Загрязнение атмосферы

Прогноз состояния приземной  атмосферы осуществляется по комплексным  данным. К ним прежде всего относятся  результаты мониторинговых наблюдений, закономерности миграции и трансформации  загрязняющих веществ в атмосфере, особенности антропогенных и природных процессов загрязнения воздушного бассейна изучаемой территории, влияние метеопараметров, рельефа и других факторов на распределение загрязнителей в окружающей среде. Для этого в отношении конкретного региона разрабатываются эвристичные модели изменения приземной атмосферы во времени и пространстве. Наибольшие успехи в решении этой сложной проблемы достигнуты для районов расположения АЭС3.

Конечный результат  применения таких моделей – количественная оценка риска загрязнения воздуха и оценка его приемлемости с социально-экономической точки зрения.

2 Виды  загрязнения атмосферы

2.1 Химическое загрязнение атмосферы

Под загрязнением атмосферы следует понимать изменение ее состава при поступлении примесей естественного или антропогенного происхождения. Вещества-загрязнители бывают трех видов: газы, пыль и аэрозоли. К последним относятся диспергированные твердые частицы, выбрасываемые в атмосферу и находящиеся в ней длительное время во взвешенном состоянии.

К основным загрязнителям  атмосферы относятся углекислый газ, оксид углерода, диоксиды серы и азота, а также малые газовые  составляющие, способные оказывать  влияние на температурный режим  тропосферы: диоксид азота, галогенуглероды (фреоны), метан и тропосферный озон.

Основной вклад  в высокий уровень загрязнения  воздуха вносят предприятия черной и цветной металлургии, химии  и нефтехимии, стройиндустрии, энергетики, целлюлозно-бумажной промышленности, а в некоторых городах и  котельные.

Источники загрязнений - теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ, металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, которые выбрасывают в воздух окислы азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка; химические и цементные заводы. Вредные газы попадают в воздух в результате сжигания топлива для нужд промышленности, отопления жилищ, работы транспорта, сжигания и переработки бытовых и промышленных отходов.

Атмосферные загрязнители разделяют на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом превращения последних. Так, поступающий в атмосферу сернистый газ окисляется до серного ангидрида, который взаимодействует с парами воды и образует капельки серной кислоты. При взаимодействии серного ангидрида с аммиаком образуются кристаллы сульфата аммония. Подобным образом, в результате химических, фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы, образуются другие вторичные признаки. Основным источником пирогенного загрязнения на планете являются тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия, котельные установки, потребляющие более 170% ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива.

В металлургической промышленности при выплавке чугуна и при переработке  его на сталь происходит выброс в  атмосферу различных тяжелых  металлов и ядовитых газов. Объем  выбросов загрязняющих веществ в  атмосферу от стационарных источников на территории России составляет около 22 – 25 млн. т. в год4.

Итак, получается, что в атмосфере  преобладает количество химических элементов.

2.2 Аэрозольное загрязнение атмосферы

Из естественных и  антропогенных источников в атмосферу  ежегодно поступают сотни миллионов тонн аэрозолей. Аэрозоли - это твердые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. Аэрозоли разделяются на первичные (выбрасываются из источников загрязнения), вторичные (образуются в атмосфере), летучие (переносятся на далекие расстояния) и нелетучие (отлагаются на поверхности вблизи зон пылегазовыбросов). Устойчивые и тонкодисперсные летучие аэрозоли - (кадмий, ртуть, сурьма, йод-131 и др.) имеют тенденцию накапливаться в низинах, заливах и других понижениях рельефа, в меньшей степени на водоразделах.

К естественным источникам относят пыльные бури, вулканические  извержения и лесные пожары. Газообразные выбросы (например, SO2) приводят к образованию  в атмосфере аэрозолей. Несмотря на то, что время пребывания в  тропосфере аэрозолей исчисляется  несколькими сутками, они могут вызвать снижение средней температуры воздуха у земной поверхности на 0,1 – 0,3С0. Не меньшую опасность для атмосферы и биосферы представляют аэрозоли антропогенного происхождения, образующиеся при сжигании топлива либо содержащиеся в промышленных выбросах.

Средний размер аэрозольных  частиц составляет 1-5 мкм. В атмосферу  Земли ежегодно поступает около 1 куб. км пылевидных частиц искусственного происхождения. Большое количество пылевых частиц образуется также  в ходе производственной деятельности людей. Сведения о некоторых источниках техногенной пыли приведены в таблице 1 .

Основными источниками  искусственных аэрозольных загрязнений  воздуха являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические. цементные, магнезитовые и сажевые заводы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще всего в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода, реже - оксиды металлов: желеэа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест. Они содержатся в выбросах предприятий теплоэнергетики, черной и цветной металлургии, стройматериалов, а также автомобильного транспорта. Пыль, осаждающаяся в индустриальных районах, содержит до 20%оксида железа, 15% силикатов и 5% сажи, а также примеси различных металлов (свинец, ванадий, молибден, мышьяк, сурьма и т.д.).

Еще большее разнообразие свойственно органической пыли, включающей алифатические и ароматические углеводороды, соли кислот. Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях. Постоянными источниками аэрозольного загрязнения являются промышленные отвалы - искусственные насыпи из переотложенного материала, преимущественно вскрышных пород,  образуемых при добыче полезных ископаемых или же из отходов предприятий перерабатываюшей промышленности, ТЭС. Источником пыли и ядовитых газов служат массовые взрывные работы. Так, в результате одного среднего по массе взрыва ( 250-300 тонн взрывчатых веществ) в атмосферу выбрасывается около 2 тыс. куб. м условного оксида углерода и более 150 т. пыли. Производство цемента и других строительных материалов также является источником загрязнения атмосферы пылью. Основные технологические процессы этих производств - измельчение и химическая обработка шихт, полуфабрикатов и получаемых продуктов в потоках горячих газов всегда сопровождается выбросами пыли и других вредных веществ в атмосферу.

Аэрозоли загрязняют не только атмосферу, но и стратосферу, оказывая влияние на ее спектральные характеристики и вызывая опасность  повреждения озонового слоя. Непосредственно  в стратосферу аэрозоли поступают с выбросами сверхзвуковых самолетов, однако имеются аэрозоли и газы, диффундирующие в стратосфере.

Основной аэрозоль атмосферы  – сернистый ангидрид (SO2), несмотря на большие масштабы его выбросов в атмосферу, является короткоживущим газом (4 – 5 суток). По современным оценкам, на больших высотах выхлопные газы авиационных двигателей могут увеличить естественный фон SO2  на 20%. Хотя эта цифра невелика, повышение интенсивности полетов уже в ХХ веке может сказаться на альбедо земной поверхности в сторону его увеличения. Ежегодное поступление сернистого газа в атмосферу только вследствие промышленных выбросов оценивается почти в 150 млн. т. В отличие от углекислого газа сернистый ангидрид является весьма нестойким химическим соединением. Под воздействием коротковолновой солнечной радиации он быстро превращается в серный ангидрид и в контакте с водяным паром переводится в сернистую кислоту. В загрязненной атмосфере, содержащей диоксид азота, сернистый ангидрид быстро переводится в серную кислоту, которая, соединяясь с капельками воды, образует так называемые кислотные дожди.

При некоторых погодных условиях могут образовываться особо  большие скопления вредных газообразных и аэрозольных примесей в приземном  слое воздуха. Обычно это происходит в тех случаях, когда в слое воздуха непосредственно над источниками газопылевой эмиссии существует инверсия - расположения слоя более холодного воздуха под теплым, что препятствует воздушным массам и задерживает перенос примесей вверх⁵. В результате вредные выбросы сосредотачиваются под слоем инверсии, содержание их у земли резко возрастает, что становится одной из причин образования ранее неизвестного в природе фотохимического тумана.

2.3 Загрязнение атмосферы выбросами транспорта

Большую долю в загрязнении  атмосферы составляют выбросы вредных веществ от автомобилей. Сейчас на Земле эксплуатируется около 500 млн. автомобилей, а к 2000 г. ожидается увеличение их числа до 900 млн. В 1997 г. в Москве эксплуатировались 2400 тыс. автомобилей при нормативе 800 тыс. автомобилей на действующие дороги.

В настоящее время  на долю автомобильного транспорта приходится больше половины всех вредных выбросов в окружающую среду, которые являются главным источником загрязнения  атмосферы, особенно в крупных городах. В среднем при пробеге 15 тыс. км за год каждый автомобиль сжигает 2 т топлива и около 26 – 30 т воздуха, в том числе 4,5 т кислорода, что в 50 раз больше потребностей человека. Наблюдения показали, что в домах, расположенных рядом с большой дорогой (до 10 м), жители болеют раком в 3 – 4 раза чаще, чем в домах, удаленных от дороги на расстояние 50 м. Транспорт отравляет также водоемы, почву и растения.

Токсичными выбросами  двигателей внутреннего сгорания (ДВС) являются отработавшие и картерные  газы, пары топлива из карбюратора и топливного бака. Основная доля токсичных примесей поступает в атмосферу с отработавшими газами ДВС. С картерными газами и парами топлива в атмосферу поступает приблизительно 45 % углеводородов от их общего выброса.

Количество  вредных веществ, поступающих в атмосферу в составе отработавших газов, зависит от общего технического состояния автомобилей и, особенно, от двигателя – источника наибольшего загрязнения. Так, при нарушении регулировки карбюратора выбросы оксида углерода увеличиваются в 4...5 раза. Применение этилированного бензина, имеющего в своем составе соединения свинца, вызывает загрязнение атмосферного воздуха весьма токсичными соединениями свинца. Около 70 % свинца, добавленного к бензину с этиловой жидкостью, попадает в виде соединений в атмосферу с отработавшими газами, из них 30 % оседает на земле сразу за срезом выпускной трубы автомобиля, 40 % остается в атмосфере. Один грузовой автомобиль средней грузоподъемности выделяет 2,5...3 кг свинца в год. Концентрация свинца в воздухе зависит от содержания свинца в бензине.

Исключить поступление  высокотоксичных соединений свинца в атмосферу можно заменой  этилированного бензина неэтилированным.

Загрязнение воздушной  среды транспортом с ракетными  двигательными установками происходит главным образом при их работе перед стартом, при взлете, при наземных испытаниях в процессе их производства или после ремонта, при хранении и транспортировании топлива. Состав продуктов сгорания при работе таких двигателей определяется составом компонентов топлива, температурой сгорания, процессами диссоциации и рекомбинации молекул. Количество продуктов сгорания зависит от мощности (тяги) двигательных установок.

При старте ракетные двигатели неблагоприятно воздействуют не только на приземной слой атмосферы, но и на космическое пространство, разрушая озоновый слой Земли. Масштабы разрушения озонового слоя определяются числом запусков ракетных систем и интенсивностью полетов сверхзвуковых самолетов.

В связи с  развитием авиации и ракетной техники, а также интенсивным испьзованием авиационных и ракетных двигателей в других отраслях народного хозяйства существенно возрос общий выброс вредных примесей в атмосферу6. Однако на долю этих двигателей приходится пока не более 5 % токсичных веществ, поступающих в атмосферу от транспортных средств всех типов.

3 Меры охраны атмосферного воздуха

«Контроль чистоты  атмосферы» - такие надписи на специально оборудованных постах можно увидеть во многих городах России. Лесопарковые пояса шириной 5-10км. окружают Москву, Харьков, Ленинград, Киев, Минск, Челябинск и другие крупнейшие города нашей страны. Однако увеличение зеленых насаждений - это лишь пассивная мера борьбы за чистоту воздуха. Во-первых, нужна активная борьба со смогом. Он состоит из двух частей: дыма и пыли от заводов и выхлопных газов автомашин. Уменьшить долю смога, создаваемую промышленностью, можно с помощью пылеуловителей, если оборудовать ими предприятия. Далеко не всегда это удается. Промышленника в первую очередь волнуют вопросы: принесет ли это прибыль и сколько? Вырастет ли доходность предприятия? Сколько нужно заплатить и сколько можно получить? При таком подходе к проблеме видишь, что ее корни не только технического, но и социального характера. Автомобиль почти ровесник века. Он был изобретен, чтобы облегчить жизнь людей, но постепенно превратился в источник опасности. Принимаются специальные меры для снижения этой опасности. Грузовой транспорт в городах движется только по отделенным для него магистралям, по кольцевым дорогам в объезд городов. В самом городе строятся подземные переходы и тоннели для машин. Над тротуарами возникли автомобильные эстакады. Все менее токсичным стараются сделать горючее для автомашин. К бензину добавляют различные добавки, снижающие токсичность выхлопных газов, делаются смеси из воды, спирта и бензина. Водяные пары способствуют более полному сгоранию топлива. Присутствие спиртов в горючем снижает содержание угарного газа в выхлопах. На улицах городов появились в большом количестве автомобили, работающие на природном газе. Их двигатель дает меньше вредных выбросов. К тому же газ примерно в 2 раза дешевле бензина. Полностью решить проблему загрязнения воздуха можно только при перестройке технологий действующих и вновь строящихся предприятий, путем организации безотходного производства. Постепенно появляется все большее количество заводов, работающих по замкнутому циклу. Например, в Ленинграде внедрена система очистки промышленных выбросов с одновременным использованием улавливаемых газов для получения серной кислоты. 7