4. Экологические аспекты антропогенного загрязнения атмосферы 1. Основные особенности атмосферы

4. Экологические аспекты антропогенного загрязнения атмосферы
1. Основные особенности атмосферы
2. Экологическая роль природных атмосферных процессов
3.Свойства наиболее распространенных загрязняющих веществ.
4. Антропогенные изменения атмосферы. Источники, загрязнители, загрязнения воздуха и
их последствия
5. Контроль за загрязнением атмосферы
1. Основные особенности атмосферы
Атмосфера - это газовая оболочка, не имеющая четко выраженной верхней границы и
существующая благодаря гравитационному притяжению Земли. Ее масса составляет 5-10 15 т. 97
% всей массы сосредоточено в нижнем слое толщиной около 29 км (рис. 5).
По резкой смене температур в ней выделяют несколько слоев, границы между которыми
носят название пауз (тропо-, страто-, мезопаузы) (рис. 6). В самом нижнем слое - тропосфере
температура по мере удаления от поверхности падает от нормальной до минус 55°С (полюса) минус 75°С (экватор). В стратосфере происходит резкое повышение температуры с высотой,
достигающее 0°С в стратопаузе на высоте 55 км. Мезосфера охватывает слой, располагающийся в
интервале 55-80 км над поверхностью Земли, с температурой в мезопаузе минус 85°С. В
термосфере температура повышается, достигая на высоте 400 км 1200°С. Выше термосферы
располагается экзосфера, представляющая переходную собой область между атмосферой и
межпланетным пространством.
В состав атмосферы входят различные газы, атмосферная влага (водяной пар) и пыль.
Основные составные части могут быть подразделены на три группы: постоянную, переменную и
случайную. К постоянной группе относятся азот (около 78 %), кислород (21 %) и инертные газы
(около 1 %). Содержание их практически не меняется в зависимости от широты и долготы
местности. С высотой происходит уменьшение концентрации газов и перераспределение их
относительной роли. В термосфере происходит ионизация молекул азота и кислорода, вызванная
поглощением солнечной радиации, из-за чего этот слой часто называют ионосферой.
В экзосфере гравитационное поле Земли не способно удерживать ионизированные газы,
которые рассеиваются в космическом пространстве (зона диссипации).
Ко второй группе относятся
диоксид углерода (0,02-0,04 %) и
водяной пар (до 3%), к третьей случайные
компоненты,
определенные
местными
условиями.
Так,
вблизи
металлургических заводов воздух
часто содержит диоксид серы, в
местах разложения органических
остатков - аммиак.
Стратосфера в интервале 1550 км содержит озон (О3),
максимум концентрации которого
отмечается на высотах 25-30 км. В
"озоновом слое" содержится до 90
% общего количества атмосферного
озона. Часть озона содержится и в тропосфере, где он образуется при грозовых разрядах и при
воздействии на кислород разрядов, вызванных геоэлектричеством.
Если собрать весь озон атмосферы в один слой, то при нормальных условиях (давлении 1 атм
и температуре 273°С) он будет иметь толщину всего лишь 0,3 см.
В обычных условиях озон представляет собой газ с резким специфическим запахом, является
сильным ядом, превосходящим по токсичности синильную кислоту. Он обладает мутагенными и
канцерогенными свойствами; действует на кровь, подобно ионизирующей радиации; в смеси с
кислородом взрывоопасен. Таким образом, присутствие озона в тропосфере представляет
1
определенную экологическую проблему, тем более что в последнее время отмечается рост его
концентрации в приземных воздушных слоях. Озон может возникать в результате
фотохимических реакций в воздухе, загрязненном антропогенными примесями, в первую очередь
в больших городах.
Стратосферный озон из-за способности поглощать губительное для биосферы
коротковолновое излучение (менее 0,4 мкм) позволяет ему быть защитным экраном планеты.
На стратосферных высотах озон образуется при фотолизе (распаде веществ под действием
поглощенного света) кислорода ультрафиолетовым излучением с длиной волны менее 240 нм и
дальнейшем взаимодействии атмосферного кислорода, образовавшегося в результате фотолиза с
молекулярным кислородом.
Процесс взаимодействия всех трех типов кислорода (одно-, двух- и трехатомный) с учетом
фотолиза был рассмотрен впервые английским физиком Сидни Чепменом (1929) и получил
название кислородного цикла или цикла Чепмена. В упрощенном виде он может быть записан
следующим образом:
О2 → О + О, λ < 240 мкм,
О + О2 + М → О3 + М,
где М = N2, О2 и любые частицы, принимающие избыточную энергию соударения.
С другой стороны, под воздействием ультрафиолетовых лучей с большей длиной волны
происходит разрушение молекул озона:
О3 → О + О2, λ < 900 нм.
В атмосфере существуют определенные
закономерности в распределении озона по
времени, широте и высоте. В соответствии с
суточными
колебаниями
послеобеденное
содержание озона больше утреннего.
Максимальных значений содержание
озона достигает весной, а осенью падает до
минимума. Максимум концентрации озона
приходится на высоту 25 км. С повышением
широты максимум концентрации озонового
слоя падает с 25 до 13 км (рис. 7, 8).
Помимо
газов
в
составе
атмосферы
определенную роль играет водяной пар. Хотя
он главным образом содержится в тропосфере
и
его
проникновению
в
стратосферу
препятствует
тропопауза,
являющаяся
холодной ловушкой для водяного пара, тем не
менее неконденсированные остатки воды
проникают из тропосферы в стратосферу. На
высоте около 30 км существуют области
"перламутровых" облаков, состоящих из водного льда с вмороженными в него частицами
разнообразных соединений азота, хлора и углерода.
Эти облака образуются как в результате разложения озона водородом (О3 + Н2 → Н2О + О2),
так и путем множества других реакций. У верхней границы мезосферы (80 км) происходит
образование "серебристых" облаков, представляющих собой скопления ледяных кристалликов.
Важная особенность воздушной оболочки - ее запыленность, влияющая на прозрачность
атмосферы. Естественным природным источником уменьшения прозрачности являются выбросы
вулканического пепла. Кроме того, в результате вулканической деятельности в верхние слои
атмосферы попадает огромное количество сернистого газа, который, окисляясь под воздействием
солнечных лучей и реагируя с водяным паром, образует аэрозоль серной кислоты. Запыленности
атмосферы способствует и антропогенная деятельность, значительно уменьшающая ее
прозрачность.
2. Экологическая роль природных атмосферных процессов
Уменьшение прозрачности атмосферы за счет твердой пыли и аэрозолей способствует
увеличению альбедо поверхности Земли. К тому же приводят и разнообразные химические
2
реакции, приводящие к разложению озона и генерации перламутровых облаков водяного пара.
Последние при их глобальном распространении также повышают отражательную способность
Земли, что является возможной причиной климатических изменений и причиной оледенений.
Очевидно также, что изменение состава атмосферы определяет влагооборот и климат
определенных территорий. Все эти вопросы рассматриваются в соответствующих разделах курса
"Метеорология и климатология".
Отличительной чертой тропосферы является существование в ней атмосферной циркуляции,
обусловленной неравномерным нагреванием, вызывающим различия в атмосферном давлении над
разными участками земной поверхности. При возникновении разности в давлении воздух
устремляется из области повышенного давления в область пониженного давления. Эти
перемещения воздушных масс (или ветер) и определяют основные экологические
геодинамические функции атмосферы.
Перепад давлений в определенных условиях определяет круговое движение воздушных
потоков. По уменьшению кинетической энергии атмосферные вихри можно расположить в
следующий ряд: циклоны, тайфуны, шквалы, смерчи (торнадо). Атмосферные вихри зарождаются
вокруг мощных восходящих потоков теплого влажного воздуха и с большой скоростью
вращаются по часовой стрелке в южном полушарии и против часовой - в северном. Циклоны и
тайфуны зарождаются над океаном, шквалы и смерчи - чаще над континентами. Основными
разрушительными факторами являются сильные ветры, интенсивные осадки в виде ливней, снегопада, града, а также нагонные наводнения.
Ветер со скоростью 3 м/с шевелит листья деревьев, 10 м/сек - качает толстые ветви,
поднимает и переносит пыль и мелкий песок, 20 м/с - ломает ветви деревьев, переносит песок и
гравий до 4 мм в поперечнике, 30 м/с (буря) - срывает крыши домов, вырывает деревья, ломает
столбы, передвигает и переносит мелкий щебень и гальку, 40 м/с (ураган) - разрушает дома,
ломает столбы линий электропередач, вырывает с корнем крупные деревья. Ветер со скоростью
30-35 м/с на море - шторм.
Циклон - гигантский атмосферный вихрь воронкообразной формы. Тропические циклоны
имеют среднюю ширину в несколько сот километров, скорость ветра внутри циклона часто
достигает ураганной силы и может превышать 250 км/ч, продолжительность циклона от
нескольких дней до нескольких недель, скорость перемещения - от 50 до 200 км/ч. Циклоны
средних широт имеют большой диаметр; поперечные размеры их составляют от тысячи до
нескольких тысяч км; скорость ветра часто бывает штормовой, редко достигает ураганной силы,
но обычно не превышает 40-70 км/ч; движутся они в основном с запада, отличаются меньшей
повторяемостью. Северные циклоны сопровождаются катастрофическими снегопадом и градом.
Наиболее катастрофические последствия оказывают мощные тропические циклоны,
количество которых достигает в некоторых странах нескольких десятков за 10 лет.
Особенно катастрофичны ураганы на океанских побережьях и островах, где ветер, кроме
непосредственного воздействия на сушу, вызывает огромные волны, усиливающие разрушения и
приводящие к наводнениям по долинам крупных рек (нагонные волны). Примером являются
ежегодные наводнения в бассейне Амура. В Майами существует Национальный центр ураганов,
эксперты которого вычислили, что летом 2000 г. в районе Мексиканского залива и в Карибском
море зародится 11 тропических бурь. Семь из них окажутся ураганами со скоростью ветра около
120 километров час.
Большое негативное экологическое воздействие оказывают смерчи - атмосферные вихри со
скоростью до 100 м/с, имеющие вид суженного в середине столба воздуха (вертикального или
наклонного) с диаметром до нескольких десятков или сотен метров. Некоторые исследователи
называют смерчи на суше метеорологическим тромбом, а смерч в океане - торнадо. При своем
образовании смерч имеет вид воронки ("хобота"), спускающейся с облаков и (или)
поднимающейся с поверхности земли.
Смерч проходит путь до нескольких десятков км, втягивая в себя снизу пыль, воду,
различные предметы. В 1944 г. в Воронежской области смерч вырвал из земли клад серебряных
монет, в 1914 г. в одной из деревень Франции выпал дождь из лягушек, захваченных смерчем в
болоте, находящемся на расстоянии нескольких десятков км.
Мощные смерчи, часто сопровождающиеся грозой, дождем, обладают большой
разрушительной силой.
3
В Америке смерчи называют торнадо. Повторяемость торнадо в последние 10-20 лет
увеличилась в 8-10 раз. Число смерчей на море значительно меньше, чем на суше. Рост числа
торнадо в Северной Америке слабее, чем в Европе.
Основная причина увеличения количества торнадо - обезлесение местности и,
соответственно, образование больших открытых пространств, а также неравномерный нагрев
поверхности земли, вызывающий климатические аномалии. Возможной второстепенной причиной
учащения смерчей служит возникновение первичных завихрений при встречном движении
скоростного транспорта. Наблюдается прямая математическая корреляция между этими
явлениями - с увеличением числа транспортных средств возрастает количество смерчей.
На территории России за период с 1992 по 1995 г. произошло около 280 стихийных бедствий
атмосферного характера.
Крупное стихийное бедствие произошло в г. Новороссийске в ноябре-декабре 1993 г. В
течение 23 дней город испытывал воздействие ураганного ветра (20-40 м/с), сопровождавшегося
снегом, метелями и гололедом. Потерпели крушение 10 судов, из которых 7 затонуло, 3 было
выброшено на берег; погибло 5 человек. В ноябре 1995 г. произошел наиболее сильный за
последние годы тайфун, охвативший Южный Сахалин, Камчатку и часть Приморского края.
Летним шквалам и смерчам наиболее подвержены юго-запад Дальнего Востока, левобережье р.
Волги, отдельные районы Урала, Северный Кавказ, побережье Черного моря. Так, огромный
материальный ущерб принес сильный шквал (20-25 м/с) 13 августа 1994 г. на правобережье и
северной половине левобережья Саратовской области, сопровождавшийся градом с размерами
градин более 1 см. Смерч в Ивановской области 21 июня 1995 г. повредил 13 домов и разрушил
ферму. По Петербургу 4 июня 2000 г. пронесся шквал - и повалил дерево, которое придавило
насмерть человека. Двадцать человек стали жертвами урагана, бушевавшего 16 декабря 2000 г. в
американском штате Алабама. Последствия стихии оказались настолько катастрофическими, что
власти вынуждены были объявить чрезвычайное положение. Пострадал небольшой г. Тускалуса,
где торнадо превратил в развалины более 125 домов. Семь жителей города погибли, десятки
ранены, двое пропали без вести. Во всем штате были повреждены линии электропередач и
телекоммуникаций.
3.Свойства наиболее распространенных загрязняющих веществ.
Состав атмосферного воздуха. Воздух довольно однороден по составу, практически
отсутствует его дифференциация по природным зонам и секторам. Чистый и сухой воздух
включает 78,08% азота, 20,95% азота, 0,93% аргона, 0,033% углекислого газа, 0,01 % приходится
на остальные компоненты: неон, гелий, криптон, ксенон, аммиак, водород, оксиды азота, метан,
хлор и др. Содержание водяных паров изменяется от 0,01% до 4%, значительным колебаниям
подвержено также содержание твердых частиц (аэрозолей).
Азот в газообразном состоянии растениям недоступен и для большинства организмов
безразличен, хотя и является важным биоэлементом (кларк в живом веществе 0,3%). Несмотря на
то, что азот входит в состав белков и нуклеиновых кислот и необходим для питания высших
растений, усваивать они способны только связанный азот. За многие миллионы лет эволюции в
природе не выработалось механизма усвоения газообразного азота, кроме связывания его
клубеньковыми бактериями, азотобактериями, сине-зелеными водорослями, для которых он
является источником питания.
Кислород как широко распространенный, химически активный газ играет решающую роль в
формировании условий миграции всех других элементов, в Т.Ч. в процессах биологического
окисления, обеспечивающих организмы энергией.
Углекислый газ играет важнейшую роль в обеспечении связывания и накопления солнечной
энергии в биосфере путем фотосинтеза, с образованием сложных органических соединений
растениями. На синтез 1 тонны органических соединений потребляется 1,5-1,8 т углекислого газа,
при этом высвобождается 1,1-1,3 т кислорода. Полный обмен углекислого газа в атмосфере
происходит за 300-500 лет, в поверхностных слоях океана - за 5-25 лет, в глубоких слоях - за 2001000 лет. Содержание углекислого газа возросло за счет сжигания органического топлива с 0,029%
в середине XIX века до 0,035% в настоящее время (проблема парникового эффекта).
Инертные газы являются продуктами радиоактивного распада в недрах Земли и относятся к
числу биологически индифферентных. Исключение составляет радон, будучи радиоактивным, он
вносит существенный вклад в природный радиационный фон и его аномалии.
4
Большинство веществ, загрязняющих атмосферу вследствие антропогенных выбросов,
присутствует в атмосфере и за счет естественных источников (так, некоторые растения могут
выделять углеводороды, бактерии - серосодержащие соединения, при грозах образуются оксиды
азота и т.д.), Т.е. для большинства загрязнителей существует естественный фон.
Трансформации состава атмосферного воздуха, обусловленные загрязнением,
происходят как вследствие естественных причин, так и под воздействием деятельности человека.
Атмосферные выбросы разделяются по следующим признакам:
- по условиям выброса - на организованные, Т.е. осуществляемые через специально
предназначенные технические устройства; дымовые трубы, выхлопные трубы автомобилей, и
неорганизованные: через вентиляционные фонари, окна, с пылящих поверхностей, что сложнее
поддается контролю и очистке;
- по температуре вещества в выбросах - на холодные, с температурой, существенно не
отличающейся от температуры окружающего атмосферного воздуха, вследствие чего не
происходит их подъема, и горячие., для которых характерен значительный вертикальный подъем
и, вследствие этого, перенос на более значительные расстояния;
- по составу - на твердые, жидкие и газообразные. Последние преобладают как по объему,
так и по количеству веществ, достигающему многих тысяч. При этом различают так называемые
основные вещества загрязнители, на которые приходится 85% всей массы загрязнений: диоксид
серы, диоксид азота, оксид углерода, пыль, и специфические вещества, среди которых наиболее
распространены летучие органические соединения, углеводороды, фенол, формальдегид
сероводород, сероуглерод и др.
- по токсичности различают 4 класса опасности загрязняющий веществ: l-й класс чрезвычайно опасные (ПДКрз ниже 0,1 мг/м ), например бенз(а)пирен, свинец, ртуть, 2-й класс высокоопасные (ПДКрз 0,1-1 мг/м ), например, хлор, хлористый водород, сероводород, диоксид
азота, 3-й класс - умеренно опасные (ПДI{рз 1-1 О мг/м ); диоксид серы, сажа, пыль, 4-й класс малоопасные (ПДКрз выше 1 О мг/м ), например, оксид углерода, аммиак, бензин.
Источники загрязнения атмосферы подразделяются:
- по происхождению: на естественные и
техногенные (промышленные,
сельскохозяйственные, транспортные, коммунальнобытовые);
- по размерам: на точечные, линейные и площадные;
- по положению относительно поверхности Земли: на низкие (до 50 м)
и высокие (более 50 м);
- по подвижности: на стационарные и передвижные.
Зависимость загрязнения от климатических факторов. Уровень загрязнения атмосферы
зависит не только от интенсивности поступления загрязняющих веществ (поллютантов ), но и от
скорости процессов движения воздуха, осаждения и трансформации загрязняющих веществ, в т.ч.
самоочищения, что по-разному проявляется в разных синоптических ситуациях. При высоких и
горячих выбросах максимум приземных концентраций формируется на определенном расстоянии
от места выброса. В среднем это расстояние равно 10-кратной высоте источника для холодных
выбросов и 20-кратной для горячих. На практике оно прямо зависит от скорости ветра.
Наиболее сильное загрязнение (при равных выбросах) обычно связано с антициклональными
условиями, причем опасна не только антициклональная ситуация, но и безградиентное или
малоградиентное барическое поле, которое наблюдается в отрогах и перемычках высокого
давления, на гребнях и седловинах, а также в размытых циклонических полях. Такая
метеорологическая ситуация характеризуется штилями и слабыми ветрами, устойчивой
стратификацией атмосферы и приземными инверсиями, при которых загрязнения рассеиваются в
малом объеме воздуха, ниже слоя инверсии. Наоборот, циклонические условия наиболее
благоприятны для рассеяния примесей. Интенсивность процессов самоочищения от загрязняющих
веществ прямо зависит от температур и количества атмосферных осадков. При этом, помимо
радиационного баланса, большую роль играет ультрафиолетовая радиация, проникающая в
приземные слои атмосферы и вызывающая фотохимические реакции окисления. Атмосферные
осадки способствуют вымыванию загрязняющих веществ из атмосферы. Ветровой режим
определяет условия переноса загрязняющих веществ: при застоях воздуха вследствие штилей и
слабых ветров происходит накопление загрязняющих веществ вблизи источников, приводящее к
росту локальных концентраций. Влияние рельефа на загрязнение атмосферы проявляется
5
косвенно, через микроклиматические особенности. Наиболее высокие уровни загрязнения
формируются в слабо продуваемых межгорных котловинах и долинах, где часты застои воздуха,
температурные инверсии. Сочетание естественных факторов, обусловливающих высокий уровень
загрязнения, образует потенциал загрязнения атмосферы (ПЗА). Степень реализации
потенциала загрязнения атмосферы зависит от наличия и мощности источников загрязнения.
Величина ПЗА отражает повторяемость неблагоприятных метеоусловий (ИМУ): мощность и
интенсивность температурных инверсий, застоев воздуха, слабых ветров, туманов. Поскольку
состояние атмосферы претерпевает как внутри- так и межгодовые изменения, различают
соответственно метеорологический и климатический потенциал загрязнения атмосферы. Первый
создается на относительно короткое время, при неблагоприятных метеоусловиях, второй отражает
повторяемость и степень выраженности ПМУ. По величине климатического ПЗА на территории
бывшего СССР было выделено 5 зон: 1) низкого ПЗА (северо-запад Европейской части), 2)
умеренного ПЗА (север, северо-восток, центр, юго-запад Европейской части, Белоруссия и север
Украины, север Западной Сибири), 3) повышенного ПЗА (юг Украины, Нижнее Поволжье
Северный Кавказ, большая часть Урала, юг Западной Сибири, север Казахстана, частично
Камчатка и Сахалин), 4) высокого ПЗА (Южный Урал, большая часть Восточной Сибири, юг
Казахстана, Средняя Азия и Закавказье), 5) очень высокого ПЗА (Северо-восток Сибири,
межгорные котловины Сибири и Средней Азии).
Наиболее распространенные загрязняющие вещества атмосферы
Оксид углерода (СО), известный также под бытовым названием "угарный газ", - самое
распространенное вещество, загрязняющее атмосферу. Его глобальный выброс оценивается (по
состоянию на 1988 год) в 380 млн. т, из этого количества 270 млн. т образуется при использовании
бензина, 35 млн. т- при произведственных процессах, 15 млн. т - при сжигании угля, 15 млн. т- при
сжигании дров и других "некоммерческих" видов топлива, 15 млн. т- при лесных пожарах.
Антропогенное происхождение имеет 60-90% всего оксида углерода, поступающего в атмосферу.
Попадая в организм, оксид углерода образует прочное соединение с гемоглобином и блокирует
снабжение жизненно важных органов кислородом.
Поскольку основным источником оксида углерода в атмосферы является автомобильный
транспорт, борьба с этим видом загрязнений ведется путем совершенствования конструкций
автомобилей и организации автомобильного движения. Известно, что, в зависимости от качества
регулировки двигателя, содержание оксида углерода в выхлопных газах может изменяться в
пределах от долей процента до 10%, В связи с этим устанавливаются и контролируются, в Т.Ч. С
использованием административных мер, стандарты на содержание оксида углерода в выхлопах.
Совершенствование организации движения, с уменьшением числа остановок перед светофорами,
также позволяет значительно снижать загрязнение воздуха городов данным веществом, поскольку
максимальное выделение его происходит при работе двигателя на холостом ходу. Замена угля и
других традиционных видов топлива на газ и другие источники энергии, ведет в т.ч. к сокращению
выбросов оксида углерода. Благодаря применению указанных мер, глобальный выброс оксида
углерода в последние годы сокращается.
Диоксид серы (S02) - второе по общей массе загрязняющее вещество.
Его глобальный годовой выброс от техногенных источников составляет 145 млн. т, что
близко к поступлению в атмосферу от естественных источников (главным образом, вулканических
выбросов)- 140 млн. т в год. Техногенный выброс диоксида серы на 70% обусловлен сжиганием
угля и на 16% сжиганием жидкого топлива (мазута, нефти), остальное приходится на
промышленные выбросы. В атмосфере диоксид серы сохраняется несколько часов и в связи с этим
является локальным или региональным загрязнителем. Диоксид серы в атмосфере вступает в
реакции с водяным паром, приводящие к образованию серной и сернистой кислот. Это один из
основных источников формирования кислотных атмосферных осадков. Диоксид серы оказывает
раздражающее воздействие на верхние дыхательные пути и легкие, способствуя развитию
легочных заболеваний.
Сокращение выбросов диоксида серы в энергетике достигается за счет вытеснения угля и
мазута газовым топливом. Промышленные сбросы диоксида серы, главным образом в цветной
металлургии, удается сократить путем организации их улавливания и переработки, с получением
серной кислоты и/или элементарной серы. Благодаря применению указанных мер, глобальные
выбросы диоксида серы в последние годы в большинстве стран заметно сократились.
6
Оксиды азота (NO ) образуются из азота и кислорода воздуха при высоких температурах.
Окисление азота происходит как в естественных условиях, при грозах, пожарах, вулканических
извержениях, так и в технических устройствах, прежде всего двигателях внутреннего сгорания.
95% техногенных выбросов оксидов азота приходится на энергетику и транспорт, 5% - на
химическую, металлургическую и другие отрасли промышленности. Непосредственно из азота и
кислорода воздуха образуется монооксид азота (NO), в воздухе он быстро окисляется до диоксида
азота (N02). Техногенный выброс оксидов азота (15-20 млн. т) на порядок меньше объема
образования их естественным путем, но антропогенное загрязнение сконцентрировано на
сравнительно небольших территориях Оксиды азота сохраняются в атмосфере в среднем около 3
суток. Их вывод из атмосферы связан с образованием азотной кислоты и происходит при
выпадении кислотных дождей. Вместе с тем, реакции с участием оксидов азота играют важную
роль в питании почвы азотистыми соединениями. Оксиды азота участвуют также в реакциях,
разрушающих атмосферный озон, и в образовании фотохимического смога.
Оксиды азота оказывают раздражающее воздействие на носоглотку, слизистые оболочки
глаз, способствуют развитию отека легких. Длительное воздействие оксидов азота способно
снижать устойчивость организма к инфекции, вызывать хронические заболевания легких.
Борьба с загрязнением атмосферы оксидами азота затруднена множественностью
источников, а также в связи с тем, что исходные вещества (азот и кислород) содержатся
непосредственно в воздухе. Интенсивность образования оксидов азота уменьшается при снижении
температуры горения, но это влечет за собой рост выбросов продуктов неполного сгорания
топлива, в т.ч. оксида углерода, полициклических ароматических углеводородов. Для
предотвращения таких побочных эффектов применяют ступенчатое сжигание топлива на
электростанциях, каталитические нейтрализаторы в автомобильных двигателях. Однако эффект от
снижения удельных выбросов оксидов азота, приходящихся на 1 автомобиль, перекрывается
увеличением числа автомобилей. Глобальные выбросы оксидов азота к настоящему времени
удалось лишь в лучшем случае стабилизировать.
Твердые взвешенные частицы (аэрозоль) поступают в атмосферу от множества как
естественных, так и техногенных источников. Естественными источниками являются процессы
дефляции, волнение на поверхности водоемов, вулканические выбросы, выделение пыльцы
растений. Техногенное образование аэрозолей связано с усиленной дефляцией на пахотных и
других нарушенных землях, выбросами тепловых электростанций, предприятий стройиндустрии,
металлургических и других заводов, погрузочно-разгрузочными операциями, работой транспорта.
Согласно существующим оценкам, одновременно в атмосфере находится примерно 50 млн. т
взвешенных частиц, за год эта масса обновляется 100 раз.
Таким образом, годовая эмиссия твердых частиц Достигает 5 млрд. т, причем вклад
естественных и техногенных источников примерно равнозначен.
Присутствующие в атмосфере твердые частицы весьма разнообразны как по размерам, так и
по химической природе, агрегатному состоянию. По размерам аэрозольные частицы
подразделяются на тонко дисперсные (менее 0,1 мкм), среднедисперсные (0,1-1 мкм),
грубодисперсные (крупнее 1 мкм). С размерами частиц связана их высота подъема,
продолжительность пребывания в атмосфере и дальность переноса. Тонкодисперсные частицы
выполняют роль ядер конденсации, служат зародышами капель атмосферных осадков.
Химическая природа твердых частиц разнообразна. Среди них представлены силикаты и
алюмосиликаты, сульфаты, вода, органические соединения, твердый углерод (сажа) и др. При
нормировании загрязнения атмосферного воздуха твердыми частицами, среди них различают
пыль нетоксичную (вещество 3-го класса опасности) и ряд веществ, обладающих повышенной
опасностью.
Силикатные и другие твердые частицы способны оказывать коррозирующее воздействие на
дыхательные пути, способствовать развитию силикозов. Особую опасность представляют
асбестовые волокна, обладающие сильным канцерогенным действием, а также высокотоксичные
металлсодержащие аэрозоли, в т. ч. с участием свинца, кадмия, ртути, бериллия и др., пестициды.
Ряд органических веществ обладает свойствами аллергенов, в их числе пыльца цветущих
растений, белково-витаминные концентраты.
Охрана атмосферного воздуха от загрязнения твердыми частицами включает значительное
число направлений и конкретных методов. Снижение выделения аэрозолей в промышленности
7
достигается с помощью технически несложных очистных сооружений - волокнистых фильтров,
пылевых камер, при высокой запыленности рабочей зоны пользуются индивидуальными
средствами защиты. В горнодобывающей промышленности снижение пылевыделения достигается
с помощью использования современных технологий добычи и транспортировки, пылеподавления
в процесс е добычи, рекультивации отработанных отвалов. Защита сельскохозяйственных земель
от дефляции (ветровой эрозии) достигается путем создания лесозащитных полос, применения
почвозащитных агрономических приемов: безотвально вспашки, подбора севооборотов и культур,
маневра сроками обработки почв.
Углеводороды - общее название обширного класса соединений весьма разнообразных как по
происхождению, так и по степени экологогигиенической опасности. В зависимости от химической
природы, наличия примесей, класс опасности углеводородов изменяется от 4-го (бензин нефтяной
малосернистый) до l-го (З,4-бенз(а)пирен и другие полициклические ароматические
углеводороды). Особая опасность 3,4бен(з)аnирена и других полициклических ароматических
углеводородов (ПАУ) связана с их высокой канцерогенностью. Образование ПА У происходит
при неполном сгорании топлива и термической обработке органического сырья, при температурах
400-600 градусов. Такие условия образования определяют множественность локальных
источников образования ПАУ. Ими являются многие процессы в металлургии и теплоэнергетике,
асфальтовые заводы, двигатели внутреннего сгорания, отопительные печи, металлорежущие
станки с охлаждением органическими эмульсиями, тлеющий мусор, горящие папиросы. Такая
множественность источников ПАУ определяет их широкое распространение и осложняет защиту.
Тем не менее, за счет перевода теплоэнергетики на газовое топливо, совершенствования
технологических процессов и двигателей внутреннего сгорания, концентрации и выбросы ПАУ в
последние годы значительно снизились.
4. Антропогенные изменения атмосферы. Источники, загрязнители, загрязнения воздуха и
их последствия
Природные и антропогенные факторы предопределяют существенные изменения в
нормальном функционировании атмосферы, причем как в самых нижних, так и в высотных ее
частях. В последние годы резко возросла роль антропогенных (техногенных) факторов.
Имеется множество различных источников антропогенного характера, вызывающих
загрязнение атмосферы и приводящих к серьезным нарушениям экологического равновесия. По
своим масштабам наибольшее воздействие на биосферу оказывают два источника: транспорт и
индустрия. В среднем на долю транспорта (например, в США) приходится 60 % общего
количества атмосферных загрязнений, промышленности - 17 %, энергетики - 14 %, отопления и
уничтожения отходов - 9 %.
Транспорт, в зависимости от используемого топлива, выбрасывает в воздух оксиды азота,
серы, свинец и его соединения, оксид и диоксид углерода, сажу, бензопирен (вещество из группы
полициклических ароматических углеводородов, являющееся сильным канцерогеном, вызывающим рак кожи). Реальную причину гибели деревьев, растущих вдоль крупных
автомагистралей столицы, установили специалисты в 2000 году. Выяснилось, что придорожные
зеленые насаждения умирают не только и не столько от выхлопных газов, сколько под воздействием... технической соли. Результаты исследования причин массового засыхания деревьев,
посаженных у дорог, оказались сенсационными. Свое убийственное влияние техническая соль,
которой зимой обильно посыпают столичные автотрассы, оказывает не на корневую систему
дерева, а на его будущую листву. Соленые брызги, летящие из-под колес машин, и испарения,
поднимающиеся на высоту до четырех метров, оседают на ветках близко-растущих деревьев.
Через некоторое время их ветви покрываются настоящими соляными кристаллами. Таким
образом, зреющие почки попадают в своеобразный футляр, который не дает им раскрыться в
назначенное время. Дерево, лишенное возможности обзавестись зеленой кроной, вскоре попросту засыхает.
Большинство веществ, выбрасываемых транспортными средствами опасны для здоровья
человека, представляют опасность для биоты в целом, нарушая баланс экосистем и влияя на
урожайность сельскохозяйственных культур. Бензин поступает в организм главным образом через
дыхательные пути, может заглатываться с воздухом и затем всасываться в кровь из желудочнокишечного тракта. В основе действия бензина на организм лежит его способность растворять
8
жиры и липоиды. Особенно сильное действие он оказывает на центральную нервную систему,
кожный покров.
Индустрия приводит к промышленным выбросам в атмосферу сернистого газа, оксидов
углерода, пыли (в сумме 85 % общего выброса), углеводородов, аммиака, сероводорода, серной
кислоты, фенола, хлора и других соединений и элементов (15 %).
Результатом техногенного загрязнения является образование аэрозолей, смога, кислотных
дождей.
Аэрозоли представляют собой дисперсные системы, состоящие из газовой дисперсной среды,
в которой распределены твердые или жидкие дисперсные фазы (частицы). Размер частиц
дисперсной фазы обычно составляет 10-3 - 10-7 см.
В зависимости от состава дисперсной фазы аэрозоли можно подразделить на две группы. К
первой относятся аэрозоли, состоящие из твердых частиц, дисперсированных в газообразной
среде, ко второй - аэрозоли, являющиеся смесью газообразных и жидких фаз. Первые обычно
называют дымами, вторые - туманами. В механизме их образования существенную роль играют
центры конденсации химических соединений, или ядра. В качестве ядер выступают вулканическая
и космическая пыль, продукты промышленных выбросов, бактерии и др. Возможные источники и
количество ядер непрерывно возрастают. Так, при уничтожении огнем сухой травы на площади
200 х 200 м образуется в среднем 2 х 1022 ядер аэрозолей.
Образование аэрозолей началось с возникновения нашей планеты. Природные аэрозоли
всегда влияли на окружающую среду, но, уравновешиваясь общим круговоротом веществ в
природе, не вызывали глубоких экологических изменений. Антропогенные факторы их
образования сдвинули это равновесие в сторону значительных биосферных перегрузок, тем более
что человек начал использовать специально создаваемые аэрозоли в практической деятельности,
например - для защиты растений в сельском хозяйстве или в виде боевых отравляющих веществ.
Медленное оседание аэрозолей предопределяет изменение прозрачности воздуха; быстрое их
оседание отрицательно сказывается на зеленом покрове Земли.
Наиболее опасны для растений аэрозоли сернистого газа, фтористого водорода, азота. При
соприкосновении с влажной поверхностью листа образуются кислоты, вызывающие гибель живой
ткани. Кислотные туманы, попадая с вдыхаемым воздухом в дыхательные органы человека,
агрессивно воздействуют на слизистые оболочки. Чрезвычайно опасны радиоактивные аэрозоли.
Среди радиоактивных изотопов особую потенциальную опасность представляет 90Sr, не только как
долго живущий радиоактивный изотоп, но и как аналог кальция, замещающий его в костях живых
организмов со всеми вытекающими последствиями.
Во время ядерных взрывов образуются радиоактивные аэрозольные облака. Мелкие частицы
радиусом 1-10 мкм попадают не только в верхние слои тропосферы, но и в стратосферу, в которой
они могут находиться до года и более. Аэрозольные облака возникают в результате не только
ядерных взрывов, но и работы реакторов промышленных предприятий, производящих ядерное
топливо, и аварий на АЭС типа Чернобыльской.
Смог - смесь аэрозолей с жидкой и твердыми дисперсными фазами, образующая туманную
завесу над промышленными районами. Различают три типа смога:
смог ледяной (аляскинского типа) - сочетание газообразных загрязнителей, пылевых частиц и
кристаллов льда, возникающих при замерзании капель тумана и пара отопительных систем;
смог влажный (лондонского типа), иногда называемый зимним, - сочетание газообразных
загрязнителей, в основном сернистого ангидрида, пылевых частиц и капель тумана.
Метеорологической предпосылкой для зимнего смога является безветренная тихая погода, при
которой слой теплого воздуха расположен над приземным слоем холодного воздуха (ниже 700 м).
Движение воздуха вблизи поверхности земли почти отсутствует (менее 3 м/с). Горизонтальный и
вертикальный обмен воздуха затруднен. Загрязняющие вещества, рассеивающиеся обычно в
высоких слоях, скапливаются в приземном слое;
смог сухой (лос-анджелесского типа = фотохимический), называемый также летним, сочетание озона, угарного газа, соединений азота (NOх), кислот и др. Он образуется в результате
вторичного разложения загрязняющих веществ солнечными лучами, особенно ультрафиолетовыми. Метеорологической предпосылкой является атмосферная инверсия, выражающаяся
в появлении слоя холодного воздуха под теплым. Обычно поднимаемые теплым воздухом газы и
твердые частицы, затем рассеивающиеся в верхних холодных слоях, в данном случае
9
накапливаются в инверсионном слое. В процессе фотолиза соединения азота, образующиеся при
сгорании топлива в автомобильных двигателях, распадаются:
NO2 → NO + О,
λ < 240 .
Затем происходит синтез озона:
О + О2 + М → О3 + М;
NO + О → NO2,
сопровождаемый желто-зеленым свечением.
Эта реакция обусловливает желто-зеленую окраску смога.
Кроме того, происходят реакции по типу: SO3+ H2O → H2SO4, приводящие к образованию
капелек кислот.
С изменением метеорологических условий, связанных с появлением ветра, холодный воздух
смещается и смог исчезает. Рассмотрим это на примере динамики смога в долине Лос-Анджелеса.
При нормальных условиях температура воздуха понижается с высотой. Теплый воздух
поднимается вверх и рассеивает примеси, выбрасываемые у поверхности земли.
Когда устанавливается инверсионное распределение температуры, холодный воздух
располагается под теплым, который поступает из калифорнийских пустынь. В этом случае
температура снижается, а примеси (газы и твердые частицы) накапливаются в инверсионном слое.
Это продолжается до тех пор, пока метеорологические условия не изменятся. При этом ветер
вызывает смещение холодного воздуха и исчезновение смога.
Концентрация загрязняющих веществ в смоге различных типов приводит к нарушению
дыхания, раздражению слизистых оболочек, расстройству кровообращения, нередко к смерти (в
Лондоне в 1952 г. от смога погибло 4000 человек). Особую опасность смог представляет для
малолетних детей, вызывая заболевания ложным крупом.
Кислотные дожди - атмосферные осадки (дождь и снег), подкисленные из-за растворения в
атмосферной влаге промышленных выбросов (SO2, NOX, HC1 и др.). При сжигании горючих
полезных ископаемых (уголь, нефть и газ) большая часть содержащейся в них серы превращается
в диоксид серы (SO2). При всех видах сгорания различных материалов в воздухе происходит
реакция атмосферного азота с атмосферным кислородом с образованием окислов азота (NOX). Чем
выше температура сгорания, тем интенсивнее идет образование оксидов азота. Из всех выбросов
оксидов азота (например, в ФРГ) 55 % приходилось на транспорт, 28 % -на энергетику, 14 % - на
промышленные предприятия (1982). SO2 и NOX являются кислотообразователями, реагирующими
с атмосферным кислородом и водой с образованием серной и азотной кислот.
Мерой кислотности является значение рН. Чистая вода имеет рН = 7, дождевая вода - рН =
5,6. Уменьшение значения рН на единицу соответствует 10-кратному повышению кислотности.
Максимальная, зарегистрированная в Западной Европе, кислотность осадков составляет 23 рН.
Кислотные дожди оказывают агрессивное воздействие на восковой налет листьев на деревьях, на
кирпичные и бетонные сооружения, увеличивая скорость химического выветривания последних.
Повышение кислотности препятствует саморегулирующейся нейтрализации почв, в которых
происходит растворение питательных веществ. Эти вещества выносятся в грунтовые воды.
Одновременно выщелачиваются из почв и тяжелые металлы, которые потом усваиваются
растениями, вызывая у них серьезные
повреждения и проникая в пищевые
цепи человека.
Наиболее
опасным
является
подкисление океанских мелководий,
ведущее
к
невозможности
размножения
многих
морских
беспозвоночных, гибели рыб, разрыву
пищевых
цепей
(пищевой
или
трофической цепью называют ряд
видов, звено в котором служит пищей
для следующего вида) и нарушению
экологического равновесия в океане
(рис. 12).
10
Из-за кислотных дождей под угрозой гибели оказалось не менее 20 % площади лесов ФРГ,
Канады (рис. 13).
На территории бывш. СССР площадь существенного закисления лесов достигла 46 млн га. В
основном это результат переноса подкисленных осадков из Западной Европы в Прибалтийские
республики, Карелию и на весь Северо-Запад России.
Помимо
аэрозольных
облаков, смога и кислотных
дождей
важнейшими
следствиями антропогенного
воздействия на атмосферу
являются
усиление
парникового
эффекта
и
нарушение озонового слоя.
Парниковый эффект.
Поглощая
значительную
часть
губительного
коротковолнового излучения,
озоновый слой стратосферы
влияет также на явление,
получившее
название
"парниковый эффект". По
аналогии с повышением
температуры и влажности в
замкнутом
пространстве
парника
(теплицы
и
оранжереи) под парниковым
эффектом атмосферы понимают разогрев приземного слоя воздуха, вызывающий потепление
климата. Парниковый эффект, его усиление и ослабление обусловлены тепловым балансом Земли
и атмосферы.
У поверхности Земли тепловой режим определяется солнечным нагревом (инсоляцией) и
внутренним теплом, поступающим из недр (тепловым потоком). Величины тепла от обоих
источников качественно неодинаковы. На долю инсоляции приходится около 99,5 % всей суммы
тепла, получаемого поверхностью, а на внутреннее нагревание падает около 0,5 %.
Коротковолновое солнечное излучение в значительной степени поглощается озоновым слоем,
атмосферной влагой, углекислотой, аэрозолями и облаками, рассеивается в тропосфере и частично
отражается от поверхности Земли обратно в атмосферу (рис. 14). На поверхность Земли попадает
около половины солнечных лучей, главным образом видимой и инфракрасной областей спектра.
Лишь часть (около 22 %) коротковолнового солнечного излучения проникает внутрь Земли
на глубину, не превышающую 30-40 м.
Кроме того, земная поверхность нагревается за счет длинноволнового земного излучения от
внутренних тепловых источников. Длинноволновое земное излучение большей частью
поглощается атмосферой и возвращается обратно. Именно этот процесс и определяет возникновение парникового эффекта. Часть длинноволнового излучения уходит в космическое
пространство. Значительную роль в этом играют "окна" в озоновом слое (озоновые дыры). Таким
образом, озоновый слой выступает в качестве естественного природного барьера,
предохраняющего Землю от глобального похолодания.
Поглощение длинноволнового излучения происходит за счет таких примесей в атмосферном
воздухе, как озон, углекислый газ и водяные пары (рис. 15), а не за счет поглощения азотом и
кислородом - главными составными частями атмосферы. Одно время считалось, что главное
воздействие на парниковый эффект оказывает вода. Однако, поглотительная способность воды
незначительна. "Парниковое" воздействие углекислого газа в два раза ниже озона. Вместе с тем
действие примесей СО2, О3 и Н2О проявляется в различных областях спектра, так что каждое из
них эффективно само по себе.
11
Из изложенного выше вытекает, что парниковый эффект обязателен для атмосферы, так как
присутствие в атмосферном воздухе энергопоглощающих примесей определяется в первую
очередь природными факторами.
Из
изложенного
выше
вытекает, что парниковый
эффект
обязателен
для
атмосферы,
так
как
присутствие в атмосферном
воздухе энергопоглощающих
примесей определяется в
первую очередь природными
факторами.
Техногенез приводит к
резкому возрастанию концентраций
всех
энергопоглощающих
соединений и, в первую
очередь, углекислого газа. В
настоящее время содержание
СО2 в атмосфере составляет
примерно
336
p.p.m.
Усиление поступления СО2 в
воздух до 400-450 p.p.m. в
процессе
сжигания
углеводородного
топлива
должно
привести
к
глобальному
повышению
температуры. В настоящее
время ежегодное увеличение
составляет
примерно
1-2
p.p.m. При концентрации СО2
в 600-700 p.p.m. возможны
катастрофические изменения
климата.
В мире существует около
десяти
главных
климатологических
центров,
где
созданы компьютерные модели будущего климата, обладающие широкими возможностями. Такие модели, известные как
модели глобальной циркуляции (МГЦ), учитывают множество взаимосвязанных природных
факторов, определяющих будущий климат планеты. МГЦ предсказывают повышение средней
глобальной температуры на величину от 1,5 до 4,5°С вследствие «эффективного удвоения»
(усиления парникового эффекта в 2 раза) количества двуокиси углерода по сравнению с ее
уровнями в доиндустриальную эпоху. Подобное эффективное удвоение может произойти
примерно в 2030 г., если выбросы парниковых газов будут происходить на уровне, близком
современному. Однако, в связи с тепловой инертностью океанов - их медленным прогреванием климатологи говорят лишь о «фактическом» потеплении. Фактическое потепление,
прогнозируемое учеными Межправительственной группы экспертов по проблемам изменения
климата (IPCC), составит примерно 1°С относительно настоящего уровня к 2025 г. и 3°С к концу
следующего столетия. Следует учитывать, что ученые дают свои «компьютерные» прогнозы на
ограниченный срок - от 50 до 100 лет.
Воспрепятствовать глобальному потеплению может только появление крупных озоновых
дыр, через которые будет "улетучиваться" значительная часть тепла приземных слоев атмосферы.
Техногенные выбросы в тропосферу оксидов азота также приводят к усилению парникового
эффекта благодаря обогащению тропосферного воздуха энергопоглощающим озоном. Появление
12
высоких концентраций озона в приземных воздушных слоях, возникающих при выбросах
разнообразных оксидов азота (NOX), подтверждается существованием сухого смога лосанджелесского типа.
Нарушение озонового слоя. Возникновение озоновых дыр. Озоновый слой, образующийся
в результате фотолиза молекулярного кислорода, непрерывно разрушается. В его разложении,
согласно современным представлениям, участвуют четыре цикла химических преобразований:
кислородный, водородный, азотный и галоидный.
В соответствии с кислородным циклом (Чепмена) в озоновом слое часть озона распадается на
молекулярный и атомарный:
О3 → О2 + О,
λ< 900 нм.
На долю кислородного цикла приходится до 20 % потери атмосферного озона на высотах 2040 км (рис. 16).
Определенную роль в разложении озона играет и водородный цикл, обусловленный
взаимодействием озона с радикалом (ОН)-. Образование гидроксила происходит при
взаимодействии водорода, метана и воды с атомарным кислородом по общей схеме:
Н2О
ОН
СН4 } + О → ОН + {
СН
Н2
Н
Сам водородный цикл может быть записан следующим образом:
ОН + О3 → НО2 + О2;
НО2 + О3 → ОН + 2О2.
В результате:
2О3 → 3О2.
Эти
реакции
весьма
эффективны: они имеют большие
скорости. Особенно большую
роль играет водородный цикл на
высотах 15-25 км, где на его долю
приходится от 20 до 60 % потери
атмосферного озона.
В конце 60-х - начале 70-х
гг. исследователи для более
точного согласования расчетных
и
наблюденных
данных
о
состоянии озонового слоя ввели в
модельные представления азотный цикл разложения озона, основанный на способности оксидов
азота эффективно разрушать озон:
NO2 + О → NO + О2;
NO + О3 → NO2 + О2;
NO2 + О3 → NO3 + О2;
NO3 → NO + O2.
Кроме того, при довольно низких температурах озон способен реагировать даже с
относительно инертным азотом:
N2 + О3 → N2O + О2
(последняя реакция может объяснить появление озоновых дыр в высоких полярных широтах).
В 1974 г. был открыт хлорный (галоидный) цикл разложения озона:
Cl + О3 → ClO + О;
ClO + О → Cl + О2,
которому в последние годы многие исследователи пытаются придать определяющий характер в
планетарном балансе стратосферного озона.
Вклад указанных циклов в разложение озона различен (см. рис. 16). На озоновый слой влияет
главным образом азотный цикл, тогда как галоидный оказывается не столь существенным.
Приведенные выше реакции относятся к каждому, отдельно взятому циклу. Взаимодействие последних друг с другом еще очень мало изучено. В химии атмосферного озона многое продолжает
оставаться неясным.
13
В проблеме разрушения озонового слоя могут быть выделены два аспекта. Первый - это
глобальная убыль стратосферного озона. Выявление этого процесса -чрезвычайно сложная
научная задача, тем не менее большинство исследователей склонны считать, что такой процесс
реален. По существующим оценкам, с конца 60-х гг. Земля потеряла от 3-4 до 12-14 %
стратосферного озона и скорость этого процесса нарастает.
Вторым аспектом проблемы является образование озоновых дыр - локальных (десятки тысяч
- сотни миллионов км ), кратковременных (дни, недели), но сильных (десятки процентов)
снижений общего содержания озона. На существование нарушений озонового слоя исследователи
обратили внимание сравнительно недавно (1985), когда английские ученые выявили сильное
разрушение озонового слоя в Антарктиде. В августе -сентябре 1987 г. исследователи США
зафиксировали над Антарктидой резкое снижение озона до 100 единиц Добсона*).
*) Единица Добсона - мера содержания озона, отвечающая условно толщине слоя озона в 10 -3 см,
приведенного к приземным условиям в средних широтах. В средних широтах концентрация озона
равна 345 е. Д., что составляет толщину слоя озона 0,345 см (при t = 0°C, давлении, равном
атмосферному).
Эту область атмосферы они назвали озоновой дырой. 6 октября 1991 г. со спутника "Нимбус7" над Антарктидой было зарегистрировано примерно такое же (до 110 е. Д.) снижение
содержания озона. С началом 90-х гг. процесс разрушения озонового слоя стал наблюдаться и в
северном полушарии. Зимой 1994-92 гг. заметное понижение общего содержания озона (ОСО)
было отмечено над Северной Европой. 28 января 1992 г. на озонометрических станциях Риги,
Вельска, Санкт-Петербурга зарегистрирован абсолютный минимум ОСО за весь почти 20-летний
период наблюдений, составивший 200 е. Д., что на 40-45 % ниже многолетней нормы (рис. 17).
В 1993 г. сетью озонометрических станций США было отмечено появление озоновой дыры
над всей территорией США и частично Канады.
В 1995 г. процесс разрушения озонового слоя резко усилился над территорией бывш. СССР.
Наиболее сильная потеря озона (до 40 %) наблюдалась в сентябре над Северо-Востоком России.
Кроме того, значительные по глубине и времени проявления отрицательные аномалии
наблюдались над озерами Байкал, Балхаш, над Прикаспийской впадиной, Полярным Уралом,
Памиром.
С середины января до середины марта 1996 г. в стратосфере над некоторыми крупными
районами Арктики концентрация озона снизилась на 40 % и более. Над Британскими островами в
первой неделе марта потеря озона приблизилась к 50 %. Так, мощность озонового слоя над
Великобританией зимой составляла в среднем 365 е. Д., а 5 марта она упала до 195 е.Д.
Биологические последствия нарушения озонового слоя. Периодически возникающие
озоновые дыры различной протяженности негативно воздействуют на биотическую компоненту
экосистем, что определяется биологической ролью ультрафиолетового излучения.
Солнце во всем диапазоне волн (от 1 нм до 1000 м) излучает огромное количество энергии. В
жизнедеятельности организмов значительная роль принадлежит коротковолновой части
солнечной радиации с длиной волны менее 4 мкм. В зависимости от длины волны меняются
свойства солнечного излучения, что определяется его квантовой природой. В соответствии с
законом Планка:
Е = h • с / λ,
где: Е - энергия; h - постоянная Планка, (h = 6,54 • 1027 эрг/см); с - скорость света; λ - длина волны.
14
Другими словами, чем короче длина
волны, тем большей энергией обладают
кванты энергии и, следовательно, тем более
сильное действие они оказывают на различные
процессы.
Ультрафиолетовая
радиация
(УФ)
представляет собой часть солнечной радиации,
лежащей в диапазоне длин волн от 0,1 до 0,4
мкм. По интенсивности воздействия на
органическую среду ультрафиолетовую часть
спектра подразделяют на три области: УФ-С
(длина волны < 280 нм), УФ-Б (длина волны 280-320 нм) и УФ-А (длина волны - 320-400
нм).
УФ-А
излучение
озоном
не
поглощается, но особой угрозы не несет. УФС - излучение кроме озона поглощается и
другими атмосферными газами, поэтому
поверхности Земли практически не достигает.
Активно выраженным биологическим
воздействием обладает УФ-Б излучение.
Именно
оно
поглощается
молекулами
стратосферного озона. Его влияние на биоту
сводится к следующему:
1.
Воздействие
на
наземные
микроорганизмы. Под влиянием УФ-Б на ДНК
и клеточные мембраны микроорганизмы
теряют способность к фотоориентации, что ведет к неадекватным реакциям на изменение окружающей среды и к гибели популяции. Их гибель приводит к нарушениям в пищевых цепях и
представляет серьезную экологическую опасность.
2. Воздействие на растения суши. После облучения нарушается рост растений, уменьшается
количество и размер листьев, подавляются реакции фотосинтеза (особенно у тыквенных и
бобовых). Даже небольшое снижение концентрации озона приводит к резкому снижению урожаев.
Негативные воздействия на растительные сообщества усиливаются также гибелью почвенных
микроорганизмов.
3. Воздействие на водные экосистемы. Большая часть УФБ - излучения поглощается водой.
В результате подавляется фотосинтез фитопланктона, снижается его продуктивность. Особенно
чувствительны к УФБ -излучению молодые организмы зоопланктона, в которых появляются
патологические изменения, приводящие к массовой гибели отдельных видов (например, при 20%ном снижении содержания озона за 15 дней гибнут личинки анчоусов в 10-метровом слое воды).
4. Воздействие на человека. У человека критическим является воздействие на глаза, кожу и
иммунную систему. В результате УФБ - излучения возникают заболевания конъюнктивитом,
катарактой, появляются фотоэластоз - морщинистость кожи, эритема - солнечный ожог, рак кожи
и меланома. Считается, что снижение озона на 1 % вызовет увеличение заболевания меланомой на
1-2 % и рост смертности на 0,8-1,5 %.
Важнейшим является иммуносупрессивное действие УФ-Б излучения, приводящее к
снижению иммунитета и гибели популяций кожных микроорганизмов.
В связи с негативными экологическими последствиями, связанными с появлением озоновых
дыр и глобальной убылью стратосферного озона, вопросы происхождения озоновых дыр и
разработка единой концепции озоногенеза приобретают не только теоретическое, но и важнейшее
практическое значение.
Проблема образования озоновых дыр. Современные представления о происхождении
озоновых дыр могут быть сгруппированы в три концепции (гипотезы): метеорологоклиматическую, техногенно-фреоновую и эндогенную гипотезу. Последняя известна как гипотеза
15
водородно-метановой
продувки
озонового
слоя,
связанной
с
процессами дегазации внешнего
ядра земли.
Метеоролого-климатическая
гипотеза связывает образование
озоновых дыр с естественными
процессами
озоногенеза,
протекающими в атмосфере. В
соответствии с этой гипотезой
общее
содержание
озона
в
конкретном
объеме
атмосферы
зависит от характера метеорологических процессов и перепадов
температуры, которые определяют
не только направления воздушных
движений,
но
и
скоростные
параметры реакций рассмотренных
выше кислородного, азотного и
водородного циклов.
Доказательством
правомерности
гипотезы,
по
мнению ее сторонников, являются фиксируемые четко выраженные колебания общего содержания
озона - суточные, сезонные (для внетропических областей), связываемые с вспышками или
ослаблениями фотохимических реакций.
Наблюдаются определенные корреляции между содержаниями озона и возмущением
воздушных масс. Многократно установлено, что на фронтах циклонов резко понижается
концентрация озона. В хорошо развитых штормах и тайфунах снижение общего содержания озона
(ОСО) достигает 4-8 е. Д. Сезоны активного образования циклонов совпадают с временем минимальных значений ОСО в тропической и субтропической областях. Планетарная озоновая дыра
над Северной Атлантикой совпадает с родиной циклонов. Маршруты циклонических вихрей в
Каспийском регионе, над Японией и Сахалином (рис. 18) совпадают с центрами озоновых
аномалий (ср. с рис. 17).
Возникновение озоновых дыр в полярных областях связывают также с крайне низкими
температурами, существующими в определенные периоды в стратосферном слое, при которых
происходит увеличение скорости озоноразрушающих реакций. Многолетние метеоданные
показывают, что истощение озоносферы обычно наступает в стратосфере по мере падения
температуры, когда в пределах полярной воронки, охватывающей обычно север Канады, Сибирь,
Скандинавию или европейский север Арктики, образуются переохлажденные ледяные облака.
Именно в них и происходит разрушение молекул озона. Так, в январе -феврале 1996 г. над
Европейской Арктикой рекордно низкие температуры держались неделями. Необычность
ситуации заключалась в том, что из-за крайне низких температур полярные стратосферные облака
на этот раз возникали по краям воронки, что приводило к значительному разрушению озоносферы
даже на средних широтах, включая Великобританию.
Определенное значение имеют, по-видимому, и изменения солнечной активности (солнечные
бури), влияющие на фотохимические реакции в озоновом слое. Однако встречающиеся в
литературе оценки влияния на озоносферу изменчивости солнечной активности противоречивы,
вплоть до взаимоисключающих.
Техногенно-фреоновая гипотеза (ТФГ) базируется на роли в разрушении озонового слоя
техногенных газов-фреонов, широко используемых в холодильной промышленности и в качестве
распыляющих веществ в аэрозольных упаковках. Фреоны представляют собой галоидопроизводные метана, этана, пропана с обязательным содержанием фтора: CFC13, CF2C12, CF3C1,
CF4, C2H4F2, C2H2F4 и т.д.
Авторы техногенно-фреоновой гипотезы - американские ученые М. Молина и Ш. Роуленд,
открывшие хлорный цикл разложения озона, еще в 1974 г. предположили, что активный хлор в
16
составе фреонов может поступать в стратосферу, где происходит его фотолиз в условиях
сверхнизких температур (над Антарктидой):
CFCl3 → CFCl2 + Cl ;
CF2C12 → CF2C1 + Cl .
В свою очередь, С1 инициирует галоидный цикл разложения озона, например:
С1 + О3 → ClO + О2
ClO + О3 → ClO2 + О2.
В условиях тропосферы фреоны инертны, так как плохо растворимы в воде и не горят.
В августе - сентябре 1987 г. прямые замеры, произведенные американскими исследователями
с борта самолета У-2, выполнявшего полеты в нижней атмосфере из чилийского города ПунтаАренас в глубь Антарктиды, выявили значимую корреляцию между содержаниями озона и оксида
хлора в пределах озоновой дыры.
Благодаря средствам массовой информации ТФГ стала практически господствующей как в
науке, так и в общественном сознании. В 1986 г. ООН в рамках программы по окружающей среде
провела встречу в Монреале. Страны-участницы подписали Монреальский протокол о резком
снижении к 1989 году производства фреонов. Монреальский протокол подписали и Россия,
Украина, Белоруссия, которые должны перепрофилировать свои предприятия на производство
новых типов хладоносителей.
В октябре 1995 г. авторы ТФГ получили за эту работу Нобелевскую премию.
Вместе с тем после появления ТФГ появился ряд данных, заставляющих усомниться в ее
основных постулатах. К ним относятся:
1. Модельные расчеты,
выполненные на основе ТФГ,
с 1985 г. резко расходятся с
фактическими данными о
глобальной убыли озона (рис.
19).
2.
Существуют
исследования, указывающие
на возможность разложения
фреонов при контакте с
некоторыми видами почвы,
кварцевыми песками. Таким образом, уязвимо базовое положение ТФГ о длительности жизни и
инертности фреонов в тропосфере.
3. Озоновая дыра наиболее проявлена в Антарктиде, в то время как максимальное
потребление и производство фреонов сконцентрировано в средних широтах северного полушария.
Сторонники ТФГ считают, что атмосфера за год перемешивается и концентрация веществ в ней
выравнивается. Вместе с тем четко установлено существование резкого градиента в
концентрациях метана в Северном и Южном полушариях, стабильного из года в год и связанного
с потоком биогенного метана из болот умеренного пояса Северного полушария.
4. ТФГ не учитывает альтернативных источников фреонов, кроме техногенных. Однако в
пузырьках воздуха внутри антарктического льда с возрастом 1100-2600 лет обнаружены фреоны,
имеющие, несомненно, вулканическое происхождение. Повышенные концентрации фреонов
зафиксированы над рядом вулканов Курильской островной дуги (влк. Тятя, Менделеева,
Головина).
Кроме фреонов другим существенным источником природного хлора являются лесные
пожары. Образующийся при этом хлористый метил (СН3С1) восходящими потоками нагретого
при пожаре воздуха способен достигать верхних частей атмосферы.
5. Поток природного метана в атмосфере (рис. 20, 21) на 3 порядка превосходит поток
фреонов любой природы. В присутствии метана реакция взаимодействия хлора с озоном не идет.
Таким образом, при подобных соотношениях СН4 и С1 галоидный цикл как процесс планетарного
масштаба невозможен.
17
В основе гипотезы водородно-метановой продувки озонового слоя лежит положение о
взаимодействии эндогенных флюидов (водород, метан, азот) со стратосферном озоном. Гипотеза
сформулирована
российским
ученым-геологом
В.Л.
Сывороткиным в 1990-1996 гг. и
поддержана академиком РАН
А.А. Маракушевым [12].
Как
было
показано,
наиболее активными в процессе
разрушения озона являются
водородный и азотный циклы.
Поэтому с точки зрения химии
процесса гипотеза не является
оригинальной. Ее основные
принципиально
новые
положения
сводятся
к
следующему:
1. Решающую роль в
разложении озонового слоя
играют
эндогенные
газы
(флюиды). Потоки эндогенных
газов обусловлены процессами
дегазации
внешнего
ядра
Земли,
насыщающегося
флюидами
в
обстановке
высокого водно-водородного
давления на ранних этапах
существования планеты (рис.
22).
Существование
газовых
потоков водорода, метана,
азота с примесью гелия и
углеводородов подтверждается
результатами исследований в
глубоких скважинах и шахтах,
составом
газово-жидких
включений
минералов
в
интрузивных горных породах,
базальтовых лавах, фумаролах
и
гидротермах.
Так,
в
Калифорнийском заливе и на
Восточно-Тихоокеанском
поднятии между 20 и 35° ю.ш.
обнаружены водородные струи.
Гидротермы
с
газами
существенно
водородного
состава
выявлены
в
Центральном грабене Исландии,
на дне Красного моря, в желобе
Тонга. Эндогенные флюидные потоки установлены в кимберлитовых трубках Удачная,
Юбилейная, Айхал, Мир. В трубке Удачная дебит газовой струи достигает 1150 л/с, причем в ее
составе на долю водорода приходится 56 %, метана - 44 %. Выбросы метановых потоков связаны
также с местами нарушения газогидратного слоя (например, "Охотоморский метановый факел" у
подножия вулкана Алаид - остров Атласова в зоне Парамуширского поперечного разлома (рис.
25).
18
Главными каналами дегазации, через которые растворенные во внешнем ядре газы выходят на
дневную и морскую поверхность, являются грандиозные расколы литосферы - рифтовые зоны,
максимально сближающиеся вокруг Антарктиды. Таким образом, атмосфера над Антарктидой
подвержена максимальной продувке озоноразрушающими газами.
Часть озоновых дыр возникает над базальтовыми щитовыми вулканами, для которых
характерно образование лавовых озер, флюидная продувка которых приводит к появлению "волос
Пеле". Этот редкий феномен обнаружен на Гавайях (вулкан Килауэа), в Антарктиде (вулкан
Эребус), в Восточной Африке (Нирагонго), возле Красного моря (вулкан Эрта-Але), на Азорских
островах (вулкан Капельиниш). Все из перечисленных районов совпадают с районами появления
озоновых дыр. Необходимо подчеркнуть, что крупнейшая научно-исследовательская станция в
Антарктиде Мак-Мердо, где проводится изучение Антарктической озоновой дыры расположена
у подножия вулкана Эребус - крупнейшего вулкана Земли, для которого вулканологами
отмечается явление газово-водородной продувки.
Общий объем эндогенных газов многократно превышает объем антропогенных
озоноразрушающих соединений, в связи с чем связь глобальных трендов в содержании озона с
производством фреонов представляется сомнительной. В ТФГ трудноразрешимой проблемой
является транспортировка фреонов на стратосферные высоты. Фреоны тяжелее воздуха, в то время
как водород в 14 раз, а метан в 1,8 раза легче воздуха. Вулканические извержения, способные выбрасывать свои продукты, в том числе и газы, на многокилометровые высоты, разрешают это
противоречие.
Из всего изложенного выше вытекает общий вывод, что формирование и разрушение
озонового слоя представляет многофакторный процесс. Изменение любого из параметров
оказывает влияние на общее содержание и локальные концентрации озона. Попытка
абсолютизации какого-то одного фактора в рамках изложенных гипотез явно обречена на неудачу.
5. Контроль загрязнения атмосферой
Нормирование загрязнения атмосферы основывается на использовании гигиенических
критериев. Предельно допустимая концентрация - максимальная концентрация примеси в
атмосфере, отнесенная к определенному времени осреднения, которая при периодическом
воздействии или на протяжении всей жизни человека не оказывает на него вредного воздействия,
включая отдаленные последствия, и на окружающую среду в целом. Эта величина обосновывается
клиническими и санитарно-гигиеническими исследованиями и носит законодательный характер. В
России для воздуха установлено 3 вида пдк.
IIДКрз - предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны, которая при
нормативной продолжительности рабочей недели, продолжительностью не более 41 часа, не
должна вызывать обнаруживаемых современными методами исследований заболеваний или
отклонений в состоянии здоровья работающего и его потомков. Для рабочих зон устанавливаются
максимальные разовые и среднемесячные ПДКрз. Действие ПДКрз распространяется на
производственные помещения, и контроль за их соблюдением является задачей не столько
природоохранных служб, сколько охраны труда.
ПДKмp - предельно допустимая концентрация максимальная разовая - концентрация
химического вещества в воздухе населенной местности, которая при вдыхании в течение 20 минут
не должна вызывать рефлекторных реакций (кашель, ощущение запаха и др.).
ПДKcc - среднесуточная ПДК в воздухе населенной местности, концентрация химического
вещества, которая не должна оказывать на человека прямого или косвенного вредного влияния
при неопределенно долгом вдыхании. На основе предельно допустимых концентраций
рассчитываются предельно допустимые выбросы (ПДВ), т.е. разрешенные количества вредных
веществ, поступление которых в атмосферу, с учетом условий выброса, климатических
параметров и фоновых концентраций, не приведет к превышению предельно допустимых
концентраций за пределами территории предприятия и его санитарно-защитной зоны (СЗЗ), в т.ч.
при неблагоприятных для рассеяния метеоусловиях (НМУ). Составной частью ПДВ предприятия
является план мероприятий, осуществляемых при НМУ, ограничение мощности или остановка
отдельных агрегатов и производственных единиц, дающих наибольшие выбросы, запрет на
использование некоторых видов топлива и др. Для веществ, обладающих эффектом суммации, т.е.
взаимного усиления действия на организм, предельно допустимые концентрации устанавливаются
для сумм, причем на уровне более низком, чем просто суммы их пдк. Для социально значимых
19
территорий (больницы, санатории, детские учреждения) значения ПДК принимаются
пониженными на 20%. Нормативы, действующие за рубежом, в частности стандарты ВОЗ,
устанавливают предельно допустимые концентрации для разных периодов осреднения, от года до
30 минут. При этом сами значения ПДК, как правило, более высокие (т.е. менее строгие), чем
аналогичные, приняты е в России. Так, для оксида углерода норматив получасового периода
осреднения (аналог ПДКмр) составляет 60 мг/м, для диоксида азота норматив 24-часового периода
осреднения (аналог ПДКсс) - 0,15 мг/м. С одной стороны, жесткие нормативы побуждают
контролирующие органы добиваться от предприятий использования наиболее экологически
безопасных технологий, с другой стороны, многочисленность фактов превышения ПДК
способствует формированию терпимого отношения к этому, что на практике ведет к превращению
гигиенического норматива в единицу измерения.
Экономический механизм регулирования загрязнения атмосферы. Нормативы
загрязнения атмосферы используются для определения размеров платежей за выбросы. В рамках
действующей в России практики, утвержденный территориальным природоохранным органом
предельно допустимый выброс (ПДВ) является разрешением на выброс. До его определения и
утверждения, в т.ч. при невозможности обеспечения соблюдения ПДК до проведения
крупномасштабных природоохранных мероприятий, может устанавливаться временно
согласованный выброс (ВСВ). К 1995 году в России предельно допустимые и временно
согласованные выбросы были установлены более чем в 500 городах, более чем для 10 тыс.
предприятий, поставляющих в атмосферу 80% общего количества промышленных выбросов.
Плата за выброс загрязняющих веществ в пределах ПДВ взимается в соответствии с базовым
нормативом (в ценах 1990 года) и коэффициентом индексации. За выброс загрязняющих веществ
сверх ПДВ, либо при отсутствии утвержденного ПДВ (в Т.ч. при наличии ВСВ), плата взимается в
5-кратном размере. За выброс загрязняющих веществ в пределах экологически неблагополучных
территорий устанавливаются повышающие коэффициенты. Так, для Центрального и Поволжского
экономических районов такой коэффициент составляет 1,9; для Северо-Западного -1,2; для ВолгоВятского - 1,1; для Уральского - 2,0 и Т.д. Следует отметить, что в силу неоднородности
территорий экономических районов по природным условиям И по величине антропогенной
нагрузки такой принцип дифференциации повышающих коэффициентов весьма далек от научного
обоснования. За рубежом применяются как подобные системы административного определения
размеров платы за загрязнение атмосферы, так и основанные на иных принципах. Так, в США
распространена аукционная продажа квот на загрязнение, в Японии - договорные цены,
определяемые в соглашениях между предприятиями и органами местного самоуправления, в
рамках осуществляемой ими экономической политики и политики занятости.
Мониторинг загрязнения атмосферы. Фактические концентрации загрязняющих веществ
контролируются на маршрутных и стационарных постах наблюдения за загрязнением атмосферы
(ПНЗ) от 1 до 3-4 раз в сутки. В Российской Федерации по состоянию на 1995 год такие
наблюдения велись 664 постах в 284 городах, главным образом, силами гидрометслужбы. Число
постов в городах зависит от их населения и объемов промышленных выбросов и составляет от 1
до 10-20. Посты размещаются вблизи предприятий, автомагистралей, внутри жилых массивов. На
каждом из постов контролируется от 4-5 до 20-25 ингредиентов, в т.ч. наиболее распространенные
(основные) и специфические загрязняющие вещества, с учетом специализации и состава выбросов
предприятий города. В дополнение к этому, органами санитарно-эпидемиологического надзора
осуществляются подфакельные наблюдения, включающие отбор проб с подветренной стороны от
крупных предприятий и промышленных комплексов - источников загрязнения атмосферы.
Предприятия силами своих лабораторий, с использованием инструментальных средств,
осуществляют ведомственный мониторинг на территориях промышленных площадок и санитарнозащитных зон, контроль состава своих выбросов. На природоохранные органы возложена функция
контроля за этой работой. За рубежом мониторинг загрязнения атмосферы базируется на
использовании небольшого числа опорных станций, которые дополняются многочисленными
локальными сетями автоматизированных датчиков. Широкое использование геоинформационных
технологий позволяет отслеживать ситуации с загрязнением в реальном масштабе времени и
делать эту информацию доступной через Интернет. В ряде стран дополнительно к техническим
средствам контроля применяется биомониторинг. Например, в Нидерландах, имеющих площадь
32,5 тыс. км2, кроме 220 обычных станций мониторинга на основе физико-химических методов
20
анализа, существуют 40 станций биомониторинга, где ведутся наблюдения за растениями,
полученными из эталонных семян и произрастающими в искусственно поддерживаемых
стандартных условиях.
Основные направления охраны атмосферы. Стратегия практической борьбы с
загрязнением атмосферы включает три основных направления:
- предотвращение образования выбросов путем улучшения существующих и внедрения
новых, безотходных и малоотходных технологий и источников энергии, повышение качества
сырья и топлива;
улавливание и очистка выбросов, с экологически безопасной утилизацией уловленных
веществ;
Минимизация ущерба от выбросов, которые не удалось предотвратить или очистить с
помощью организационных и архитектурно-планировочных мероприятий.
21