Атмосфера и ее загрязнение

     На  международной конференции в  Торонто (Канада) в 1985 г. перед энергетикой всего мира поставлена задача сократить к 2010 г. на 20% промышленные выбросы углерода в атмосферу. Но очевидно, что ощутимый экологический эффект может быть получен лишь при сочетании этих мер с глобальным направлением экологической политики — максимально возможным сохранением сообществ организмов, природных экосистем и всей биосферы Земли. 

     8.2 Нарушение озонового слоя 

     Озоновый  слой (озоносфера) охватывает весь земной шар и располагается на высотах от 10 до 50 км с максимальной концентрацией озона на высоте 20—25 км. Насыщенность атмосферы озоном постоянно меняется в любой части планеты, достигая максимума весной в приполярной области. Впервые истощение озонового слоя привлекло внимание широкой общественности в 1985 г., когда над Антарктидой было обнаружено пространство с пониженным (до 50%) содержанием озона, получившее название «озоновой дыры». С тех пор результаты измерений подтверждают повсеместное уменьшение озонового слоя практически на всей планете. Так, например, в России за последние десять лет концентрация озонового слоя снизилась на 4—6% в зимнее время и на 3 % — в летнее. В настоящее время истощение озонового слоя признано всеми как серьезная угроза глобальной экологической безопасности. Снижение концентрации озона ослабляет способность атмосферы защищать все живое на Земле от жесткого ультрафиолетового излучения (УФ-радиация).  

     Живые организмы весьма уязвимы для ультрафиолетового излучения, ибо энергии даже одного фотона из этих лучей достаточно, чтобы разрушить химические связи в большинстве органических молекул. Не случайно поэтому в районах с пониженным содержанием озона многочисленны солнечные ожоги, наблюдается увеличение заболевания людей раком кожи и др. Так, например, по мнению ряда ученых-экологов, к 2030 г. в России при сохранении нынешних темпов истощения озонового слоя заболеют раком кожи дополнительно 6 млн. человек. Кроме кожных заболеваний возможно развитие глазных болезней (катаракта и др.), подавление иммунной системы и т. д. Установлено также, что растения под влиянием сильного ультрафиолетового излучения постепенно теряют свою способность к фотосинтезу, а нарушение жизнедеятельности планктона приводит к разрыву трофических цепей биоты водных экосистем, и т. д. Наука еще до конца не установила, каковы же основные процессы, нарушающие озоновый слой. Предполагается как естественное, так и антропогенное происхождение «озоновых дыр». Последнее, по мнению большинства ученых, более вероятно и связано с повышенным содержанием хлорфторуглеродов (фреонов). Фреоны широко применяются в промышленном производстве и в быту (хладоагрегаты, растворители, распылители, аэрозольные упаковки и др.). Поднимаясь в атмосферу, фреоны разлагаются с выделением оксида хлора, губительно действующего на молекулы озона.  

     По  данным международной экологической  организации «Гринпис», основными поставщиками хлорфторуглеродов (фреонов) являются США— 30,85%, Япония — 12,42%, Великобритания — 8,62% и Россия — 8,0%. США пробили в озоновом слое «дыру» площадью 7 млн. км², Япония — 3 млн. км², что в семь раз больше, чем площадь самой Японии. В последнее время в США и в ряде западных стран построены заводы по производству новых видов хладореагентов (гидрохлорфторуглеродово) с низким потенциалом разрушения озонового слоя. Согласно протоколу Монреальской конференции (1990 г.), пересмотренному затем в Лондоне (1991 г.) и Копенгагене (1992 г.), предусматривалось снижение выбросов хлорфторуглерода к 1998 г. на 50%. Согласно ст. 56 Закона Российской Федерации об охране окружающей природной среды, в соответствии с международными соглашениями, все организации и предприятия обязаны сократить и в последующем полностью прекратить производство и использование озоноразрушающих веществ.

     Ряд ученых продолжают настаивать на естественном происхождении «озоновой дыры». Причины ее возникновения одни видят  в естественной изменчивости озоносферы, циклической активности Солнца, другие связывают эти процессы с рифтогенезом и дегазацией Земли. 

     8.3 Кислотные дожди 

     Одна  из важнейших экологических проблем, с которой связывают окисление природной среды, - кислотные дожди. Образуются они при промышленных выбросах в атмосферу диоксида серы и оксидов азота, которые, соединяясь с атмосферной влагой, образуют серную и азотную кислоты. В результате дождь и снег оказываются подкисленными (число рН ниже 5,6). В Баварии (ФРГ) в августе 1981 г. выпадали дожди с кислотностью рН=3,5. Максимальная зарегистрированная кислотность осадков в Западной Европе — рН=2,3. Суммарные мировые антропогенные выбросы двух главных загрязнителей воздуха — виновников подкисления атмосферной влаги — SO₂ и NO составляют ежегодно — более 255 млн. т. По данным Росгидромета, ежегодно на территории России выпадает не менее 4.22 млн.т серы, 4.0 млн.т. азота (нитратного и аммонийного) в виде кислотных соединений, содержащихся в атмосферных осадках. Как видно из рисунка 10, наибольшие нагрузки серы наблюдаются в густонаселенных и индустриальных регионах страны.  

    9.Основные пути решения проблемы загрязнения атмосферы

     
Увеличение масштабов загрязнения  атмосферы требуют быстрых и  эффективных способов защиты её от загрязнения, а также способов предупреждения вредного воздействия загрязнителей  воздуха. Атмосфера может содержать  определённое количество загрязнителя без проявления вредного воздействия, т.к. происходит естественный процесс её очистки.  
Первым шагом в установлении вредного воздействия, связанного с загрязнением воздуха, является разработка критерия качества воздуха, а также стандартов качества.

    Стандарты качества определяют уровни качества воздуха и предельно допустимые выбросы (ПДВ), которые необходимо выдерживать  для обеспечения безопасности жизни.

    Контролирующие  органы обязаны осуществлять количественный и качественный контроль.

    Другим  подходом к улучшению состояния  атмосферы является требование применения передовых технологических процессов, замена вредных материалов безвредными, применение мокрых способов обработки  сырья вместо сухих.

    Как правило, на промышленных предприятиях используются процессы или устройства для газоочистки и пылеулавливания, чтобы уменьшить или предотвратить величину выброса. Процессы газоочистки могут также разрушить или менять его химические или физические свойства так, что он становится менее опасным

    В некоторых случаях используют метод  рассеивания в атмосфере. Дымовые  трубы должны быть достаточно высокими (300-350 метров), для обеспечения хорошего разбавления примесей путём обтекания  воздуха вокруг зданий в зоне аэродинамических теней. Кроме того, необходимо учитывать температуру выбросов и месторасположение труб. Предприятия строят с подветренной стороны по отношению к жилым районам. На ряде предприятий факельные газы используют для отопления зданий, а их избыток направляется на теплоцентраль.

    В 1992 г. страны-члены ООН подписали  рамочную Конвенцию ООН об изменении  климата. Конечная цель Конвенции заключается  в том, чтобы добиться стабилизации парниковых газов в атмосфере  на уровне, не допускающем опасного антропогенного воздействия на климатическую систему.

            Один из главных источников  загрязнения атмосферы углекислым  газом - автомобильный транспорт.  Есть несколько видов борьбы  с этим видом загрязнений: техническое  совершенствование двигателей, топливной  аппаратуры, электронных систем подачи топлива; повышение качества топлива, снижение содержания токсичных веществ в выхлопных газах в результате применения дожигателей топлива, каталитических катализаторов; использование альтернативных видов топлива, например сжатого природного газа.

         Кроме того, открыт способ утилизации углекислого газа с помощью новейших технологий. Диоксид углерода извлекают из дымовых газов. Операцию проводят высокоэкономичным методом газоразделения с помощью ионообменных мембран, при этом концентрацию углекислоты доводят до 98-99%. Очищенный диоксид углерода закачивают в хранилища (газгольдеры), откуда он поступает на дальнейшую переработку.

        На следующей стадии углекислый  газ смешивают с парами воды  и подвергают электрохимическому  разложению в процессе электролиза. В результате реакции при высокой (1100-1500°С) температуре на аноде выделяется сверхчистый кислород, а на катоде смесь окиси углерода и водорода, т.е. синтез-газ, служащий основным сырьем для производства углеводородных соединений, всего спектра современных искусственных материалов - от синтетического бензина и дизельного топлива до изделий из полимеров  (пластмасс, лаков, красок, растворителей и т.д.). Синтез-газ может использоваться и в металлургии для бескоксового производства чугуна.

         В Институте нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева  РАН разработаны новейшие технологии превращения углекислого газа в метанол (метиловый  спирт) и диметиловый эфир, увеличивающие в 2-3 раза производительность аппаратов при значительном уменьшении расхода электроэнергии. Здесь был создан реактор нового типа, в котором производительность увеличена в 2-3 раза.

        Введение этих технологий снизит  накопление углекислого газа  в атмосфере и поможет не  только создать альтернативное  сырье для синтеза многих органических соединений, основой для которых сегодня служит нефть, но и решить важные экологические проблемы.

         В перспективе возможно, хотя  пока это относительно дорого, извлекать диоксид углерода непосредственно  из атмосферы крупных промышленных  городов. Интересно, что его запасы в атмосфере и гидросфере, накопленные за 100 лет промышленной цивилизацией, существенно превышают ( в пересчете на углеводороды, полученные по предлагаемой технологии) оставшиеся на планете залежи нефти, а это около 400 млрд.т.

    Кислотные дожди могут оказывать как прямое, так и косвенное воздействие на живую и неживую природу. Из этого следует, что меры по частичному восполнению ущерба или предотвращению дальнейшего разрушения окружающей среды могут быть различными.

    Наиболее  эффективным способом защиты следует считать значительное сокращение выбросов двуокиси серы и окиси азота. Этого можно достичь несколькими методами, в том числе путем сокращения использования энергии и создания электростанций, не использующих минеральное топливо. Другие возможности уменьшения выброса загрязнений в атмосферу — удаление серы из топлива с помощью фильтров, регулирование процессов горения и другие технологические решения.

    Снижение  содержания серы в различных видах  топлива. Лучше всего было бы использовать топливо с низким содержанием серы. Однако таких видов топлива очень мало. По приближенным оценкам из известных в настоящее время мировых запасов нефти только 20% имеют содержание серы менее 0, 5%. Среднее содержание серы в используемой нефти увеличивается, так как нефть с низким содержанием серы добывается ускоренными темпами.

    Так же обстоит дело и с углями. Угли с низким содержанием серы находятся практически только в Канаде и Австралии, но это только небольшая часть имеющихся залежей угля. Содержание серы в углях колеблется от 0, 5 до 1, 0%.

    Таким образом, энергоносители с низким содержанием  серы у нас имеются в ограниченном количестве. Если мы не хотим, чтобы содержавшаяся в нефти и угле сера попала в окружающую среду, необходимо принимать меры для ее удаления.

    Во  время переработки (дистилляции) нефти  остаток (мазут) содержит большое количество серы. Удаление серы из мазута — процесс очень сложный, а в результате удается освободиться всего от 1/3 или 2/3 серы. К тому же процесс очистки мазута от серы требует от производителя больших капитальных вложений.

    Сера  в угле находится частично в неорганической, а частично в органической форме. Во время очистки, когда удаляют несгораемые части, удаляется также часть пирита. Однако таким способом даже при самых благоприятных условиях можно освободиться только от 50% общего содержания серы в угле. С помощью химических реакций могут быть удалены как органические, так и неорганические серосодержащие соединения. Но в связи с тем, что процесс идет при высоких температурах и давлениях, этот способ оказался гораздо дороже предыдущего.

    Очистка угля и нефти от серы, таким образом, представляет собой достаточно сложный и малораспространенный процесс, причем затраты на него весьма высоки. Кроме того, даже после очистки энергоносителей в них остается приблизительно половина первичного содержания серы. Поэтому очистка от серы является не самым лучшим решением проблемы кислотных дождей.

    Применение  высоких труб. Это один из наиболее спорных способов. Сущность его заключается в следующем. Перемешивание загрязняющих веществ в значительной степени зависит от высоты дымовых труб. Если мы используем низкие трубы (здесь в первую очередь необходимо вспомнить трубы электростанции), то выбрасываемые соединения серы и азота перемешиваются в меньшей степени и быстрее выпадают в осадок, чем при наличии высоких труб. Поэтому в ближайшем окружении (от нескольких километров до нескольких десятков километров) концентрация оксидов серы и азота будет высокой и, естественно, эти соединения будут причинять больше вреда. Если труба высокая, то непосредственные воздействия уменьшаются, но возрастает эффективность перемешивания, что означает большую опасность для отдаленных районов (кислотные дожди) и для всей атмосферы в целом (изменение серы в газах, образующихся во время горения топлива химического состава атмосферы, изменение климата). Таким образом, строительство высоких труб, несмотря на распространенное мнение, не решает проблемы загрязнения воздуха, зато в значительной степени увеличивает "экспорт" кислотных веществ и опасность выпадения кислотных дождей в отдаленных местах. Следовательно, увеличение высоты трубы сопровождается тем, что непосредственные воздействия загрязнений (гибель растений, коррозия зданий и т.п.) уменьшаются, однако косвенные воздействия (влияние на экологию удаленных районов) увеличиваются.