Загрязнение атмосферы ксенокомпонентами

     Создаваемые в городах системы движения в  режиме "зеленой волны", существенно  сокращающие число  остановок  транспорта на перекрестках, призваны сократить загрязнение атмосферного воздуха в городах. Большое влияние на качество и количество  выбросов примесей оказывает режим  работы двигателя, в частности соотношение между массами топлива и воздуха, момент зажигания, качество топлива, отношение поверхности камеры сгорания к ее объему и др. При увеличении отношения массы воздуха и топлива, поступающих в камеру  сгорания, сокращаются выбросы оксида углерода и углеводородов, но  возрастает выброс оксидов азота

     Несмотря на то что  дизельные двигатели  более экономичны, таких веществ,  как  СО, H_nC_m, NО_x, выбрасывают не более, чем бензиновые,  они существенно больше  выбрасывают дыма (преимущественно несгоревшего углерода), который к тому же обладает неприятным запахом создаваемым некоторыми  несгоревшими углеводородами). В сочетании же с создаваемым шумом дизельные двигатели не только сильнее загрязняют  среду, но и воздействуют на здоровье человека гораздо в большей степени, чем бензиновые.

1.3.2 Самолеты

     Хотя  суммарный  выброс  загрязняющих  веществ двигателями самолетов сравнительно невелик (для  города, страны), в районе аэропорта эти выбросы вносят определяющий вклад  в загрязнение  среды. К тому же турбореактивные двигатели (так же как дизельные) при посадке и взлете выбрасывают  хорошо заметный на глаз шлейф дыма. Значительное  количество примесей  в аэропорту выбрасывают  и  наземные передвижные  средства, подъезжающие и отъезжающие  автомобили.

     Согласно  полученным оценкам, в  среднем около  42 % общего расхода топлива тратится на выруливание самолета  к взлетно-посадочной полосе  (ВПП) перед взлетом и на заруливание с ВПП после посадки (по времени в среднем около 22 мин). При этом доля  несгоревшего и выброшенного в атмосферу топлива при рулении намного больше, чем  в полете.  Помимо улучшения работы двигателей (распыление топлива,  обогащение смеси  в зоне горения, использование присадок к топливу, впрыск воды и др.), существенного  уменьшения  выбросов  можно  добиться путем сокращения  времени работы  двигателей на  земле и  числа работающих двигателей при рулении (только за счет последнего достигается снижение выбросов в 3 - 8 раз).

1.3.3 Ракетоносители

     Загрязнение воздушной среды транспортом  с ракетными двигательными установками  происходит главным образом при их работе перед стартом, при взлете и посадке, при наземных испытаниях в процессе их производства и после ремонта, при хранении и транспортировке топлива, а так же при заправке топливом летательных аппаратов. Работа жидкостного ракетного двигателя сопровождается выбросом продуктов полного и неполного сгорания топлива, состоящих из O, NO_x, OH и др.

     При сгорании твердого топлива из камеры сгорания выбрасываются H₂O, CO₂, HCl, CO, NO, Cl, а также твердые частицы Al₂O₃ со средним размером 0,1 мкм (иногда до 10 мкм).

     В двигателях космического корабля «Шатл» сжигается как жидкое так и  твердое топливо. Продукты сгорания топлива по мере удаления корабля  от Земли проникают в различные  слои атмосферы (таблица 1), но большей частью в тропосферу.

     Таблица 1. Продукты сгорания топлива

     В условиях запуска у пусковой системы  образуется облако продуктов сгорания, водяного пара от системы шумоглушения, песка и пыли. Объем продуктов сгорания можно определить по времени (обычно 20 с) работы установки на стартовой площадке и в приземном слое. После запуска высоко температурное облако поднимается на высоту до 3 км и перемещается под действием ветра на расстояние 30 – 60 км, оно может рассеятся, но может стать и причиной кислотных дождей.

     При старте и возвращении на Землю  ракетные двигатели неблагоприятно воздействуют не только на приземный 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. За 40 лет существования космонавтики в СССР и позднее России произведено свыше 1800 запусков ракет-носителей. По прогнозам фирмы Aerospace в XXI в. для транспортировки грузов на орбиту будет осуществляться до 10 запусков ракет в сутки, при этом выброс продуктов сгорания каждой ракеты будет превышать 1,5 т/с.

     В связи с развитием авиации  и ракетной техники, а также интенсивным использованием  авиационных и ракетных двигателей в других отраслях народного хозяйства существенно возрос их общий выброс вредных примесей в атмосферу. Однако на долю этих двигателей приходится пока не более 5% токсичных веществ, поступающих в атмосферу от транспортных средств всех типов.³

1.4. Аэрозольное загрязнение атмосферы

     Аэрозоли - это твердые или жидкие частицы,  находящиеся во  взвешенном состоянии  в воздухе.  Твердые компоненты аэрозолей  в ряде случаев особенно опасны для организмов, а у людей вызывают специфические  заболевания.  В  атмосфере  аэрозольные  загрязнения воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или дымки. Значительная  часть  аэрозолей образуется в атмосфере при  взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с  водяным паром. Средний размер аэрозольных частиц составляет  11-51мкм. В атмосферу Земли ежегодно поступает около  11 куб.км.  пылевидных частиц искусственного  происхождения.  Большое  количество пылевых частиц образуется также в ходе  производственной деятельности людей.  Сведения о некоторых источниках техногенной пыли приведены ниже:

     ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ПРОЦЕСС  ВЫБРОС  ПЫЛИ,МЛН.Т./ГОД

     1. Сжигание каменного угля                      93,60

     2. Выплавка чугуна                                     20,21

     3. Выплавка меди (без очистки)                    6,23

     4. Выплавка цинка                                         0,18

     5. Выплавка олова (без очистки)                   0,004

     6. Выплавка свинца                                       0,13

     7. Производство цемента                              53,37 

     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: железа,  магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена,  мышьяка,  бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест. 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 предриятиях. Постоянными источниками аэрозольного загрязнения  являются  промышленные отвалы  -  искусственные  насыпи из переотложенного  материала, преимущественно вскрышных  пород,  образуемых  придобыче полезных  ископаемых или же из отходов предприятий перерабатывающей промышленности,  ТЭС. Источником пыли и ядовитых газов служат массовые взрывные работы.  Так, в результате  одного среднего по массе взрыва ( 1250-3000 тонн  взрывчатых  веществ) в атмосферу выбрасывается около 12 тыс.куб.м.  условного оксида углерода и более 1150 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.  К атмосферным загрязнителям относятся углеводороды - насыщенные и ненасыщенные,  включающие от  11 до 13  атомов углерода. Они подвергаются различным превращениям, окислению, полимеризации,  взаимодействуя  с  другими  атмосферными  загрязнителями после возбуждения солнечной радиацией.  В  результате этих реакций образуются перекисные соединения,  свободные радикалы,  соединения углеводородов с оксидами азота и  серы часто в виде аэрозольных частиц.  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  воздушных  масс и задерживает перенос  примесей вверх. 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.⁴

1.5 Фотохимический туман (смог)

     Фотохимический  туман представляет собой  многокомпонентную  смесь газов и аэрозольных  частиц первичного и вторичного происхождения. В состав основных компонентов смога  входят  озон,  оксиды азота и серы,  многочисленные органические соединения  перекисной природы,  называемые в совокупности фотооксидантами. Фотохимический смог возникает в результате фотохимических  реакций при определенных условиях:  наличии в атмосфере высокой концентрации  оксидов азота,  углеводородов и других загрязнителей, интенсивной солнечной радиации  и  безветрия  или  очень слабого  обмена воздуха в приземном слое при мощной и в  течение не менее суток повышенной инверсии.  Устойчивая  безветренная погода, обычно сопровождающаяся инверсиями, необходима для создания высокой концентрации  реагирующих веществ.  Такие условия создаются чаще  в июне-сентябре и реже зимой.  При продолжительной ясной погоде солнечная радиация  вызывает  расщепление молекул диоксида азота с образованием оксида азота и атомарного кислорода.  Атомарный кислород с молекулярным  кислородом дают озон.  Казалось бы,  последний, окисляя оксид  азота, должен снова превращаться в  молекулярный  кислород,  а  оксид азота - в диоксид.  Но этого не происходит. Оксид азота  вступает в реакции с олефинами выхлопных газов,  которые  при  этом расщепляются по двойной связи и образуют осколки молекул  и избыток озона. В результате продолжающейся диссоциации новые  массы диоксида  азота расщепляются и дают дополнительные количества озона.  Возникает циклическая реакция, в итоге которой в атмосфере постепенно накапливается озон. Этот процесс в  ночное время прекращается. В свою очередь озон вступает в реакцию с олефинами.  В атмосфере концентрируются различные перекиси, которые в сумме и образуют характерные для фотохимического тумана  оксиданты.  Последние являются источником так называемых свободных радикалов, отличающихся особой реакционной способностью. Такие смоги - нередкое явление над Лондоном,  Парижем, Лос-Анджелесом, Нью-Йорком и другими городами Европы  и Америки. По своему физиологическому воздействию на организм  человека они крайне опасны для дыхательной и кровеносной системы и часто бывают причиной преждевременной смерти городских  жителей с ослабленным здоровьем.⁵