03 4,4 Водяные пары 0,47 насыщен Таким образом, чтобы в помещениях воздух был качественным, необходимы достаточный их объем и правильная вентиляция. На каждого учащегося в классном помещении должно приходиться 4–5 кубических метров воздуха. Выявление соответствия площади и объема помещения санитарно-гигиеническим нормам Оборудование: рулетка. Ход работы 1. Измерьте ширину и длину классного помещения и определите его площадь: S = длина × ширина. 2. Рассчитайте, какая площадь приходится на одного ученика: S = S : n , где n – количество рабочих мест в помещении. 3. Определите объем помещения: V = S × h, где h – высота помещения. 4. Сравните полученные данные с нормативными и сделайте вывод о соответствии данного помещения санитарно-гигиеническим нормам. 5. Заполните табл. 20: Таблица 20 Показатели Площадь Объем Объем и площадь учебных помещений На 1 уч-ся На 1 уч-ся по нормам в данном помещении 1,5 кв. м 4 куб. м Соответствие нормативу Проверка соответствия уровня вентиляции санитарно-гигиеническим нормам Естественный обмен воздуха в помещении происходит через поры строительного материала, щели в окнах, дверях, под действием разности давлений и температур. Такой обмен воздуха недостаточен. Чтобы его усилить, помещение проветривают, открывая окна, фрамуги и форточки. Оборудование: рулетка. Ход работы 1. Сосчитайте количество фрамуг, форточек. Проверьте, все ли они открываются. 75 2. Измерьте площадь всех открывающихся фрамуг и форточек и рассчитайте их общую площадь. 3. Рассчитайте отношение площади пола к площади вентиляционных отверстий. По нормативам это отношение должно быть не более 50. 4. Можно так же рассчитать коэффициент аэрации: Ка = S фрамуг /S стен. Его оптимальное значение 1:30, допустимое – 1:50 Сделайте вывод о достаточности классной вентиляции. Заполните табл. 21: Таблица 21 Состояние вентиляции в классе и ее соответствие нормативу Показатель Значение в помещении Соответствие нормативу Площадь пола S (n) Площадь вентиляционных отверстий S (о) Отношение S (n) / S (о) коэффициент аэрации Санитарное обследование температуры воздуха в помещении Оборудование: термометр для измерения температуры в комнате. Ход работы 1. Измерьте температуру воздуха у окон и у противоположной стены. 2. Измерьте температуру воздуха на уровне парт и у пола. Оценка результатов 1. Температура в районе с холодным климатом в помещениях должна быть равной 18–21 °С. Зимой: оптимальная 18–20 °С; допустимая – 17–22 °С, весной: оптимальная – 18–22 °С, допустимая – 17–23 °С, осенью: оптимальная – 18–22 °С, допустимая – 16–23 °С. 2. Разница температур по вертикали не должна быть большой. Нормальной считается разница в 2,5 °С между температурой на уровне пола и на уровне головы человека. Определение влажности Замеры психрометром в зоне дыхания: а) около наружных и внутренних стен; б) в середине помещения; в) в 0,1 м от пола; г) в 1 м от пола; д) в 1,5 м от пола. Оптимальное значение – 30–50%; допустимое значение – 25–60%. 76 Определение запыленности воздуха Оборудование: микроскоп, предметное стекло, покровное стекло, вода. Ход работы 1. Нанесите каплю воды на чисто вымытое предметное стекло и оставьте его лежать на 15 минут. 2. Если капля не высохла, осторожно накройте ее покровным стеклом и подсчитайте число пылинок в разных участках препарата. 3. Если при увеличении в 56 раз число пылинок в поле зрения микроскопа не превышает 15–20, уровень запыленности можно считать небольшим. 4. При оценке запыленности также желательно охарактеризовать частоту, качество и периодичность влажной уборки. Искусственная освещенность Наибольшее количество информации об окружающем нас мире мы получаем через зрительную систему. Поэтому естественное и искусственное освещение в жилых домах, на работе, в школе имеет огромное значение для обеспечения информацией через зрительный анализатор. И это также имеет большое значение для нормальной жизнедеятельности и работоспособности человека. Свет определяет жизненный тонус и ритм. Длительное световое голодание приводит к снижению иммунитета и нарушению деятельности центральной нервной системы. Свет является эмоциональным фактором, который действует на психику. Плохое освещение приводит к снижению работоспособности, что может обусловить профессиональную близорукость. Задачей нашей исследовательской работы является определение горизонтальной искусственной освещенности и поиск способов улучшения освещенности кабинетов для сохранения нормального зрения у учащихся. Рассчитаем искусственную горизонтальную освещенность, и узнаем достаточно ли освещены кабинеты в школе. Если освещенность будет недостаточной, то необходимо принять меры по ее улучшению. Расчет искусственной горизонтальной освещенности мы проводили по формуле: E = Р × Е1 / 10 k, где Р – удельная мощность ламп, то есть отношение мощности всех ламп к площади пола; Е1 – минимальная горизонтальная освещенность при удельной мощности 10 Вт 1 м2 (табличная величина, равная 19,5 Лк); k – коэффициент запаса, который для люминесцентного освещения составляет 1,3. При наличии приборов можно оценить также: – шумовое загрязнение (на уроках и на переменах), – радиационный фон в помещении школы (на разных этажах, в разных частях здания, в компьютерном центре); норма – 24 мр/час. 77 Оценка визуальной среды Наличие агрессивной среды характеризуется преобладанием одинаковых элементов, рядами окон из плоских стекол, отсутствием озеленения, монотонными голыми стенами. По санитарно-гигиеническим нормам стены школьных помещений должны быть гладкими, допускающими уборку влажным способом (моющиеся обои или покраска). Помещения, выходящие на юг, обычно окрашивают в холодные тона (светло-голубой, светло-зеленый); на север – в теплые тона (в светло-кремовые, розовато-бежевые, охристые, желтые). Озеленение школьных помещений Оформление интерьеров, разнообразие растений, их состояние. Наличие фитонцидных растений и растений-биофильтров. Отсутствие растений, вызывающих аллергию. Наличие аквариумов, других объектов живой природы и их состояние. Оценка учебной нагрузки Соответствие расписания уроков нормам СанПиНа (табл. 22). Таблица 22 Аттестация учебного помещения (санитарно-гигиенические нормы) Показатели Да Нет 1. На одного учащегося приходится не менее 2 м2 1 0 2 2. На одного учащегося приходится не менее 4 м 1 0 3. Площадь открывающихся фрамуг и форточек не менее 1/50 1 0 площади пола 4. Площадь окон (без учета оконных переплетов) не менее 1 0 1/4–1/6 площади пола 5. Освещение класса левостороннее 1 0 6. Стены окрашены клеевой краской 1 0 7. Окраска стен соответствует ориентировке помещения 1 0 8. Искусственное освещение соответствует нормативному 1 0 КИО – 40 вт/м2 9. Температура не ниже 16 и не выше 25 °С 1 0 10. Относительная влажность помещения 30–60% 1 0 11. Рабочие места учащихся (мебель) соответствуют ростовым 1 0 размерам 12. Окраска рабочих мест гармонирует с окраской стен 1 0 13. Поверхности рабочих столов не имеют бликов 1 0 14. На передней и правой боковой стенках кабинета размещена значимая информация, которую можно прочесть с 1 0 любого рабочего места учащегося 78 Если аттестуемое помещение оценивается менее чем в 10 баллов, то оно не соответствует санитарно-гигиеническим нормам. 6.3. Урок по теме «Воздух – смесь различных газов» 32 Урок разработан Г. М. Денишовой. Цель урока – сформировать знания о составе и свойствах воздуха. Задачи урока: 1. Раскрыть особенности газов, входящих в состав атмосферы, и их значение в природе и в жизни человека. 2. Раскрыть экологические проблемы, влияющие на изменение состава и свойств воздуха. 3. Способствовать формированию у учащихся целостной картины мира благодаря использованию межпредметных связей биологии, химии, экологии. 4. Развивать умение искать, находить и презентовать информацию с использованием ИКТ. 5. Развивать умение постановки простейших экспериментов. 6. Развивать умение работать в группах. 7. Способствовать формированию активной жизненной позиции учащихся в деле охраны природы. Оборудование: учебник природоведения для 5 класса (авторы: В.М. Пакулова, Н.В. Иванова); схемы «Круговорот азота», «Производители и потребители кислорода»; пробирки с известковой водой, стеклянные трубочки, резиновая груша; рисунки с изображением экологических проблем, дидактический материал. ХОД УРОКА Класс заранее делится на 4 группы. I. Актуализация опорных знаний Ребята, сегодняшний урок я бы хотела начать с загадки: Есть невидимка, В дом не просится, А прежде людей Бежит, торопится. (Ответы учащихся.) Конечно же речь идет о воздухе. Ответьте на вопросы: 1. Как называется воздушная оболочка Земли? 2. Какое значение имеет атмосфера? 3. В каком слое атмосферы протекает жизнь всех живых организмов? Почему? Тема нашего урока «Воздух – смесь различных газов. Охрана воздуха». (Ученики записывают тему урока в тетрадь.) II. Изучение нового материала 1) Состав воздуха 79 Воздух окружает нас повсюду. Он необходим для жизни всем живым организмам. – Какие газы входят в состав воздуха? (Ответы учащихся.) Чтобы выяснить, какие еще газы есть в воздухе обратимся к рис. 38 на с. 67. – Каких газов в воздухе содержится больше всего? – Какую долю занимает азот? – Какую долю занимает кислород? Исходя из сказанного делаем вывод: воздух – это смесь различных газов. (Ответы учащихся.) А мы помним, что вещества, входящие в состав смесей, сохраняют свои свойства. Познакомимся со свойствами отдельных газов. 2) Азот (Сообщение ученика.) В воздухе наибольший объём занимает газ азот. В переводе с латинского «азот» означает «безжизненный», так как еще в XVIII веке Д. Резерфорд, К. Шееле, а позднее и Лавуазье в составе воздуха обнаружили газ, который не поддерживает горения и дыхания. Азот выделяется в атмосферу из земной коры как продукт жизнедеятельности микроорганизмов. В составе горных пород химического элемента азота содержится в 50 раз больше, чем в атмосфере. Азот как химический элемент очень важен для живых организмов, так как он входит в состав белков. Но большинство живых организмов не могут усваивать его из атмосферы. Лишь некоторые бактерии способны потреблять его из воздуха. Во время грозы в атмосфере проскакивают мощные электрические разряды, под воздействием которых образуются сложные соединения азота. С атмосферными осадками они попадают в почву. Растения поглощают азот из почвы, а животные – поедая растения или других животных, которые питаются растениями. Когда живые организмы погибают, их тела разлагаются, а азот поступает обратно в почву. (Демонстрируется схема «Круговорот азота в природе».) – Какое название можно дать процессу, описанному и показанному на этой схеме? (Ответы учащихся.) 3) Кислород Кислород составляет пятую часть воздуха. По своим свойствам он отличается от азота. – Какие свойства кислорода нам известны? (Поддерживает горение и дыхание.) – Что общего между двумя этими явления? (Используется кислород, происходит окисление, выделяется энергия.) При недостатке кислорода нарушается функционирование всех органов у организмов, которые используют его для дыхания, а таких большинство. Давайте обратимся к истории открытия кислорода (работа с учебником, с. 67–68). 80 4) Экспериментальное доказательство наличия кислорода в воздухе – Как доказать наличие кислорода в воздухе? (Зажечь спичку, свечу.) Демонстрация опыта учителем: зажечь свечу и накрыть стеклянным колпаком. – Почему свеча гаснет? – Какой газ образуется при горении? – Поддерживает ли он горение и дыхание? (Ответы учащихся.) 5) Экспериментальное доказательство наличия углекислого газа в атмосферном воздухе Чтобы доказать наличие углекислого газа, нам понадобится известковая вода. Это прозрачный раствор. При её взаимодействии с углекислым газом образуется белое вещество, поэтому происходит помутнение известковой воды. Демонстрация опыта учителем: при помощи резиновой груши пропустить несколько раз воздух через известковую воду (наблюдается помутнение). 6) Экспериментальное доказательство наличия углекислого газа в выдыхаемом воздухе Перед вами пробирки с известковой водой. Предлагаю вам сделать глубокий вдох и медленно через трубочку выдохнуть воздух в пробирку. При этом необходимо соблюдать правила техники безопасности – вдыхать через трубочку нельзя! (Проведение опыта учащимися по группам.) – Какой вывод можно сделать о содержании углекислого газа во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе? Вывод: во вдыхаемом воздухе углекислого газа меньше, чем в выдыхаемом. – Почему необходимо проветривать кабинет во время перемен? 7) Относительное постоянство содержания кислорода и углекислого газа в атмосфере На земле огромное количество потребителей кислорода. – Почему его содержание в атмосфере относительно постоянно? Работа со схемой «Потребители и производители кислорода». Потребители кислорода Производители кислорода Интересные сведения. Растения суши вырабатывают ежегодно 53 млрд тонн кислорода, а водоросли – почти в 10 раз больше. 8) Экологические проблемы, влияющие на состав и свойства воздуха Да, растения поддерживают относительное постоянство кислорода в атмосфере, но существуют проблемы, которые вызваны деятельностью человека и влияют на изменение состава и свойств воздуха. Заслушивание сообщений и просмотр презентаций учащихся (от группы) по темам: 1. Разрушение озонового слоя. 81 2. Вырубка лесов. Лесные пожары. 3. Глобальное потепление. 4. Загрязнение воздуха химическими отходами. 9) Примеси в воздухе – Какие примеси содержатся в воздухе? (Ответы учащихся.) Водяные пары определяют влажность воздуха. – Где влажность воздуха выше всего? Интересные сведения. Бывают в воздухе и необычные примеси. Летом 1933 г. в Приморском крае с неба падали морские медузы, а в 1974 г. в пригороде Ашхабада шел дождь из живых лягушек. – В чем причина этих необычных дождей? III. Закрепление Сегодня вы получили много информации о воздухе. И как говорил Конфуций: «Я слышу, и я забываю. Я вижу, и я помню. Я делаю, и я понимаю». Поэтому я предлагаю вам, работая в группах, выполнить несколько заданий (задания распределяются между учащимися в группах). Задание 1. Заполните таблицу. Название газа Окраска Запах Поддерживает ли горение Поддерживает ли дыхание Содержание в воздухе Задание 2. Проанализируйте информацию. Ответьте на вопросы. Воздух довольно хорошо растворяется в воде, особенно в холодной. В нём кислорода не 1/5, как в атмосфере, а 1/3. Если ледяную воду поставить в теплое место, на стенках сосуда появятся пузырьки воздуха. Вопросы: 1. Чем дышат рыбы? 2. Можно ли в аквариум наливать кипяченую воду? Задание 3. Ваши предложения по сохранению состава воздуха. Ваш личный вклад. Заслушивание ответов учащихся по группам. IV. Итог урока Оценивание деятельности учеников. Домашнее задание: параграф 16; составить «Сборник пословиц, поговорок, загадок о воздухе»; сочинить стихотворение или сказку о воздухе (по желанию). Вы молодцы! Спасибо за плодотворную совместную работу. 82 6.4. Тест «Химия атмосферы» 1 1. Содержание озона в атмосфере над географической точкой составило 350 ед. Была ли превышена средняя для этого района концентрация озона, равная 35 мкг/м3: а) единицы измерений несопоставимы; б) да, в 1,3 раза; в) нет, она была в 1,2 раза меньше; г) нет, эти значения равны; д) да, концентрация была на 10% больше. 2. Какие изменения связаны с увеличением солнечной активности: а) значительно увеличивается поток солнечной энергии; б) заметно увеличивается температура в приземном слое атмосферы; в) в спектре Солнца значительно возрастает доля видимого излучения; г) в спектре Солнца значительно возрастает доля инфракрасного излучения; д) в спектре Солнца значительно возрастает доля жесткого излучения. 3. Основную роль в инициировании процессов окисления примесей в тропосфере играют: а) кислород воздуха; б) озон; в) свободные радикалы; г) оксиды азота; д) жесткое излучение. 4. Концентрация озона в атмосфере по мере удаления от Земли: а) экспоненциально уменьшается с увеличением расстояния от поверхности Земли; б) экспоненциально увеличивается с увеличением расстояния от поверхности Земли; в) достигает максимального значения в термосфере; г) достигает максимального значения в стратосфере; д) достигает максимального значения в мезосфере. 5. Явление локальной температурной инверсии в тропосфере обусловлено: а) изменением солнечной активности; б) изменением температурного градиента в тропосфере; в) изменением альбедо поверхности Земли; г) ростом выбросов углекислого газа; д) резким изменением атмосферного давления; е) изменением влажности воздуха. 6. Основной вклад в антропогенное загрязнение атмосферы соединениями серы вносят: а) выбросы вулканов; б) океанические аэрозоли; в) выбросы предприятий химической промышленности; 83 г) выбросы автомобильного транспорта; д) выбросы ТЭС, работающих на угле и мазуте. 7. Основной причиной наличия оксидов азота в отходящих газах, образующихся при сжигании топлива на ТЭС, является: а) окисление соединений азота, присутствующих в исходном топливе; б) присутствие оксидов азота в воздухе, используемом для организации процессов горения; в) окисление соединений азота в присадках, используемых для повышения эффективности процессов горения; г) окисление азота воздуха в процессе горения; д) образование оксидов азота в процессе очистки отходящих газов ТЭС. 8. Необходимым условием для возникновения смога как в Лондоне, так и в Лос-Анджелесе является: а) солнечное излучение; б) высокое атмосферное давление; в) высокая концентрация диоксида серы в тропосфере; г) высокая плотность транспортного потока; д) температурная инверсия. 9. Какое из утверждений, характеризующих влияние загрязнения атмосферного воздуха на климат, неверно: а) увеличение концентрации диоксида углерода может привести к повышению средней глобальной температуры на Земле; б) увеличение концентрации соединений серы в стратосфере может привести к уменьшению средней глобальной температуры на Земле; в) увеличение концентрации фреонов в тропосфере может привести к повышению средней глобальной температуры на Земле; г) увеличение концентрации пыли в атмосфере может привести к повышению средней глобальной температуры на Земле; д) увеличение концентрации метана в тропосфере может привести к повышению средней глобальной температуры на Земле. 10. Как меняются давление, температура и концентрация озона в стратосфере с увеличением расстояния от поверхности Земли: а) давление и температура уменьшаются, концентрация озона проходит через максимум; б) давление уменьшается, температура растет, концентрация озона проходит через максимум; в) давление уменьшается, температура и концентрация озона увеличиваются; г) температура растет, концентрация озона и давление уменьшаются; д) давление, температура и концентрация озона увеличиваются. 11. Как меняются давление, температура и концентрация озона в мезосфере с уменьшением расстояния до поверхности Земли: а) давление, температура и концентрация озона увеличиваются; б) давление уменьшается, температура растет, концентрация озона проходит через максимум; 84 в) давление и температура увеличиваются, концентрация озона проходит через максимум; г) давление и температура уменьшаются, концентрация озона увеличивается; д) давление и концентрация озона уменьшаются, температура растет. 12. Сколько молекул формальдегида присутствует в каждом кубическом сантиметре воздуха при нормальных условиях, если его концентрация достигает значения предельно допустимой разовой концентрации ПДКМ.Р = 0,035 мг/м3: а) 7,0•1011; б) 6,0•1011; в) 3,5•1013; г) 3,5•1019; д) 3,0•1013. 13. Сколько частиц пыли присутствует в каждом кубическом метре воздуха при концентрации, равной ПДК для рабочей зоны, составляющей 6 мг/м3 (принять: плотность пыли – 4 г/см3, диаметр частиц – 0,5 мкм, все частицы сферической формы)? а) 23 • 109; б) 6,0 • 109; в) 6,0 • 1014; г) 2,3 • 1015; д) 7,0 • 107. 14. Какое соединение, присутствующее в атмосфере Земли, улавливает наибольшую долю ее теплового излучения: а) NО2; б) СО2; в) Н2О; г) CClхF4-х; д) СН4. 15. В результате антропогенной деятельности состав атмосферы за последние 20 лет: а) претерпел значительные изменения на уровне макрокомпонентов; б) не изменился; в) изменился на уровне микрокомпонентов; г) изменился в отдельных регионах; д) правильными являются несколько из перечисленных выше ответов. 16. Основной причиной возникновения парникового эффекта является: а) изменение направления движения и интенсивности океанических течений; б) изменение орбиты вращения Земли вокруг Солнца; в) увеличение в атмосфере концентрации соединений, поглощающих в инфракрасной области; г) тепловое загрязнение; д) правильными являются несколько из перечисленных выше ответов. 85 17. Какой газ в стратосфере поглощает 99% излучения Солнца в опасной для биосферы УФ-области: а) О2; б) О3; в) CClхF4-х; г) СО2; д) Н2О. 18. Сегодня ученые полагают, что глобальное уменьшение содержания озона в стратосфере может быть вызвано: а) увеличением интенсивности УФ-излучения; б) галогенсодержащими углеводородами антропогенного происхождения; в) резким увеличением концентрации СО2 в тропосфере; г) «зимней воронкой» над Южным полюсом; д) активизацией вулканической деятельности. 19. Массовая вырубка лесов приводит: а) к опустыниванию; б) к изменению альбедо Земли; в) к нарушению кислородного цикла; г) к увеличению концентрации диоксида углерода в тропосфере; д) правильными являются все перечисленные выше ответы. 20. Масштабы и скорость проявления глобального изменения климата: а) не поддаются регулированию мировым сообществом; б) могут быть ограничены при быстрых действиях всего мирового сообщества; в) могут быть достоверно предсказаны при помощи компьютерной модели; г) уже вышли из-под контроля; д) не изменились за последние 1000 лет. 21. Злокачественная меланома и другие раковые заболевания кожи могут быть обусловлены чрезмерным воздействием: а) фреонов, содержащихся в тропосфере; б) озона, содержащегося в стратосфере; в) озона, содержащегося в мезосфере; г) УФ-излучения Солнца; д) ИК-излучения Земли. 22. За два столетия, прошедших со времени промышленной революции, концентрация диоксида углерода: а) увеличилась примерно в два раза; б) уменьшилась примерно в два раза; в) осталась неизменной; г) увеличилась на 25%; д) уменьшилась на 25%. 23. Монреальский протокол был направлен: а) на сокращение производства и масштабов использования химических веществ, способствующих разрушению озона; 86 б) на решение локальных экологических задач; в) на развитие гражданской активности и природоохранного образования в бывшем СССР; г) на полное и немедленное запрещение производства фреонов; д) на развитие сотрудничества в области сохранения климата. 24. Антропогенными источниками парниковых газов являются: а) сжигание ископаемого топлива; б) использование галогенсодержащих углеводородов; в) сельское хозяйство; г) автомобильный транспорт; д) все перечисленные выше источники. 25. Озон в тропосфере – это: а) парниковый газ; б) сильнейший окислитель; в) УФ-«экран» планеты; г) все перечисленные выше факторы являются правильными; д) два из перечисленных выше ответов являются правильными. 26. Исследователи обеспокоены деградацией озонового слоя в Арктике, поскольку: а) в Арктике используют гораздо больше фреонов и других озоноразрушающих веществ, чем в Антарктиде; б) население в средних и высоких широтах Северного полушария гораздо больше, чем в тех же широтах Южного полушария; в) существуют проекты промышленного развития и заселения Арктики; г) размеры «озоновой дыры» в Арктике больше, чем в Антарктиде; д) правильными являются несколько из перечисленных выше ответов. 27. Парниковый эффект обусловливается прежде всего: а) увеличением интенсивности УФ-излучения Солнца в последние 100 лет; б) способностью некоторых молекул поглощать излучение в ИК-области; в) увеличением концентрации пыли над промышленными зонами; г) увеличением ИК-составляющей в потоке солнечной энергии, достигающей поверхности Земли; д) ростом населения Земли. 28. Какой вид антропогенной деятельности более всего ответствен за глобальное повышение концентрации диоксида углерода в атмосфере: а) автотранспорт; б) железнодорожный транспорт; в) морской транспорт; г) теплоэнергетика; д) сжигание бытовых отходов. 29. Излучение какого диапазона имеет наименьшую длину волны: а) видимый свет; б) ультрафиолетовое излучение; в) радиоволны; 87 г) инфракрасное излучение. 30. Атмосфера Земли характеризуется глобальной температурной инверсией: а) в тропосфере; б) в стратосфере; в) в мезосфере; г) в термосфере; д) правильными являются несколько из перечисленных выше ответов. 31. Заменители фреонов менее опасны для озонового слоя по сравнению с фреонами, потому что они: а) характеризуются меньшим временем жизни в атмосфере; б) не реагируют с озоном; в) эффективнее фреонов в качестве хладагентов; г) разрушаются в тропосфере; д) правильными являются несколько из перечисленных выше ответов. 32. Фотохимический смог образуется при взаимодействии: а) химических соединений, выделяемых деревьями, и озона; б) оксидов азота и углеводородов автомобильных и промышленных выбросов под действием солнечного излучения; в) диоксида углерода и метана под действием ИК-излучения Земли; г) квазипостоянных компонентов атмосферы под действием жесткого УФ-излучения; д) правильными являются несколько из перечисленных выше ответов. 33. Газ, являющийся основной причиной образования кислотных осадков, это: а) СО2; б) NОх; в) SО2; г) N2; д) О3. 34. Солнечная энергия является результатом: а) процесса цепного деления урана; б) процесса термоядерного синтеза гелия; в) трансформации энергии «большого взрыва»; г) межзвездных взаимодействий; д) процесса термоядерного синтеза тяжелых металлов. 35. Концентрация какого газа сильнее всего варьируется в тропосфере: а) азота; б) аргона; в) кислорода; г) водяного пара; д) гелия. 36. Озон в тропосфере: а) присутствует всегда; 88 б) образуется в результате фотохимических превращений компонентов антропогенных выбросов; в) опасен для здоровья людей; г) образуется в результате лесных пожаров; д) правильными являются несколько из перечисленных выше ответов. Ответы на вопросы теста 1 а; 2 д; 3 в; 4 г; 5 б; 6 д; 7 г; 8 д; 9 г;10 б; 11 а; 12 а; 13 а; 14 в; 15 д; 16 в; 17 б; 18 б; 19 д; 20 б 21 г; 22 а; 23 а; 24 д; 25 д; 26 б; 27 б; 28 г; 29 б; 30 д 31 д; 32 б; 33 в; 34 б; 35 г; 36 д; 6.5. Задачи 1. В деревообрабатывающем цехе при распиле досок образуется древесная пыль с концентрацией до 160 мг/м3. Предложите очистку от древесной пыли и оборудование (ПДК древесной пыли для помещений 10 мг/м3). 2. Газовые выбросы ТЭЦ содержат частицы золы от 0,01 мкм до 2 мкм. Какие фильтры Вы порекомендуете для очистки и почему? 3. Концентрация аэрозоли радиоактивных тяжелых металлов в помещении равна 40 мг/м3; размер помещения 5×10×3 м. Какой объем адсорбента активированного угля (АУ) необходим для очистки аэрозоля, если емкость АУ (способность сорбировать) по тяжелым металлам составляет 20 мг/г. 4. Как Вы считаете можно ли решить проблему очистки газовых выбросов с помощью трубы высотой 300 м? Какую роль в очистке воздуха играют зеленые насаждения? 5. Какое влияние оказывает атмосфера на климат планеты? 6. В чем состоят защитные функции атмосферы? Какая существует связь между составом атмосферы и здоровьем человека? 7. Концентрация оксида азота (IV) в воздухе большого города достигает максимума в ранние часы суток, после чего уменьшается. Чем можно объяснить данную закономерность? 8. Какие процессы и явления протекают в атмосфере с основными ее компонентами: кислородом, азотом, благородными газами. Напишите уравнения реакций этих превращений. 9. Докажите роль ОН– в появлении кислотных осадков. Приведите примеры химических реакций с его участием. 10. Мраморные и известковые скульптуры и памятники архитектуры Древнего Рима и Греции в настоящее время сильно страдают от кислотных дождей. Храм Парфенон разрушился за последние 24 года значительнее, чем за 24 столетия до этого. Напишите уравнения реакций, лежащих в основе разрушения мрамора и известняка при выпадении кислотных осадков. 89 11. Какое минимальное количество деревьев нужно посадить, чтобы обезвредить промышленные выбросы угарного газа в атмосфере? За сутки выбрасывается 48 т СО, а одно дерево – бук – перерабатывает за час примерно 2,5 кг оксида углерода (II). 6.6. Интересные факты Как получается, что газовая оболочка не отрывается от Земли и не улетает в космос? Благодаря силе земного притяжения атмосферные газы удерживаются на поверхности Земли и не улетают в пространство. Более чем три четверти всего газа сконцентрировано в тропосфере, и с увеличением высоты атмосфера становится более разреженной. В экзосфере атмосферный газ почти отсутствует. Воздух тяжелый, легкий или ничего не весит? Ученые предполагают, что вес всего окружающего Землю воздуха составляет примерно 5200 трлн т. Средняя масса воздуха составляет 29 г/моль. Зачем нам озоновый слой? Озоновый слой находится в стратосфере на расстоянии от 15 до 30 км над поверхностью Земли. Он включает в себя тонкий слой озона – разновидность кислорода. Озон поглощает большую часть вредного ультрафиолетового излучения Солнца, не давая ему долететь до Земли. При отсутствии озонового слоя ультрафиолетовые лучи убили бы на нашей планете все живое, поэтому говорят, что озоновый слой является как бы невидимым защитным барьером Земли. За счет чего воздух в атмосфере все время перемещается? Ветер и есть движение воздушных масс в атмосфере. Это движение порождается разницей в температуре разных воздушных слоев. Холодный воздух тяжелее теплого, поэтому он опускается вниз, а более теплый воздух устремляется вверх, чтобы занять освободившееся место. В результате образуется ветер. Что такое атмосферное давление? Так как воздух обладает весом, то этот вес оказывает давление на поверхность Земли и на все, что на ней находится, включая людей. Значит, чем больше находится над нами воздуха, тем сильнее давление на каждый квадратный сантиметр поверхности, то есть тем выше атмосферное давление. Таким образом, атмосферное давление тем ниже, чем выше мы поднимаемся и чем меньше воздуха остается над нами. Где самое высокое давление? Самое высокое давление было отмечено в Сибири – 1084 мбар, а самое низкое – 870 мбар – во время тайфуна, разыгравшегося над Тихим океаном. Какая опасность грозит планете при потере озонового слоя? С 1982 по 1987 г. над заливом Халли в Антарктиде озоновый слой стал меньше на 95%. Специалисты ООН подсчитали, что в 1991 г. озоновая дыра стала в 13 раз больше, чем в 1981 г. Ученые полагают, что потеря 1% озонового 90 слоя спровоцирует у 50 тыс. человек рак кожи, а у 100 тыс. человек слепоту. В 1992 г. в Чили были отмечены случаи с ослепшими рыбами, кроликами и овцами. Эта страна расположена ближе всего к озоновой дыре над Антарктидой. Откуда взялись фреоны? В 30-е гг. прошлого столетия были обнаружены фреоны, которые казались чудом, поскольку были устойчивы, неядовиты, а самое главное, их было просто получить. Без них мало людей имели бы холодильник, однако сейчас найдены заменители этих газов. В 1988–1992 гг. были запрещены газы фреоны, что снизило их мировое потребление на 40%. Благодаря этому запас фреонов, имеющийся в атмосфере, пропадет не менее чем через 100 лет. Почему реактивные самолеты летают в стратосфере? Тропосфера выглядит как неровная дорога, и поэтому реактивные самолеты летают над облаками в стратосфере, где воздух неподвижный и чистый. Что влияет на температуру на Земле? Температура воздуха в разных частях мира во многом зависит от поступающей сюда солнечной энергии. А на это влияет, сколько энергии будет поглощено газами и облаками в атмосфере. Величина температуры зависит также от угла наклона солнечных лучей, которые падают на землю. Сколько электричества в молнии? Молниям свойственно напряжение в 50 и более млн вольт, а сила тока достигает 200 тыс. ампер. Например в линиях передачи электрической энергии применяются напряжения в десятки и сотни тысяч вольт, а сила тока выражается сотнями и тысячами ампер, однако количество электричества, находящегося в одной молнии, мало, поскольку, как правило, длительность молнии исчисляется малыми долями секунды. При этом одной молнии было бы достаточно для питания только 100-свечовой лампочки в течение суток. Почему небо днём синее, а во время заката – красное? Коротковолновые составляющие солнечного спектра рассеиваются в воздухе сильнее, чем длинноволновые. Именно поэтому мы видим небо синим – ведь синий цвет находится на коротковолновом конце видимого спектра. По аналогичной причине во время заката или рассвета небо на горизонте окрашивается в красные тона. В это время свет идёт по касательной к земной поверхности, и его путь в атмосфере гораздо длиннее, в результате чего значительная часть синего и зелёного цвета из-за рассеяния покидает прямой солнечный свет. Почему в горах холоднее, чем в низинах, хотя они находятся ближе к солнцу? Солнце нагревает земной воздух не напрямую. Его излучение проходит сквозь слои атмосферы и поглощается сушей и водой на поверхности планеты, а уже затем от них воздух получает тепловую энергию. Поэтому хотя горы и ближе к солнцу, в них холоднее, чем на равнинах, так как в среднем при подъёме на каждый километр температура уменьшается на 6 °C из-за адиабатического расширения воздуха. Но даже на самых больших высотах 91 могут встречаться долины, которые благодаря особому рельефу и отражению солнечных лучей от снега могут хорошо нагреваться. Например, в так называемом Западном цирке, который находится на одном из маршрутов к пику Эвереста на высоте более 6 000 метров, в солнечные безветренные дни температура может подниматься до 35 °C. Из чего состояла атмосфера Земли при зарождении первой жизни? Жизнь на Земле уже существовала 3,4 млрд лет назад, когда в атмосфере преобладали углекислый газ и метан и практически не было кислорода. Такой вывод учёные сделали, анализируя найденные в Австралии окаменелости. Они оказались микроорганизмами, существующими не за счёт кислорода, а за счёт сернистых соединений. Похожие на них серные бактерии и в наши дни обитают в гейзерах, вулканах и горячих источниках. Молнии приносят пользу? В своем «молниеносном» полете они успевают выхватить из воздуха миллионы тонн азота, «связать» его и направить в землю. Это бесплатное удобрение обогащает почву, на которой растут злаки. Масса атмосферы. Атмосфера земного шара весит 5 300 000 000 000 000 т. Если бы, например, потребовалось перевезти груз, равный весу земной атмосферы, из Москвы в Ленинград и если бы каждый поезд имел 100 вагонов и проходил весь путь за 10 часов, то надо было бы затратить на перевозку этого груза почти 4 млрд лет. Что происходит при полярных сияниях? Они вызываются разрядами электрически заряженных солнечных частиц в верхних слоях атмосферы и наблюдаются чаще всего в высоких широтах. Полярные сияния могут возникать в определенное время в безоблачную темную ночь в полярных областях в пределах 67° геомагнитной широты. Верхняя граница полярных сияний проходит на высоте 1000 км, в то время как нижняя опускается до 72,5 км. Редчайшие случаи появления полярных сияний в очень низких широтах зарегистрированы в Куско, Перу (2 августа 1744 г.), Гонолулу, Гавайи (1 сентября 1859 г.). 6.7. Акции в защиту атмосферы Международный день без машин С 2000 года 22 сентября в крупных городах Европы при поддержке Европейского Союза отмечается Международный день без машин. WWF России проводит эту акцию в Москве с 2008 г. Ч 22 сентября откажитесь от использования личного автомобиля! Используйте общественный транспорт, велосипед, пешие прогулки и любые альтернативные экологичные средства транспорта! 92 Если совсем нельзя отказаться в этот день от машины – сократите свой «транспортный след»: возьмите попутчиков, подумайте над оптимизацией маршрута, проверьте давление в шинах, соблюдайте правила эковождения! Привяжите зеленую ленточку к сумке, рулю велосипеда или к одежде в знак поддержки акции! Международный День без машин (англ. Car-free Day) проводится в Европе и некоторых странах других частей света 22 сентября. В этот день большая роль отводится общественному транспорту и велосипеду, а использование личного автотранспорта ограничено. Во всех странах в этот день помимо экологических проблем, связанных с развитием автотранспорта, большое внимание уделяется безопасности на дорогах. В больших городах, где каждый день в ДТП погибают десятки людей, проведение таких акций способствует снижению количества дорожных инцидентов. Развиваются велодорожки, воздух становится чище, а люди – внимательнее. Прочитайте полезную информацию на сайте www.wwf.ru/carfree, распечатайте и повесьте объявление в своем подъезде, расскажите об акции своим друзьям! Ч Час Земли – ежегодное международное событие, проводимое Всемирным фондом дикой природы (WWF). Проводится в последнюю субботу марта и призывает всех – частных лиц, организации, школы, муниципальные образования, коммерческие учреждения – выключить свет и другие не жизненно важные электроприборы на один час (кроме лифтов), чтобы стимулировать интерес к проблеме изменения климата, энергетического объединения человечества. Акция Всемирного фонда дикой природы (WWF) «Час Земли» впервые прошла в Сиднее в 2007 г., когда 2,2 миллиона людей положили начало ежегодному крупнейшему флешмобу планеты. Его участники выключают свет в своих домах или офисах, выражая, таким образом, свою готовность беречь планету. В 2008 году к акции присоединились свыше 50 миллионов человек из более чем 270 городов 35 стран мира, а в 2009 г. уже стало самой массовой акцией в истории человечества – по оценкам WWF, оно коснулось более миллиарда жителей планеты. Час Земли – это своеобразный символ неравнодушия и бережного отношения к природе и будущему планеты. Но цель акции не ограничивается одним лишь часом «без света». Цель акции заключается в том, чтобы заставить людей – как простых граждан, так и руководителей стран и крупных компаний – задуматься о том вреде, который мы наносим планете. Главная задача – выйти за пределы часа, ежедневно делая сознательный выбор в пользу планеты и себя самого. Принять участие в Часе Земли – значит сделать первый шаг. Только потребляя не больше того, что необходимо, мы сможем сохранить её для наших детей. Следующий Час Земли состоится в субботу 30 марта 2013 г. с 20:30 до 21:30 по местному времени. 93 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Тарасова Н.П., Кузнецов В.А., Сметанников Ю.В., Малков А.В., Додонова А.А. Задачи и вопросы по химии окружающей среды. М.: Мир, 2007. 368 с. 2. Голдовская Л.Ф. Химия окружающей среды: Учебное пособие М.: Мир, 2006. 296 с. 3. Бурков Н.А. Прикладная экология. Киров: Вятка, 2005. 272 с. 4. ГОСТ 17.2.1.04-77 Охрана природы. Атмосфера. Источники и метеорологические факторы загрязнения, промышленные выбросы. Термины и определения 5. Региональная экология: учебное пособие / под ред. Л.В. Кондаковой. Киров: ВятГГУ, 2009. 220 с. 6. О состоянии окружающей среды Кировской области в 2010 году. (Региональный доклад) / под общ. ред. А.В. Албеговой. Киров: ООО «Триада плюс», 2011. 188 с. 7. http://www.kirovreg.ru/power/executive/upr_nature/izdan/9.php 8. О состоянии окружающей среды Кировской области в 2011 году. (Региональный доклад) (в печати). 9. Федеральный закон об охране атмосферного воздуха. № 96-ФЗ от 4 мая 1999 г. 10. Стадницкий Г.В, Родионов А.И. Экология: учебное пособие. М.: Высшая школа, 1988. 272 с. 11. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 2005 году. 12. Шеховцов А.А. Загрязнение воздуха в России: 1992–2006 // Россия в окружающем мире. 2008. Вып. 11. С. 68–97. 13. Гершензон В.Е., Смирнова Е.В., Элиас В.В. Информационные технологии в управлении качеством среды обитания. М.: Изд. центр «Академия», 2003. 288 с. 14. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 2010 году. 15. Вредные вещества в промышленности: справочник для химиков, инженеров и врачей. Изд. 7-е: в 3 т. Т. I. Органические вещества / под ред. Н.В. Лазарева, Э.Н. Левиной. Л.: Химия, 1976. 525 с. 16. Бандман А.Л., Гудзовский Г.А., Дубейковская Л.С. Вредные химические вещества. Неорганические соединения элементов I – IV групп: справочное издание. Л.: Химия, 1988. 512 с. 17. Небел Б. Наука об окружающей среде: в 2 т. / пер. с англ. М.В. Зубкова, Д.А. Петелина, Т.И. Тарасовой, Н.О. Фоминой. М.: Мир, 1993. Т. 2. 330 с. 18. Гусакова Н.В. Химия окружающей среды. Ростов н/Д: Феникс, 192 с. 19. Андруз Дж., Бримблекумб П., Джикелз Т., Лисс П. Введение в химию окружающей среды. М.: Мир, 1999. 271 с. 94 20. Браун Т., Лемей Г.Ю. Химия в центре наук. / пер. с англ. Е.Л. Розенберга. Т. 1. М.: Мир, 1983. 448 с. 21. Трифонов К.И., Девисилов В.А. Физико-химические процессы в техносфере. М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2007. 240 с. 22. Инженерная экология / под ред. В. Т. Медведева. М.: Гардарики, 2002. – 687 с. 23. Инженерная экология и экологический менеджмент / под ред. Н.И. Иванова, И.М. Федина. М.: Логос, 2003. 528 с. 24. Трофименко Ю.В., Лобиков А.В. Биологические методы снижения автотранспортного загрязнения придорожной полосы // Автомоб. дороги: Обзорн. информ. Информавтодор; Вып. 5. М., 2001. 96 с. 25. Трофименко Ю.В., Лобиков А.В., Касаткин А.В. Направления поиска природных аналогов и биоэталонов объектов дорожного хозяйства // Наука и техника в дор. отрасли. 2004. № 2. С. 37–40. 26. Шувалова Е.А., Шувалов С.В. Атмосфера – ресурс, общий для всех // Экология и жизнь. 2011. № 2. С. 58 27. Гарин В.М., Кленова И.А., Колесников В.И. Экология для технических вузов. Ростов н/Д: Феникс, 2003. 384 с. 28. Алексеев С.В., Груздева Н.В., Муравьев А.Г., Гущина Э.В. Практикум по экологии: учебное пособие / под ред. С.В. Алексеева. М.: АО МДС, 1996. 192 с. 29. Расчет автотранспортной нагрузки // Вестник АсЭкО. № 1 (25) 2001. С. 11–12. 30. festival.1september.ru/articles/510484/pril2.doc 31. Колесов Д.Д., Маш Р.Д. Основы гигиены и санитарии. М., 1989. 32. http://festival.1september.ru/articles/616298/ 95 Учебн ое издание Огородникова Светлана Юрьевна Серия тематических сборников и DVD-дисков «Экологическая мозаика» Сборник 2. АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ Учебно -методическое пособие Редактор Т.Н. Котельникова Технический редактор С.Н. Тимофеева Фото на 1-й стр. обложки взято из Интернета Фото на посл. стр. обложки Толстобовой Т. П. «Озеро Шайтан» Подписано в печать 10.12.12. Формат 60×84 1/16. Гарнитура «Times New Roman». Бумага офсетная. Усл. п. л. 6,0. Заказ № 520/12. Отпечатано в ООО «Типография “Старая Вятка”» 610004, г. Киров, ул. Р. Люксембург, 30, т. 65-36-77. 96
